高性能數(shù)字運(yùn)動(dòng)控制芯片IRMCK201功能及其應(yīng)用

關(guān)鍵詞：IRMCK201；交流伺服；矢量控制；空間矢量脈寬調(diào)制

１　概述

國(guó)際整流器件公司（ＩＲ）針對(duì)高性能交流伺服驅(qū)動(dòng)的需求?設(shè)計(jì)出了基于ＦＰＧＡ技術(shù)的完整的伺服驅(qū)動(dòng)控制解決方案ＩＲＭＣＫ２０１芯片。與傳統(tǒng)的運(yùn)動(dòng)控制專(zhuān)用ＤＳＰ芯片不同的是，ＩＲＭＣＫ２０１不僅包含運(yùn)動(dòng)控制的外圍功能? 如ＰＷＭ、編碼計(jì)數(shù)電路、電流傳感接口等?，而且也包含通過(guò)硬件實(shí)現(xiàn)的ＦＯＣ算法和速度控制算法，從而省略了編程任務(wù)?簡(jiǎn)化了高性能交流伺服系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，此外它還適用于不同類(lèi)型的永磁電機(jī)或感應(yīng)電機(jī)，因而有很好的應(yīng)用前景。

ＩＲＭＣＫ２０１采用標(biāo)準(zhǔn)的１００管腳封裝形式，其主要電氣特點(diǎn)如下：

●完整的電流閉環(huán)控制和速度閉環(huán)控制；

●使用ＰＷＭ載波頻率可以配置速度和電流更新率；

●可以配置感應(yīng)電機(jī)或者永磁電機(jī)的控制系統(tǒng)；

●帶死區(qū)的空間矢量ＰＷＭ；

●最大時(shí)鐘輸入３３.３ＭＨｚ,最大ＰＷＭ載波頻率８３.３ｋＨｚ,電流環(huán)帶寬５.５ｋＨｚ,速度環(huán)更新率５／１０ｋＨｚ;

●具有與高壓線(xiàn)性電流傳感器ＩＲ２１７５、高壓驅(qū)動(dòng)芯片ＩＲ２１３ｘ、霍爾Ａ／Ｂ／Ｃ信號(hào)、光電編碼器、ＲＳ２３２或ＲＳ４２２、快速ＳＰＩ的接口；

圖1

●配置光電碼盤(pán)的線(xiàn)數(shù)范圍從２００ＰＰＲ～１００００ＰＰＲ；

●可以監(jiān)視直流母線(xiàn)電壓；

●可以配置模擬參考輸入；

●２ＭＨｚ的計(jì)數(shù)器改善低速性能；

●具有４路采樣／保持的Ａ／Ｄ轉(zhuǎn)換接口；

●通過(guò)主機(jī)寄存器接口，ＡＴ２４Ｃ０１Ａ可對(duì)內(nèi)部數(shù)據(jù)／參數(shù)進(jìn)行初始化；

●智能ＩＧＢＴ保護(hù)封鎖控制；

●可以配套使用ＳｅｒｖｏＤｅｓｉｇｎｅｒ配置工具軟件。

２ IRMCK201內(nèi)部功能結(jié)構(gòu)

圖１為ＩＲＭＣＫ２０１內(nèi)部詳細(xì)控制結(jié)構(gòu)圖。從圖中可以看出，作為運(yùn)動(dòng)控制芯片，ＩＲＭＣＫ２０１在硬件上具備了伺服控制所必需的控制單元，如帶死區(qū)時(shí)間設(shè)置的空間矢量ＰＷＭ、ＰＡＲＫ變換和Ｃｌａｒｋ變換、電流環(huán)ＰＩ調(diào)節(jié)器、速度環(huán)ＰＩ調(diào)節(jié)器、速度測(cè)量單元等，這樣用戶(hù)就省去了編寫(xiě)代碼的任務(wù)，簡(jiǎn)化了復(fù)雜的設(shè)計(jì)過(guò)程。

