电压基准调节电路、处理电路和伺服驱动器的制作方法

1.本发明涉及自动控制领域，更具体地涉及电流采样的电压基准调节电路、电流采样信号处理电路和伺服驱动器。


背景技术：

2.随着工业自动化技术的发展，交流伺服控制系统广泛应用于高精度数控机床、工业机器人领域。交流伺服控制系统采用三环控结构，其中电流环为系统内环，速度环和位置环为系统外环。作为多闭环控制系统，外环性能的提高依赖于系统内环的优化。电流环是交流伺服控制系统中提高控制精度和响应速度、改善控制性能的关键，为了达到伺服控制系统比较精确和快速的控制效果，必须保证相电流能够精确快速的实现采样。在交流伺服系统中，有电流传感器和电阻采样两种方式，得到的电压信号再通过ad转换器(模数转换器)转换成数字量。
3.一般电流传感器会有一个基准源，以这个电压为基准将电流信号转换成电压输出。ad转换器也会有一个基准源，以这个电压为基准将模拟量转换成数字量。伺服驱动器工作在复杂的电磁环境里，电源受到干扰，会导致基准源出现波动，从而影响电流采样的精度。
4.现有技术中国专利201620756370.2是利用一个高精度的电压基准作为ad转换器的基准电压，所选的电流传感器类型是电流输出型，没有内置基准源，所以在电流采样应用时，电流传感器的基准源与ad转换器的基准源会存在差异。提高某个基准源的精度，并不能解决两个基准源差异的问题。另外上述专利中的电流传感器按比例采样电流，然后通过电阻转换成电压信号，所以转换后电压信号的准确性受内置基准源的影响。现有技术需要一种调节消掉电流传感器内置基准源波动引起的电流采样误差的解决方案。
5.上述在背景部分公开的信息仅用于对本发明的背景做进一步的理解，因此它可以包含对于本领域普通技术人员已知的不构成现有技术的信息。


技术实现要素：

6.本发明提供了电流采样的电压基准调节电路和电流采样信号处理电路。通过本发明的方案，在电流实时采样中，消除了因电流传感器与ad转换器的基准源不一致而引起的电流采样误差，另外本发明能够提高伺服驱动器的电流采样精度，提升伺服系统的电流环性能。
7.为此，本发明一方面提供了一种电流采样的电压基准调节电路，另一方面提供了一种电流采样信号处理电路。
8.本发明的第一方面提供了一种电流采样的电压基准调节电路，所述电路包括第一运算放大器和第二运算放大器，其中，第一运算放大器的同相输入端为电压输入端，第一运算放大器的反向输出端通过反馈电阻连接至输出端；第二运算放大器的同相输入端通过第一电阻连接第一运算放大器的输出端；输入参考电压通过第二电阻连接至第二运算大器的
同相输入端，外接电流传感器的基准电压通过第三电阻连接至第二运算放大器的反向输入端，第四电阻连接在第二运算放大器的反向输入端和输出端之间；其中，第一电阻的阻值等于第三电阻的阻值，第二电阻的阻值等于第四电阻的阻值，并且第四电阻的阻值小于第三电阻的阻值。
9.根据本发明的一个实施例，其中，所述输入电压通过低通滤波器输入至第一运算放大器的同相输入端，所述第一运算放大器的放大比为1:1。
10.根据本发明的一个实施例，，所述第二运算放大器的放大比为：第四电阻的阻值/第三电阻的阻值。
11.根据本发明的一个实施例，其中所述反馈电阻和第一运算放大器组成反馈跟随器，所述滤波器和所述反馈跟随器保证电压输入端的信号完整性并滤除干扰。
12.根据本发明的一个实施例，ad转换器的基准电压连接至第二运算放大器的正向输入，同时作为所述电流采样的电压基准调节电路的输出基准电压。
13.本发明的第二方面提供了一种电流采样信号处理电路，包括第一电流传感器，第二电流传感器，本发明以上所述的第一和第二电流采样的电压基准调节电路，ad转换器，主控芯片，其中第一电流传感器与第一电流采样的电压基准调节电路相连接，第二电流传感器与第二电流采样的电压基准调节电路相连接，第一和第二电流采样的电压基准调节电路的输出与ad转换器相连接，主控芯片根据ad转换器的输出产生控制时钟信号。
