永磁直線同步電機電流檢測系統設計

Design of the current detection system of the permanent magnet
linear synchronous motors
CHEN YOUPING, ZHANG YING AI Wu, LIANG CHAOYU

Abstract: The linear motor system is widely used because of the simple structure. This paper presents a feasible scheme of the current detection system based on the magnetic balanced Hall current sensor. The system basic principle, the current signal processing and over-current protector are analyzed respectively. The validity of the current detection system is confirmed by the experimental results.

Keywords: the permanent magnet linear synchronous motor （PMLSM）; Hall current sensor; over-current protector

1. 前言

　　高速加工、微細加工是機械制造及科學研究的重要發展方向，這要求進給系統具有較大的驅動力、較高的頻響以及較高的運動精度和位移剛度。永磁直線同步電機（PMLSM）具有推力大、損耗低、電氣時間常數小、響應速度快、功率因數高、控制參數可測、以及控制性能好等特點，與其他高速精密進給系統相比，PMLSM進給系統具有較大的優越性。因此，PMLSM在提升系統、電子制造業及高速精密數控系統中有開闊的應用前景，受到眾多學者的關注和研究[1]。

　　本文中的永磁同步直線電機控制系統采用三環控制策略即對位置環、速度環和電流環分別進行控制。直線電機位置伺服控制系統如圖1所示。其中，位置環和速度環為外環，電流環為伺服系統的內環。在伺服控制系統的三個控制環中電流環位于最內環，也是最重要的環節，因為在直線電機矢量控制系統中，高性能的推力控制是通過電流控制器得到的，電流環性能的好壞將直接影響外環及整個系統的性能。因此研究永磁同步直線電機的電流檢測系統具有重要意義。

圖1 永磁直線同步電機控制系統框圖

2. 基于磁場平衡式霍爾電流傳感器的電流檢測技術

　　永磁直線電機的電流檢測是通過電流傳感器模塊完成的，由于交流直線電動機在額定工作狀況下，工作電流較大，約為5A左右，因此在對電流信號進行檢測時，對電流傳感器要求有兩點：一是產生正比于被測電流的信號，要求電流傳感器具有較高的精度、較快的響應時間和較好的工作穩定性，以達到實時控制的目的;二是為了防止主電路與控制電路的相互干擾，必須使主電路與控制電路相隔離。

　　因此，本系統的電流檢測采用CSN系列磁場平衡式電流傳感器作為電流檢測元件[2]-[4]，其特點是應用霍爾效應閉環補償。具有出色的精度，良好的線性度，低溫飄，優秀的反應時間，頻帶范圍寬，頻率范圍可達 ，抗干擾能力強。利用電-磁-電轉換原理來構成，將互感器、磁放大器、霍爾元件和電子線路集成在一起，具有較強的抗干擾能力，且動態響應較快，極易適合電機繞組電流的檢測，工作原理如圖2所示。

圖2 霍爾電流傳感器工作原理

　　圖2中有一個用軟磁材料制成的帶有縫隙的聚磁環，縫隙中放了一片霍爾元件。霍爾元件中通有一個固定的電流I_c，聚磁環中穿過一根導線，其中流過待測電流。在聚磁環及其縫隙中產生磁場，磁感應強度為B。于是霍爾元件產生霍爾電位差V_H。

　　（1）

　　式中 —K霍爾系數。

　　V_H經放大器A放大，獲得一個補償電流I_s。I_s流過繞在聚磁環上的多匝線圈，V_H產生的磁勢和待測電流產生的磁勢方向相反，因此產生補償作用，使磁場減小，隨著減小。由于鐵芯中的磁感應強度極低, 不會使磁芯飽和, 也不會產生大的磁滯損耗和渦流損耗。由于放大器的放大倍數很大,因此：

3. 電流信號處理

　　由于霍爾傳感器的輸出為電流信號Is，為了將電流信號送模/數（A/D）轉換器進行轉換，將霍爾傳感器的輸出通過已知阻值的測量電阻Rm，其兩端電壓降Vm與電流信號Is成正比，電流信號就線性轉換為電壓信號Vm，即可經模/數轉換后送入計算機。