ＩＲＭＣＫ２０１通過(guò)硬件邏輯實(shí)現(xiàn)伺服控制功能，芯片的接口可以靈活配置，因而為了實(shí)現(xiàn)不同的控制算法，可以通過(guò)接口對(duì)ＩＲＭＣＫ２０１進(jìn)行參數(shù)設(shè)置。以矢量控制的感應(yīng)電機(jī)為例，在內(nèi)部控制結(jié)構(gòu)中有一個(gè)前饋滑模增益路徑，可以通過(guò)設(shè)置相關(guān)寄存器來(lái)實(shí)現(xiàn)這種控制功能。也就是說(shuō)，上位機(jī)僅需將“１”或“０”寫(xiě)入相關(guān)寄存器中，就可使該控制功能ＩＲＭ-ＣＫ２０１也支持其它結(jié)構(gòu)，如除ＩＲ２１７５外的電流傳感器接口芯片、電流控制中的前饋增益路徑使能／禁止、閉環(huán)速度控制的使能／禁止以及速度給定值的選擇等。也就是說(shuō)采用ＩＲＭＣＫ２０１配置伺服系統(tǒng)，只需了解它內(nèi)部的功能模塊和寄存器的情況，并通過(guò)上位機(jī)對(duì)它的寄存器進(jìn)行配置，即可迅速實(shí)現(xiàn)各種功能。例如，要為逆變器設(shè)置一個(gè)開(kāi)關(guān)頻率為１０ｋＨｚ的ＰＷＭ驅(qū)動(dòng)信號(hào)，用戶(hù)不需要編寫(xiě)程序代碼來(lái)實(shí)現(xiàn)這個(gè)ＰＷＭ信號(hào)的算法，只需要對(duì)相關(guān)寄存器賦值即可。

ＩＲＭＣＫ２０１主機(jī)通信接口包括ＲＳ２３２／ＲＳ４８５／ＲＳ４２２、快速ＳＰＩ接口和８位并行接口。因此它可以方便與主機(jī)或控制器進(jìn)行通信,修改和讀取其主控寄存器來(lái)控制輸出。ＩＲＭＣＫ２０１也可以獨(dú)立運(yùn)行而不需要外部主機(jī)參與控制,其運(yùn)行參數(shù)通過(guò)外部ＥＥＰＲＯＭ來(lái)保存,上電時(shí)自動(dòng)從ＥＥＰＲＯＭ中讀取參數(shù)。

現(xiàn)以具有電流環(huán)和速度環(huán)的永磁無(wú)刷電機(jī)控制系統(tǒng)為例，分析系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)。

通過(guò)配置相關(guān)寄存器使能速度閉環(huán)控制。對(duì)于電流環(huán)，由電流傳感器ＩＲ２１７５采樣電機(jī)Ｖ相和Ｗ相繞組電流，經(jīng)過(guò)ＩＲＭＣＫ２０１內(nèi)部計(jì)算可以得到Ｕ相電流，與Ｖ相和Ｗ相電流一起組成三相電流，通過(guò)Ｐａｒｋ變換與矢量旋轉(zhuǎn)被分解為產(chǎn)生磁通的勵(lì)磁電流分量和產(chǎn)生轉(zhuǎn)矩的轉(zhuǎn)矩電流分量?這兩個(gè)直流量具有獨(dú)立的比例積分調(diào)節(jié)器。對(duì)于速度環(huán)，由光電編碼信號(hào)通過(guò)ＩＲＭＣＫ２０１內(nèi)部測(cè)速單元得到速度反饋，它與速度給定值相互比較產(chǎn)生速度偏差。這個(gè)偏差經(jīng)過(guò)速度ＰＩ調(diào)節(jié)器產(chǎn)生一個(gè)對(duì)應(yīng)的轉(zhuǎn)矩電流Ｉｑ，當(dāng)采用Ｉｄ＝０控制時(shí)，Ｉｄ、Ｉｑ即是內(nèi)部電流環(huán)的給定值，它們與實(shí)際反饋電流比較產(chǎn)生電流偏差?電流偏差經(jīng)過(guò)電流環(huán)ＰＩ調(diào)節(jié)以后產(chǎn)生輸出電壓Ｕｓ－ｑ和Ｕｓ－ｄ?在旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系ｄ、ｑ? 。電壓Ｕｓ－ｑ和Ｕｓ－ｄ被反變換成靜止坐標(biāo)系下的電壓分量?然后經(jīng)過(guò)空間矢量ＰＷＭ計(jì)算后?給逆變器的功率模塊發(fā)出合適的開(kāi)關(guān)信號(hào)，控制功率模塊開(kāi)關(guān)工作。

３ ＩＲＭＣＫ２０１輸入輸出接口

如圖２所示，ＩＲＭＣＫ２０１輸入輸出接口主要包括主機(jī)通訊接口、ＰＷＭ門(mén)極信號(hào)接口、正交編碼器接口、主機(jī)通訊接口、Ａ／Ｄ接口、串行ＥＥＰＲＯＭ接口、鎖相環(huán)和系統(tǒng)時(shí)鐘接口、控制輸入和狀態(tài)指示接口、電流傳感器ＩＲ２１７５接口。

