伺服驱动器电流采样（ad620电流采样）

介绍

流量、频率响应和精度是评价电液伺服系统质量的重要指标。如何提高性能并满足各种应用场景已成为电液伺服系统研究需要突破的重要课题。电液伺服阀是电液伺服系统的核心控制部件，其性能在很大程度上决定了整个系统的性能。

数字控制技术的不断发展促进了数字阀门的出现，如二维数字伺服阀。由于2D数字伺服阀将先导控制级和功率级集成在阀芯上，因此具有结构简单、体积小、响应速度快、精度高、抗污染能力好等优点，使其成为广泛应用于军事工业。

2D数字伺服阀采用步进电机作为机电转换器，其性能在很大程度上决定了2D数字伺服阀的性能。

2D数字伺服阀控制原理

2D数字伺服阀的机械部分主要由阀芯和阀体组成。因阀芯能在阀体内完成水平运动和旋转运动而得名。

2D数字伺服阀采用伺服螺杆机构将功率级和先导级集成在阀芯上。通过改变控制信号和调整控制器内部算法，使机电转换器（步进电机）两相绕组的电流发生变化，改变机电转换器的旋转角度，通过杠杆和叉形机构。阀芯作旋转运动。具体结构请参见参考文献3。

阀芯旋转的同时，由于敏感腔内压力的变化，阀芯同时作直线运动，改变阀口的开度来调节流量。

2D数字伺服阀采用混合式步进电机作为机电转换器。传统上，步进电机以步进方式工作，导致阀门分辨率较低。细分方法虽然可以增加模拟极对数，提高分辨率，但降低了阀门的响应速度。分辨率和响应速度之间存在矛盾。

事实上，混合式步进电机本质上可以看作是多极永磁感应同步电机。当电机的两相绕组通过相位差为90的电流时，电机内部就会产生旋转磁场。在驱动转子的作用下，可快速定位在任意位置。

基于以上思想，这里提出了一种步进电机电流和位置双闭环控制方法，如图1所示。图1中，电流闭环的目的是产生恒幅旋转磁场驱动电机转子快速定位于任意位置。

图1位置闭环的目的是实现转子不失步的位置控制，克服传统步进电机控制下不可避免的失步缺点。通过电流和位置双闭环控制，二维数字伺服阀机电转换器兼具高响应速度和分辨率。

图1 2D数字阀机电转换器控制原理

控制器软硬件设计

2.1 控制器硬件设计

1）主控单元设计

在机电变换器的控制中采用模糊PID控制算法，实现PID参数的实时调节，以达到改善动静态特性的目的。本设计选用的主控芯片是TMS320F28335DSP芯片。

该芯片是浮点数字信号处理芯片，可以计算32位乘法和加法运算。主频率可达150MHz，可用于控制电机和各种动力设备。

主控芯片主要完成对两相电流采样值和位移传感器角位移值的处理，实现PID控制、相位补偿等算法。主控制电路原理图如图2所示。

图2 主控电路原理图

2）驱动模块设计

机电转换器采用两相混合式步进电机，其控制需要两个H桥单元。每个H桥单元由4个MOSEFT管和其他电阻、电容、二极管等器件组成。这导致控制器的尺寸较大，不利于与阀体的集成。为了解决这个问题，本设计采用A5988:四路DMOS全桥PWM电机驱动器驱动芯片。

A5988 是一款四路DMOS 全桥驱动器IC，最多可驱动两个步进电机或四个直流电机。每个全桥输出的额定电流为1.6 A 和40 V。A5988 包括一个固定停机时间脉宽调制(PWM) 电流调节器和一个2 位非线性DAC（数模转换器），可在全模式下运行-、半步、四分之一步或八分之一步在正向模式下控制步进电机，并可在正向、反向和滑行模式下控制直流电机。 PWM 电流调节器使用Allegro 获得专利的混合衰减模式来减少电机噪音、提高步进精度并降低功耗。

提供内部同步整流控制电路以改善PWM 操作期间的功耗。保护功能包括迟滞热关断、欠压锁定(UVLO) 和交叉电流保护。不需要特殊的上电顺序。驱动电路图如图3所示。

图3 驱动模块设计

3）电流采样模块设计

电流采样一般采用在回路中串联一个电阻，利用安培定理检测电阻上的压降来获得流过电阻的电流。采样电阻比较精密，阻值比较小，一般在0.010.1左右。由于检测电流幅值较大，所需采样电阻的功率和体积也较大。为了减小控制器的尺寸，本设计采用ACS712（或国产芯片CH701）线性霍尔电流传感器。

该传感器集成了高精度、低偏置、线性霍尔传感器。当霍尔传感器检测到由于铜导体路径中的电流流动而产生的磁场时，它将其转换为成比例的电压。该传感器可流过的最大电流为5A，内部铜导电路径的阻抗为1.2m，因此功率损耗相对较小。

当传感器无电流流过时，输出端口电压为电源电压的50%，精度为0.185V/A。采样后的输出电压需要经过放大器变换后输入到DSP的AD模块。电流采样模块主要用于对步进电机的两相电流进行采样，从而形成电流闭环，提高控制精度和响应速度。具体设计电路如图4所示。

图4 电流采样电路

2.2 控制器软件设计

软件主要用于实现电流和位置双闭环以及相位补偿等。算法调整输出PWM波的占空比，改变两相绕组的电流大小。系统程序流程图如图5所示。

软件设计主要分为ePWM、SPI和AD模块的中断程序设计。

图5 程序流程图

1) ePWM中断子程序

ePWM中断子程序主要根据输入信号、角位移传感器检测到的角位移信号、电流传感器检测到的两相电流实现电流环和位置环双闭环。通过PID和相位补偿算法进一步提高控制精度和动静态特性。同时，该子程序还完成上电后的零位搜索。

2）SPI中断子程序

SPI中断子程序主要用于接收角位移传感器输出的机电转换器（步进电机）转子的旋转角度并进行处理。为了提高角位移信号的精度，将采样的三个角位移值进行排序，然后取中间的值作为当前角位移值。

3）AD中断子程序

输入信号和两相电流的采样值必须经过AD采样，然后求平均值，然后输入到DSP中作为输入信号和电流采样值。 F28335的AD模块有16路采样电路，可以对输入信号和电流采样信号进行多次采样，然后对采样值进行排序，去除大小极值，进行平均运算，得到采样电流和输入信号。

综上所述

采用CH701作为电流检测芯片，改变了电流检测方式和机电转换器的驱动方式，不仅有利于阀体与控制器的集成，而且改善了伺服阀的动、静态特性。

通过实验可知，在设计的控制器控制下，二维数字伺服阀的带宽约为180Hz，阶跃上升时间为6.5ms，提高了伺服阀的整体性能。

CH701 霍尔电流传感器IC 是一种经济且准确的解决方案，适用于工业、汽车、商业和通信系统中的交流或直流电流传感。

这种小型封装非常适合空间受限的应用，同时由于减少了电路板面积而节省了成本。典型应用包括电机控制、负载传感和管理、开关电源和过流故障保护。

CH701可以检测50A的峰值电流。

如果需要检测更大的电流，要求更高的隔离电压，可以选择电流范围更大的产品，比如16脚的CH701W系列，电流范围可以达到70A，绝缘耐压可以达到4800Vrms :

审稿人：刘庆