圖3 電流檢測信號的處理電路

　　在本系統中，ADC模塊電流模擬輸入信號處理電路如圖3所示。其中,I_u為霍爾傳感器對直線電機三相交流電檢測后輸出的電流信號之一。LF353N為一放大器集成芯片，在X201A處作為電壓跟隨器使用，其作用是改善采樣電流輸出信號;而在X201B處作為反相器使用。通過調節電位器R203的有效阻值，可以保證電流信號I_u在可預測的幅值范圍內變化時，處理電路輸出的信號CH1A在±5V的電壓范圍內，以滿足模/數轉換器對輸入模擬電壓信號的要求。

　　對轉換后的電壓信號的采集是電流檢測的重要組成部分。DSP芯片TMS320LF2407A帶有內置采樣和保持電路的10位模/數轉換器，但只能接收0V-3.3V的單極性信號，同時由于系統對電流檢測精度要求較高，所以采用Maxim公司的14位MAX125型轉換器作為信號采集單元的核心。MAX125的八路輸入通道均有±17V的輸入故障保護電路，采樣電壓的范圍是-5V～+5V,非常適合基于DSP的直線電機電流數據檢測系統應用。

　　在本系統中，霍爾傳感器檢測到的兩相電流信號I_u、I_v通過處理電路轉換為電壓信號CH1A、CH2A后，再送MAX125芯片進行模/數轉換。由于直線電機繞組采用星形連接，根據電機學原理：

　　（3）

　　在檢測出I_u、I_v后，可通過計算求出I_w。因此在硬件設計時只需對三相交流電中的任意兩相進行檢測、數/模轉換，以降低硬件成本。

4. 電流的過流與保護

　　直線電機起動時的電流非常大或因控制回路、驅動電路等誤動作，造成輸出電路短路等故障，導致過大的電流流過電機驅動系統中的絕緣三雙極型功率管（IGBT），都會使流過IGBT的電流超出其額定電流而將其燒毀。因此需要有快速檢測出過大電流的電路，在IGBT承受過大電流時，采取合理的過流保護措施，及時將其關斷，使其免遭損壞。

　　利用電流霍爾傳感器檢測母線電流，當產生過流信號時，將信號傳給DSP控制系統，引起（功率驅動保護中斷輸入）中斷，關斷控制信號波形發生。

　　過流過壓故障檢測電路如圖4所示。圖中電容C起濾波的作用，電位器V_R給出參考電壓，調節V_R可以改變使保護電路動作的電源電壓值。I_u1和I_w1經比較器比較后，其輸出信號經光耦后送到邏輯芯片 ,與其他過壓（三相交流電壓）檢測信號邏輯之后產生信號SPDPING，送到DSP的，去封鎖DSP的PWM口。所有PWM輸出管腳全部為高阻狀態，同時向DSP內核發出一個中斷請求，通知CPU有異常情況發生。

圖4 過流保護檢測電路

5. 實驗結果

　　作為控制對象的三相交流永磁同步直線電機的參數如表1所示。

　　表1永磁同步直線電機的參數

　　在整個永磁同步直線電機控制系統中，電流環的采樣周期為0.1ms，速度環的采樣周期為0.5ms，位置環的采樣周期為1ms。實驗結果表明采用了本文的電流檢測系統后，永磁同步直線電機系統的控制性能的超調量小，調節速度快，在存在干擾的情況下可以實現對推力電流的精確控制，如圖5所示。

圖5 永磁同步直線電機啟動過程中的電流

6. 結論

　　在永磁同步直線電機的閉環控制系統中，高性能的推力控制是通過電流控制器得到的，電流環性能的好壞將直接影響整個控制系統的性能，因此本文提出了一種基于磁場平衡式的霍爾電流傳感器的電流檢測、處理以及過流保護系統。實驗表明，采用該電流檢測系統的永磁同步直線電機能夠對推力電流進行精確的控制，從而獲得較高的控制精度。

　　創新點：提出了一種基于磁場平衡式的霍爾電流傳感器的電流檢測、處理以及過流保護系統，在此基礎上永磁同步直線電機能夠實現對推力電流進行精確的控制。