３．１ ＰＷＭ門(mén)極信號(hào)接口

ＩＲＭＣＫ２０１提供６路ＳＶＰＷＭ輸出?通過(guò)光耦與三相橋驅(qū)動(dòng)芯片ＩＲ２１３６進(jìn)行連接來(lái)驅(qū)動(dòng)ＭＯＳＦＥＴ或ＩＧＢＴ?也可以直接與智能功率模塊（ＩＰＭ）的６個(gè)驅(qū)動(dòng)信號(hào)接口相連。同時(shí)還提供驅(qū)動(dòng)故障反饋接口。

３．２ 主機(jī)通訊接口

ＩＲＭＣＫ２０１提供了多種與外部主機(jī)通信的方式。主機(jī)可以通過(guò)ＲＳ２３２／ＲＳ４２２、ＳＰＩ接口或８ 位并行接口來(lái)配置和監(jiān)控系統(tǒng)的運(yùn)行。ＲＳ２３２／ＲＳ４２２通信方式可以根據(jù)通訊距離進(jìn)行選擇。

ＲＳ２３２接口通過(guò)ＭＡＸ２３２進(jìn)行電平轉(zhuǎn)換，它允許ＰＣ直接對(duì)其進(jìn)行寄存器的配置修改及狀態(tài)讀取，通信波特率可以通過(guò)外部引腳來(lái)設(shè)置。ＳＰＩ接口方式中，芯片處于從方式，通信最高時(shí)鐘可達(dá)８ＭＨｚ，可以實(shí)現(xiàn)與主機(jī)高速通信。不同通信方式通常都處于激活狀態(tài)，可以相互切換?但不能同時(shí)運(yùn)行。

３．３ 正交編碼器接口

ＩＲＭＣＫ２０１帶有光電編碼器接口電路?可以方便地組成一個(gè)伺服控制系統(tǒng)。它可以與多種編碼器接口?脈沖數(shù)為２００～１００００ 個(gè)／ 轉(zhuǎn)?脈沖頻率最高可達(dá)１ＭＨｚ。編碼器接口具有相互正交的ＥＮＡ、ＥＮＢ編碼信號(hào)及零點(diǎn)標(biāo)志信號(hào)接口，同時(shí)還具有三路ＨＡＬＬ信號(hào)輸入接口。系統(tǒng)上電時(shí)可以通過(guò)ＨＡＬＬ傳感器及Ｚ脈沖估算編碼器初始值。

３．４ 控制輸入及狀態(tài)指示接口

控制輸入信號(hào)包括啟動(dòng)、停止、轉(zhuǎn)動(dòng)方向、輸出使能、故障復(fù)位、主機(jī)狀態(tài)等；狀態(tài)指示信號(hào)包括系統(tǒng)故障指示、同步指示及兩個(gè)雙色指示燈?？梢灾苯油ㄟ^(guò)對(duì)輸入引腳的操作來(lái)控制電機(jī)的運(yùn)行。

３．５ 電流傳感器ＩＲ２１７５接口

ＩＲ２１７５線(xiàn)性電流傳感器可以將電流信號(hào)從伺服電機(jī)的高端驅(qū)動(dòng)電路轉(zhuǎn)換到低端驅(qū)動(dòng)電路?以便控制電路進(jìn)行處理。在伺服電機(jī)相繞組回路中串聯(lián)一個(gè)取樣電阻，隨著電機(jī)相電流的變化?取樣電阻兩端產(chǎn)生一個(gè)很小的交流電壓信號(hào)作為ＩＲ２１７５的輸入，它的輸出是頻率為１３０ｋＨｚ、占空比隨電流大小變化的ＰＷＭ數(shù)字信號(hào)，經(jīng)過(guò)電平轉(zhuǎn)換，ＰＷＭ信號(hào)被轉(zhuǎn)換成了以地為參考點(diǎn)的信號(hào)。ＩＲ２１７５ 的輸入電壓變化范圍為－２６０ｍＶ～＋２６０ｍＶ，因此過(guò)載電流流過(guò)取樣電阻時(shí)所產(chǎn)生電壓應(yīng)小于或等于２６０ｍＶ。對(duì)于信號(hào)的處理，可將ＩＲ２１７５通過(guò)光耦直接與ＩＲＭ-ＣＫ２０１進(jìn)行連接，再在ＩＲＭＣＫ２０１內(nèi)部進(jìn)行電流計(jì)算。

