摘 要： 直線驅(qū)動系統(tǒng)由于機械結(jié)構(gòu)簡單而獲得廣泛應(yīng)用。本文提出一種基于磁場平衡式霍爾電流傳感器的永磁直線同步電機的電流檢測系統(tǒng)及其實現(xiàn)方案。分析了電流檢測系統(tǒng)的基本原理、電流信號的處理以及電流的過流保護的功能，實驗結(jié)果驗證了電流檢測系統(tǒng)的有效性。 關(guān)鍵詞：永磁同步直線電機;霍爾電流傳感器;過流保護 [b][align=center]Design of the current detection system of the permanent magnet linear synchronous motors CHEN YOUPING, ZHANG YING AI Wu, LIANG CHAOYU[/align][/b] 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(xué)研究的重要發(fā)展方向，這要求進給系統(tǒng)具有較大的驅(qū)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(shù)小、響應(yīng)速度快、功率因數(shù)高、控制參數(shù)可測、以及控制性能好等特點，與其他高速精密進給系統(tǒng)相比，PMLSM進給系統(tǒng)具有較大的優(yōu)越性。因此，PMLSM在提升系統(tǒng)、電子制造業(yè)及高速精密數(shù)控系統(tǒng)中有開闊的應(yīng)用前景，受到眾多學(xué)者的關(guān)注和研究[1]。 　　本文中的永磁同步直線電機控制系統(tǒng)采用三環(huán)控制策略即對位置環(huán)、速度環(huán)和電流環(huán)分別進行控制。直線電機位置伺服控制系統(tǒng)如圖1所示。其中，位置環(huán)和速度環(huán)為外環(huán)，電流環(huán)為伺服系統(tǒng)的內(nèi)環(huán)。在伺服控制系統(tǒng)的三個控制環(huán)中電流環(huán)位于最內(nèi)環(huán)，也是最重要的環(huán)節(jié)，因為在直線電機矢量控制系統(tǒng)中，高性能的推力控制是通過電流控制器得到的，電流環(huán)性能的好壞將直接影響外環(huán)及整個系統(tǒng)的性能。因此研究永磁同步直線電機的電流檢測系統(tǒng)具有重要意義。 [align=center] 圖1 永磁直線同步電機控制系統(tǒng)框圖[/align] 2. 基于磁場平衡式霍爾電流傳感器的電流檢測技術(shù) 　　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(chǎn)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(yīng)時間和較好的工作穩(wěn)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(tǒng)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(yīng)用霍爾效應(yīng)閉環(huán)補償。具有出色的精度，良好的線性度，低溫飄，優(yōu)秀的反應(yīng)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(zhuǎn)換原理來構(gòu)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(tài)響應(yīng)較快，極易適合電機繞組電流的檢測，工作原理如圖2所示。 [align=center] 圖2 霍爾電流傳感器工作原理[/align] 　　圖2中有一個用軟磁材料制成的帶有縫隙的聚磁環(huán)，縫隙中放了一片霍爾元件?；魻栐型ㄓ幸粋€固定的電流I[sub]c[/sub]，聚磁環(huán)中穿過一根導(dǎo)線，其中流過待測電流。在聚磁環(huán)及其縫隙中產(chǎn)生磁場，磁感應(yīng)強度為B。于是霍爾元件產(chǎn)生霍爾電位差V[sub]H[/sub]。 　　（1） 　　式中 —K霍爾系數(shù)。 　　V[sub]H[/sub]經(jīng)放大器A放大，獲得一個補償電流I[sub]s[/sub]。I[sub]s[/sub]流過繞在聚磁環(huán)上的多匝線圈，V[sub]H[/sub]產(chǎn)生的磁勢和待測電流產(chǎn)生的磁勢方向相反，因此產(chǎn)生補償作用，使磁場減小，隨著減小。由于鐵芯中的磁感應(yīng)強度極低, 不會使磁芯飽和, 也不會產(chǎn)生大的磁滯損耗和渦流損耗。由于放大器的放大倍數(shù)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I[sub]s[/sub]，為了將電流信號送模/數(shù)（A/D）轉(zhuǎn)換器進行轉(zhuǎn)換，將霍爾傳感器的輸出通過已知阻值的測量電阻R[sub]m[/sub]，其兩端電壓降V[sub]m[/sub]與電流信號I[sub]s[/sub]成正比，電流信號就線性轉(zhuǎn)換為電壓信號V[sub]m[/sub]，即可經(jīng)模/數(shù)轉(zhuǎn)換后送入計算機。 [align=center] 圖3 電流檢測信號的處理電路[/align] 　　在本系統(tǒng)中，ADC模塊電流模擬輸入信號處理電路如圖3所示。其中,I[sub]u[/sub]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(diào)節(jié)電位器R203的有效阻值，可以保證電流信號I[sub]u[/sub]在可預(yù)測的幅值范圍內(nèi)變化時，處理電路輸出的信號CH1A在±5V的電壓范圍內(nèi)，以滿足模/數(shù)轉(zhuǎn)換器對輸入模擬電壓信號的要求。 　　對轉(zhuǎn)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(nèi)置采樣和保持電路的10位模/數(shù)轉(zhuǎn)換器，但只能接收0V-3.3V的單極性信號，同時由于系統(tǒng)對電流檢測精度要求較高，所以采用Maxim公司的14位MAX125型轉(zhuǎn)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(shù)據(jù)檢測系統(tǒng)應(yīng)用。 　　在本系統(tǒng)中，霍爾傳感器檢測到的兩相電流信號I[sub]u[/sub]、I[sub]v[/sub]通過處理電路轉(zhuǎn)換為電壓信號CH1A、CH2A后，再送MAX125芯片進行模/數(shù)轉(zhuǎn)換。由于直線電機繞組采用星形連接，根據(jù)電機學(xué)原理： 　　（3） 　　在檢測出I[sub]u[/sub]、I[sub]v[/sub]后，可通過計算求出I[sub]w[/sub]。因此在硬件設(shè)計時只需對三相交流電中的任意兩相進行檢測、數(shù)/模轉(zhuǎn)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(qū)動電路等誤動作，造成輸出電路短路等故障，導(dǎo)致過大的電流流過電機驅(qū)動系統(tǒng)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(guān)斷，使其免遭損壞。 　　利用電流霍爾傳感器檢測母線電流，當(dāng)產(chǎn)生過流信號時，將信號傳給DSP控制系統(tǒng)，引起（功率驅(qū)動保護中斷輸入）中斷，關(guān)斷控制信號波形發(fā)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[sub]R[/sub]給出參考電壓，調(diào)節(jié)V[sub]R[/sub]可以改變使保護電路動作的電源電壓值。I[sub]u1[/sub]和I[sub]w1[/sub]經(jīng)比較器比較后，其輸出信號經(jīng)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(chǎn)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(tài)，同時向DSP內(nèi)核發(fā)出一個中斷請求，通知CPU有異常情況發(fā)生。 [align=center] 圖4 過流保護檢測電路[/align] 5. 實驗結(jié)果 　　作為控制對象的三相交流永磁同步直線電機的參數(shù)如表1所示。 　　表1永磁同步直線電機的參數(shù) 　　在整個永磁同步直線電機控制系統(tǒng)中，電流環(huán)的采樣周期為0.1ms，速度環(huán)的采樣周期為0.5ms，位置環(huán)的采樣周期為1ms。實驗結(jié)果表明采用了本文的電流檢測系統(tǒng)后，永磁同步直線電機系統(tǒng)的控制性能的超調(diào)量小，調(diào)節(jié)速度快，在存在干擾的情況下可以實現(xiàn)對推力電流的精確控制，如圖5所示。 [align=center] 圖5 永磁同步直線電機啟動過程中的電流[/align] 6. 結(jié)論 　　在永磁同步直線電機的閉環(huán)控制系統(tǒng)中，高性能的推力控制是通過電流控制器得到的，電流環(huán)性能的好壞將直接影響整個控制系統(tǒng)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(tǒng)。實驗表明，采用該電流檢測系統(tǒng)的永磁同步直線電機能夠?qū)ν屏﹄娏鬟M行精確的控制，從而獲得較高的控制精度。 　　創(chuàng)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(tǒng)，在此基礎(chǔ)上永磁同步直線電機能夠?qū)崿F(xiàn)對推力電流進行精確的控制。 參考文獻 　　[1] 徐月同，傅建中，陳子辰，永磁直線同步電機推力波動及實驗研究。中國電機工程學(xué)報，2005，25（12）：122-125 　　[2] 李亮，闕沛文，陳亮.新型霍爾傳感器在電流檢測中的應(yīng)用.儀表技術(shù)與傳感器，2005 （4），3～5. 　　[3] 盧光華，磁補償霍爾傳感器在電力電子方面的應(yīng)用研究，儀表技術(shù)，2003 （9），46～47. 　　[4] 鄧重一，利用霍爾傳感器設(shè)計直流電流檢測電路，微計算機信息，2003 （8）, 61～62