14.根据本发明的一个实施例，其中，第一电流传感器采集u相电流，输出第一电压，第二电流传感器采集v相电路，输出第二电压；所述第一输出电压、第一电流传感器的参考电压和ad转换器的基准电压输入至第一电流采样的电压基准调节电路，所述第二输出电压，第二电流传感器的参考电压和ad转换器的基准电压输入至第二电流采样的电压基准调节电路；所述ad转换器的基准电压接到第一和第二电流采样的电压基准调节电路，同时作为基准源调节第一和第二电流采样的电压基准调节电路的输出基准电压，并连接至ad转换器的基准输入。
15.根据本发明的一个实施例，其中所述ad转换器数字量的波动仅与ad转换器基准源的电压波动有关，而与电路传感器的基准电压的波动无关。
16.本发明的第三方面提供了一种伺服驱动器，其包括上述的电流采样的电压基准调节电路和电流采样信号处理电路。
17.本发明的方案本发明提升了伺服系统的抗干扰能力，让伺服驱动器在复杂的电磁环境中依然可以得到很高的电流控制精度，从而提升了数控机床的系统性能。
附图说明
18.为了更清楚地说明本发明的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图进行简单介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员而言，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
19.图1是根据本发明的实施例的电机控制电流采样原理框图。
20.图2是根据本发明的一个示例性实施例的电流传感器内部结构图。
21.图3是根据本发明的一个示例性实施例的ad转换器的内部结构图。
22.图4是根据本发明的一个示例性实施例的增加基准源调节模块的电流采样信号处
理电路框图。
23.图5是根据本发明的一个示例性的实施例的基准源调节模块的电路框图。
具体实施例
24.如在本文中所使用的，词语“第一”、“第二”等可以用于描述本发明的示例性实施例中的元件。这些词语只用于区分一个元件与另一元件，并且对应元件的固有特征或顺序等不受该词语的限制。除非另有定义，本文中使用的所有术语(包括技术或科学术语)具有与本发明所属技术领域的普通技术人员通常理解的含意相同的含意。如在常用词典中定义的那些术语被解释为具有与相关技术领域中的上下文含意相同的含意，而不被解释为具有理想或过于正式的含意，除非在本发明中被明确定义为具有这样的含意。
25.本领域的技术人员将理解的是，本文中描述的且在附图中说明的本发明的装置和方法是非限制性的示例性实施例，并且本发明的范围仅由权利要求书限定。结合一个示例性实施例所说明或描述的特征可与其他实施例的特征组合。这种修改和变化包括在本发明的范围内。
26.下文中，将参考附图详细描述本发明的示例性实施例。在附图中，省略相关已知功能或配置的详细描述，以避免不必要地遮蔽本发明的技术要点。另外，通篇描述中，相同的附图标记始终指代相同的电路、模块或单元，并且为了简洁，省略对相同电路、模块或单元的重复描述。
27.此外，应当理解一个或多个以下方法或其方面可以通过至少一个控制系统、控制单元或控制器执行。术语“控制单元”，“控制器”,“控制模块”或者“主控模块”可以指代包括存储器和处理器的硬件设备，存储器或者计算机可读存储介质配置成存储程序指令，而处理器具体配置成执行程序指令以执行将在以下进一步描述的一个或更多进程。而且，应当理解，正如本领域普通技术人员将意识到的，以下方法可以通过包括处理器并结合一个或多个其他部件来执行。