３．６ Ａ／Ｄ接口

ＩＲＭＣＫ２０１提供了直接與ＡＤＳ７８１８ Ａ／Ｄ轉(zhuǎn)換器相連的接口，通過(guò)多路復(fù)用器ＣＤ４０５２可以輸入四路模擬信號(hào)，分別為轉(zhuǎn)速或轉(zhuǎn)矩大小控制的模擬輸入、直流母線(xiàn)電壓的采樣輸入和其它電流傳感器如ＨＡＬＬ電流傳感器送來(lái)的兩路相電流信號(hào)。但是這里采樣的相電流信號(hào)只能作為過(guò)流保護(hù)，不能作為電流環(huán)的反饋，也就是說(shuō)ＡＤＳ７８１８不可以取代ＩＲ２１７５對(duì)相電流進(jìn)行取樣。

４　應(yīng)用

本文利用ＩＲＭＣＫ２０１與ＴＩ公司的ＤＳＰ芯片ＴＭＳ３２０ＬＦ２４０７設(shè)計(jì)了應(yīng)用于數(shù)控機(jī)床的永磁無(wú)刷交流伺服系統(tǒng)。

４．１ 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)框圖

系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)框圖如圖３所示，整個(gè)系統(tǒng)由以下幾部分組成：

（１）控制部分

該交流伺服系統(tǒng)控制電路主要由ＴＭＳ３２０ＬＦ ２４０７、ＩＲＭＣＫ２０１和少量的外圍電路組成。ＤＳＰ用于完成ＩＲＭＣＫ２０１的初始化和系統(tǒng)位置環(huán)控制算法的實(shí)現(xiàn)，并完成系統(tǒng)的鍵盤(pán)和顯示功能。ＩＲＭＣＫ２０１內(nèi)部硬件電路完成系統(tǒng)的電流環(huán)、速度環(huán)控制，最終產(chǎn)生ＳＶＰＷＭ驅(qū)動(dòng)信號(hào)，以完成對(duì)功率模塊的開(kāi)關(guān)控制，同時(shí)通過(guò)Ａ／Ｄ接口對(duì)母線(xiàn)電壓進(jìn)行監(jiān)測(cè)，以實(shí)現(xiàn)過(guò)壓保護(hù)功能。系統(tǒng)采用２０００ＰＰＲ的增量式光電碼盤(pán)和霍爾傳感器測(cè)量電機(jī)位置和速度信號(hào)，采用ＩＲ２１７５電流傳感器對(duì)相電流采樣，由于ＩＲＭＣＫ２０１提供了ＩＲ２１７５接口，所以采樣的電流信號(hào)可直接送到ＩＲＭＣＫ２０１作為控制部分的電流反饋。為了增加系統(tǒng)的抗干擾性，本系統(tǒng)采用高速光耦將系統(tǒng)的控制部分和功率部分進(jìn)行隔離。

（２）主電路部分

本系統(tǒng)的主電路為ＡＣ－ＤＣ－ＡＣ 逆變電路。輸入的三相交流電壓經(jīng)整流、濾波后得到直流電壓供給逆變器。功率器件采用ＩＲ公司的智能功率模塊ＩＲＡＭＳ１６ＵＰ６０Ａ，它包括三相高壓高速驅(qū)動(dòng)集成芯片ＩＲ２１３６和６個(gè)ＩＧＢＴ，其輸入驅(qū)動(dòng)信號(hào)的最高頻率可達(dá)２０ｋＨｚ。

４．２ 系統(tǒng)程序設(shè)計(jì)

由于系統(tǒng)的電流環(huán)、速度環(huán)控制和過(guò)流、過(guò)壓、欠壓等保護(hù)功能都由ＩＲＭＣＫ２０１內(nèi)部硬件實(shí)現(xiàn)，所以系統(tǒng)軟件主要是用ＤＳＰ實(shí)現(xiàn)交流伺服系統(tǒng)位置環(huán)的控制和對(duì)ＩＲＭＣＫ２０１的通訊，相比之下程序設(shè)計(jì)比較簡(jiǎn)單。圖４所示為ＤＳＰ的主程序流程和位置環(huán)中斷服務(wù)子程序。

本系統(tǒng)采用了ＩＲＭＣＫ２０１芯片，結(jié)合使用ＴＩ公司的ＤＳＰ芯片ＴＭＳ３２０ＬＦ２４０７，大大簡(jiǎn)化了系統(tǒng)的軟硬件設(shè)計(jì)，縮短了系統(tǒng)開(kāi)發(fā)周期，提高了系統(tǒng)的可靠性，從而實(shí)現(xiàn)了高性能的交流伺服系統(tǒng)。