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

作者: 時(shí)間:2005-08-08 來源:網(wǎng)絡(luò) 收藏
摘要:是美國(guó)國(guó)際整流公司開發(fā)的,是專門針對(duì)伺服驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)而設(shè)計(jì)的。該器件可實(shí)現(xiàn)完整的速度環(huán)和電流環(huán),具有快速的伺服驅(qū)動(dòng)能力。文中詳細(xì)介紹了的主要、特點(diǎn)和主要接口,并給出了一個(gè)于數(shù)控機(jī)床的交流伺服驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的實(shí)例。

關(guān)鍵詞:;交流伺服;矢量;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)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。與傳統(tǒng)的控制專用DSP不同的是,IRMCK201不僅包含控制的外圍? 如PWM、編碼計(jì)數(shù)電路、電流傳感接口等?,而且也包含通過硬件實(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)化了交流伺服系統(tǒng)的設(shè)計(jì),此外它還適用于不同類型的永磁電機(jī)或感應(yīng)電機(jī),因而有很好的前景。

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

●配置光電碼盤的線數(shù)范圍從200PPR~10000PPR;

●可以監(jiān)視直流母線電壓;

●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,這樣用戶就省去了編寫代碼的任務(wù),簡(jiǎn)化了復(fù)雜的設(shè)計(jì)過程。

IRMCK201通過硬件邏輯實(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,可以通過設(shè)置相關(guān)寄存器來實(shí)現(xiàn)這種控制功能。也就是說,上位機(jī)僅需將“1”或“0”寫入相關(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)開關(guān)頻率為10kHz的PWM驅(qū)動(dòng)信號(hào),用戶不需要編寫程序代碼來實(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)通過外部EEPROM來保存,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)的永磁無刷電機(jī)控制系統(tǒng)為例,分析系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)。

通過配置相關(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)出合適的開關(guān)信號(hào),控制功率模塊開關(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門極信號(hào)接口

IRMCK201提供6路SVPWM輸出?通過光耦與三相橋驅(qū)動(dòng)芯片IR2136進(jìn)行連接來驅(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RS232/RS422、SPI接口或8 位并行接口來配置和監(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外部引腳來設(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^對(duì)輸入引腳的操作來控制電機(jī)的運(yùn)行。

3.5 電流傳感器IR2175接口

IR2175線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信號(hào),經(jīng)過電平轉(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,因此過載電流流過取樣電阻時(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、直流母線電壓的采樣輸入和其它電流傳感器如HALL電流傳感器送來的兩路相電流信號(hào)。但是這里采樣的相電流信號(hào)只能作為過流保護(hù),不能作為電流環(huán)的反饋,也就是說ADS7818不可以取代IR2175對(duì)相電流進(jìn)行取樣。

4 

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)功率模塊的開關(guān)控制,同時(shí)通過A/D接口對(duì)母線電壓進(jìn)行監(jiān)測(cè),以實(shí)現(xiàn)過壓保護(hù)功能。系統(tǒng)采用2000PPR的增量式光電碼盤和霍爾傳感器測(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)控制和過流、過壓、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)。

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