高性能永磁交流伺服系统高精度电流采样实现

交流伺服系统以其高精度、高性能而广泛应用于各种诚 j，对于 id：0的矢量控制方式，电流反愧位置反馈以及速度反馈的精度在很大程度上影响了整个伺服系统的性能和精度 引。国内比较通用的方案是直接将电流检测模拟信号传送到 DSP中，虽然 DSP自身带有 A/D转换环节，但是其精度-般较低，如TMS320F2812的 A/D转换通道精度只有 12位，在实际的使用过程中，A/D的转换结果误差较大，如果直接将此转换结果用于控制回路，必然会降低控制精度。

由文献[10]中检测得到的数据可以看到：在未加软件补偿算法情况下，实测2812的ADC通道分辨率只有5位，误差在 5%左右，远不能满足高精度要求，在添加了复杂的补偿算法之后，虽然2812的A/D转换精度有所提高，但是增加了算法的复杂性。由此可见，采用直接将电流模拟信号送人 DSP让其转化的方案在要求伺服系统高性能的诚不可龋收稿 日期 ：2013-03-04基金项目：浙江省 自然科学基金资助项目(LY13E070005)；浙江理工大学科研启动基金资助项目(1103823-Y)；机械设计及理论浙江省重中之重学科和浙江理工大学重点实验室优秀青年人才培养基金资助项目(ZSTUMD201 1 B005)作者简介：胡东轩(1988-)，男 ，浙江湖州人，主要从事永磁交流同步伺服系统方面的研究.E.mail：hdxzstu###163.com通信联系人：史伟民，男，教授，硕士生导师.E.mail：swm###zstu.edu.CB· 848· 机 电 工 程 第 30卷目前高性能伺服系统多采用DSPCPLD”的结构，DSP负责复杂的控制算法，CPLD负责电流采样、位置速度采样、I/0扩展等。并将采集的数据暂时存于 CPLD，等到 DSP需要某个数据时，通过读取 CPLD寄存器或者 CPLD内部的 RAM得到需要的数据。

本研究设计伺服系统高精度电流采样硬件电路，利用 16位高精度 A/D转换芯片 AD7655，基于 CPLD，并采用 VHDL语言控制 AD7655来完成电流采样检测，最后在 DSP中显示。

1 总体方案设计高精度伺服系统电流采样方案设计如图 1所示。

由图 1可以看到，永磁同步电机的A相和 B相定子电流 ，和， 经过采样电阻，得到相对应的差分电压信号 - 和 I，- ，这两个差分信号经过光耦隔离放大电路后输出两个放大的差分信号 U -Uo -和 - - ，两者再经过调理电路均变成0～5 V范围之内的电压信号，分别输人到 AD7655的两个模拟输入通道INB2和INB1，由CPLD控制完成采样过程。

图 1 系统总体方案( )-逆变器输 出U(V)相电压；U(V)-电机 ( )相输入相电压；R 和 尺 -采样电阻下面进行具体电流采样电路和调理电路的设计。

2 电流采样电路和调理电路设计电流采样电路需要检测永磁同步电机定子的两相电流，定子相电流采样电路如图2所示。经过 与 c。

组成的滤波电路输人到光耦的差分电压输人端 和，经过光耦 HCPL-7840的隔离放大作用可得： - Vo 8( - -) (1)假设电机的 相电流为 ，则 (U1-U)/R：，和 -经过调理电路输出/输人到 AD7655模拟信号输入端，电流采样调理电路如图3所示。

5 V图2 伺服系统电流采样电路- 逆变器输 出 U相 电压； 电机 U相输入相 电压；R -采样电阻图 3 电流采样调 理电路由图3中电路及模拟放大器虚短”、虚断”的概念，可以得出输入电压与输出电压幅值的关系为：UINB2(I，0 -Vo )2.5 (2)通过 尺 与 C 组成的低通滤波电路滤波后输入AD7655，电压范围为0～5 V。

由式(1，2)可得： ㈩ - (3)3 软件设计及仿真AD7655是 ADI公司生产的具有 16位精度的A/D转换芯片，可以选择转换后的数据输出方式为并行方式或者串行方式，本研究选择串行输出方式。

图4 芯片启动转换时的时序第7期 胡东轩，等：高性能永磁交流伺服系统高精度电流采样实现 ·849·在 CNVST的下降沿 BUSY在32 ns左右由低电平变成高电平，表明器件进入转换状态。

图5 AD7655转换完成串行从模式时序由图5可以看到，BUSY的下降沿显示 AD7655转换完成，此时可以选通芯片读数据，且数据输出具有-定的延时。

- 次完整的转换需要转换 INA1、INB1、INA2、INB2共4个通道，INA1和 INB1属于 1通道，INA2和 INB2属于2通道。选择先转换 1通道或者 2通道撒于 A0的电平状态，数据转换完成之后，在 1或 2通道中，选择先读A通道还是B撒于A/B的电平状态(图5中所示为先读 A通道后读 B通道的方式，即A/B1)，本研究选择先读 B通道后读 A通道的方式，即A/B0。