28.在高精数控机床的应用中，对伺服系统的电流控制精度有很高的要求，而机床电柜的电磁环境又比较恶劣，伺服驱动器的内部电源容易受到干扰。若伺服驱动器使用电流传感器 ad转换器的方案，且电流传感器和ad转换器都有内置的电压基准源，则电流采样信号会受到两个基准源的波动影响，从而导致电流采样值与实际值偏差较大，影响伺服系统的电流控制精度。
29.图1是根据本发明的实施例的电机控制电流采样原理框图。
30.如图1所示，其是选用电流传感器 ad转换器方案的电流采样结构图。用电流传感器分别采u相、v相的电流，经过滤波调理后输入ad转换器，转换成数字信号再传输到主控芯片。其中，ad转换器的基准源输出经滤波调理后接到每路ad转换所需的基准输入上。
31.图2是根据本发明的一个示例性实施例的电流传感器内部结构图。如图2所示，以莱姆公司的一款内置2.5v基准源电流传感器为例，如果电流传感器的电流电压转换比为g，则电流传感器输出电压与电流i的关系为v
out
＝g*i v
ref
。在图2中，图2所示，电流传感器有两个信号引脚，一个电压基准源输出v
ref
，一个是电流信号转换成电压信号后的输出v
out
。
32.图3是根据本发明的一个示例性实施例的ad转换器的内部结构图。在图3中，根据本发明的一个示例，如果ad转换器为一款内置2.5v基准源的ad转换器，可进行两路ad转换，
电机控制应用中，需要采集电机的两相电流。假设ad转换器是12位的精度，则经转换的数字量d＝v
in
/(2*vrefin)*4096。例如，在图3中的ad转换器是双通道的ad转换器，有a通道和b通道，两个通道的功能是完全一致的。a通道的正相输入cha ，负相输入cha
‑
；b通道的正相输入chb ，负相输入chb
‑
。a通道的电压基准输入refina，b通道的电压基准输入refinb。ad转换器内部基准源输出refout。outa、outb是经过转换后的数据输出，clkout、clkin、clksel时钟控制信号。
33.根据本发明的一个或多个实施例，由于电流传感器靠近逆变模块放置，所以电流传感器的电源容易受到逆变模块的开关干扰，从而导致内部电压基准出现波动。ad转换芯片与主控芯片相连，容易耦合高频信号干扰，所以ad转换芯片的内部电压基准源会含有高频干扰波动。
34.现有的伺服系统一般采用图1所示的连接方式，假设在电流采样的时刻，电流传感器和ad转换器的内部基准源的电压波动分别是δ1、δ2，即电流传感器的电压基准是2.5 δ1，ad转换器的电压基准是2.5 δ2。则此时经ad转换的数字量d＝(g*i 2.5 δ1)/[2(2.5 δ2)]*4096，所以数字量d与δ1、δ2有关。
[0035]
图4是根据本发明的一个示例性实施例的增加基准源调节模块的电流采样信号处理电路框图。
[0036]
如图4所示，在电流采样信号处理电路中增加基准源调节模块(即电流采样的电压基准调节电路)，将电流传感器内部的基准源、ad转换器内部基准源作为调节模块的输入，经调节输出的信号再传输到ad转换器。第一电流传感器采集u相电流，输出第一电压，第二电流传感器采集v相电路，输出第二电压；所述第一电压和第二电压在图4中显示为标记v
out
，所述第一输出电压、第一电流传感器的参考电压和ad转换器的基准电压输入至第一电流采样的电压基准调节电路，所述第二输出电压，第二电流传感器的参考电压和ad转换器的基准电压输入至第二电流采样的电压基准调节电路；所述ad转换器的基准电压接到第一和第二电流采样的电压基准调节电路，同时作为基准源调节第一和第二电流采样的电压基准调节电路的输出基准电压，并连接至ad转换器的基准输入。
[0037]
图5是根据本发明的一个示例性的实施例的基准源调节模块(即电流采样的电压基准调节电路)的电路框图。
[0038]
