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(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。

圖1 永磁直線同步電機控制系統(tǒng)框圖

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。

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(huán)，縫隙中放了一片霍爾元件?；魻栐型ㄓ幸粋€固定的電流I_c，聚磁環(huán)中穿過一根導線，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_H。

　　（1）

　　式中 —K霍爾系數(shù)。

　　V_H經(jīng)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(huán)上的多匝線圈，V_H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Is，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(zhuǎn)換為電壓信號Vm，即可經(jīng)模/數(shù)轉(zhuǎn)換后送入計算機。

圖3 電流檢測信號的處理電路

　　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_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(diào)節(jié)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(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_u、I_v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(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_R給出參考電壓，調(diào)節(jié)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(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。

圖4 過流保護檢測電路

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。

圖5 永磁同步直線電機啟動過程中的電流

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。