基于 CPLD，本研究设计了采用 VHDL语言控制AD7655电流采样的程序。

本研究中用到 AD7655的 INB2。和 INB1两个转换通道，因此需要在-定的时刻变换 1，2转换通道。笔者选择在上次通道转换完成后开始读数据时变换通道。

实体定义：entity ad7655 isport(busy，rder ：in stdlogic；clk ：in stdlogic；adcs，cnvst，sel，sclk：out stdlogic；sdo ：in std logic)；end ad7655；结构体定义：architecture behave of ad7655 istype states is(sto，stl，st2，st3，st4，st5，st6，8t7，st8，st9)；signal currentstate， next-state：states： stO；启动转换 ：when st1≥next-state≤st2；cnvst 0 ；adcs≤ 1 ；检测转换是否完成(检测BUSY的下降沿)：When st2≥nextstate≤st3；cnvst 1 ；adcs≤ 1 ；if busy 1 then nextstate≤ st2：else next-state≤st3；end if；转换完成之后利用SCLK时钟上升沿读数据：when st4≥cnvst 1 ；adcs≤ 0 ；if clk event and clk 1 thenif(count0)then count： 31；next-state≤st6；elsif(count>0)then nextstate≤st4；count： count-1；data< sdo；end if；if rderr 1 then nextstate≤st5；count： 31；end if；end if；状态切换：clock：process(clk)beginif clk event and clk 1then currentstate < next-state；sclk≤ 1 ；elsif clk 0 then sclk≤ 0 ：end if；end process；本研究采用的CPLD为Latice公司的 LCMXO1200。

利用 Latice最新推出的软件 Latice Diamond，笔者进行了CPLD控制下AD7655电流采样控制仿真。

CLK为 CPLD系统时钟，SCLK为读转化数据的同步时钟，两者频率均为3.75 MHz，-个完整的转换周期中各信号的波形如图7所示。

通道 1转换中和转换后各个信号的变化过程如图8所示，由图8可以看出：在CNVST的下降沿BUSY信号立即由低电平跳变为高电平，该过程小于 32 ns，再第7期 胡东轩，等：高性能永磁交流伺服系统高精度电流采样实现 ·851·表 1 INB2。INB1输入电压与二进制转化结果塞 整 三鲎 笪INB2 INB1 INB2 INB1表 1中转换后的二进制值为 16位 A/D转换值，由每次在同步采样时钟 SCLK上升沿读 SDO口电平状态所 得，高 电平 为 1”，低 电平 为 0”～11111111l1111111”代表5 V，据此，可得转换公式：V Uc 而A ·5 (4)式中： 。 -A/D转换后的电压， 16位二进制转换值的十进制表示。

表2 AD7655转换结果换算及误差计算由表 2可以看到，INB2输人 2.51 V时的 A/D转换误差为 0.80%，输入 3.01 V时误差为 0.66%，有多组转化数据误差均为0〖虑到实际检测输入电压时不可避免的误差 ，以及其他-些干扰信号，模拟输入的电压信号经过AD7655转换后的转换值较原来模拟信号误差小于0.7%，与 DSP的 ADC通道直接转换产生的5%的误差相比，前者精度提高明显，能满足交流伺服高精度电流采样的要求。

4.2 数据在 DSP中的显示DSP采用 TI公司的 TMS320F2812，CPLD作 为DSP的外扩器件。扩展在 DSP外部接 口的 0区。

CPLD将 AD7655的串行电流数据信号进行串并转换后分别存储在 CPLD内部寄存器 INB2，INA2，INB1，INA1中，对应寄存器的地址分别为 0x2001，0x2002，0x2003，0x2004。DSP每隔20 s读-次 CPLD，并显示出数据波形。INB2输入 0.1 Hz正弦波形如图 13所示，最大值为4.5 V，最小值为0.5 V的正弦波形经过转化和读取之后在 DSP中的显示。

e4e4e4e49270927e40 16 7 33 3 5O 0 66 7 83 3 l00 l17 133 l5O 167 l83 199缓冲区采样点/个图 13 INB2通道采样 0.1 Hz正弦波形5 结束语本研究设计了高性能伺服系统电流采样的硬件电路，在此基础上采用 VHDL语言设计 了软件程序，并进行了仿真，最后进行了电流采样实验。由输入与转换输出数据误差的分析可知：采用该方案，采样误差基本低于 0.7%，由此可知该设计的精度能满足高精度电流采样需求，电流采样作为高性能伺服重要反婪节，其精度的提高对于整个伺服系统性能和精度的提高具有重要的作用。