如图5所示，电流采样的电压基准调节电路包括第一运算放大器和第二运算放大器，其中，第一运算放大器的同相输入端为电压输入端ui，第一运算放大器的反向输出端通过反馈电阻r2连接至输出端；第二运算放大器的同相输入端通过第一电阻r3连接第一运算放大器的输出端；ad转换器的输入参考电压v
ref_ad
通过第二电阻r4连接至第二运算大器的同相输入端，外接电流传感器的基准电压v
ref_c
通过第三电阻r5连接至第二运算放大器的反向输入端，第四电阻r6连接在第二运算放大器的反向输入端和输出端之间；其中，第一电阻r2的阻值等于第三电阻r5的阻值，第二电阻r4的阻值等于第四电阻r6的阻值，并且第四电阻r6的阻值小于第三r5电阻的阻值。
[0039]
根据本发明的一个或多个实施例，如图5所示，电流传感器输出信号v
out
，接到基准源调节模块的u
i
，经过以电阻r1、电容c1组成的低通滤波器，滤波器的截止频率一般高于电流信号最高频率的100倍，即保证信号的完整性，又滤除了干扰。再到第一运算放大器与电阻r2组成的电压跟随器，增大传输阻抗。所述输入电压通过低通滤波器输入至第一运算放
大器的同相输入端，所述第一运算放大器的放大比为1:1。
[0040]
根据本发明的一个或多个实施例，电阻r1一般选10kω量级，电阻r2一般选100kω量级。然后接到由电阻r3、r4、r5、r6，第二运算放大器组成的放大电路。当r6＜r5时，放大倍数小于1。其中图5中的电容c2、c3都是滤波电容。电阻、电容的选值根据电路的实际调试情况决定，图5中第一至第四电阻的关系只需满足r3＝r5，r4＝r6，且r6＜r5。其中第一运算放大器和第二运算放大器的传输关系如上所述。ad转换器的基准电压输出refout接到放大电路的正相输入(vref_ad)，也同时作基准源调节模块的输出vrefin接到后续ad转换器电压基准输入上。图5中，左侧三个信号为输入，右侧两个信号为输出，其中vrefin和v
ref_ad
是相等的。
[0041]
如图5和图4所示，电流传感器输出先经电压跟随器，增大传输阻抗，提升抗干扰能力，再经运放电路调理，而两个器件的内部电压基准源也作为电流采样的电压基准调节电路的运算放大器的输入信号。其中r3＝r5，r4＝r6，则放大倍数k＝r6/r5，运放电路的输入输出关系为u
o
＝k*u
i
[(2.5 δ2)
‑
k(2.5 δ1)]，u
i
＝g*i (2.5 δ1)，所以u
o
＝k*g*i (2.5 δ2)，则数字量d＝[k*g*i (2.5 δ2)]/[2(2.5 δ2)]*4096，数字量只与δ2相关，去掉了电流传感器基准源波动的影响。调节放大倍数，当放大倍数小于1时，会弱化δ2的影响，从而提升采样精度。这里仅以12位精度为例，在电路实现上根据实际情况可选择其他不同的参数。由此可知，在图4的电路中，所述ad转换器数字量的波动仅与ad转换器基准源的电压波动δ2有关，而与电路传感器的基准电压的波动δ1无关。
[0042]
本发明还提供了一种伺服驱动器，其包括了上述的电流采样的电压基准调节电路和电流采样信号处理电路。
[0043]
作为本发明示例的上文涉及的附图和本发明的详细描述，用于解释本发明，但不限制权利要求中描述的本发明的含义或范围。因此，本领域技术人员可以很容易地从上面的描述中实现修改。此外，本领域技术人员可以删除一些本文描述的组成元件而不使性能劣化，或者可以添加其它的组成元件以提高性能。此外，本领域技术人员可以根据工艺或设备的环境来改变本文描述的方法的步骤的顺序。因此，本发明的范围不应该由上文描述的实施例来确定，而是由权利要求及其等同形式来确定。
[0044]
尽管本发明结合目前被认为是可实现的实施例已经进行了描述，但是应当理解本发明并不限于所公开的实施例，而相反的，意在覆盖包括在所附权利要求的精神和范围内的各种修改和等同配置。