數(shù)字交流伺服驅(qū)動器實現(xiàn)方案
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摘要：
交流伺服驅(qū)動器的控制包括信號的測量、濾波、整形、核心算法的實時完成，驅(qū)動信號的產(chǎn)生和系統(tǒng)的監(jiān)控、保護等功能。
引言
國際整流器件公司針對高性能交流伺服驅(qū)動的需求，設計出了基于硬件實現(xiàn)的完整的伺服驅(qū)動控制單片解決方案IRMCK201, 適用不同類型的永磁或交流感應電機，具有編碼器位置反饋接口，將運動控制算法通過硬件實現(xiàn)，從而省略了編程任務，達到實時控制的目的。 IRMCK201結合IR2175線性電流傳感芯片，IR2136三相逆變器驅(qū)動芯片和IRAM 6A-20A功率模塊，組成一個完整的伺服驅(qū)動系統(tǒng)。
IRMCK201簡介
IRMCK201是基于數(shù)字同步旋轉矢量控制的交流伺服驅(qū)動的單片硬件解決方案。圖1所示為其基本功能模塊。
電機三相電流通過Park變換與矢量旋轉被分解為產(chǎn)生磁通的勵磁電流分量id和產(chǎn)生轉矩的轉矩電流Iq分量，這兩個分量具有獨立的比例積分放大電路。芯片可以啟用或禁止速度閉環(huán)控制，啟用速度閉環(huán)控制時，通過改變給定速度值，給定速度值與測量速度之間相互比較將產(chǎn)生速度偏差?；谶@個偏差，速度調(diào)節(jié)器產(chǎn)生一個對應的轉矩電流Is_qRef;當速度閉環(huán)控制禁止，可以直接改變轉矩電流Is_qRef。當Is_dRef=0時，改變轉矩電流 Is_qRef，通過經(jīng)過Clark變換轉換成靜止的α,β坐標系的電流分量isα、isβ,再經(jīng)過Park變換轉換成旋轉坐標系下的電流Id,Iq?；谛D坐標系的給定和實際電流的偏差，電流控制器產(chǎn)生輸出電壓Us_q和Us_d(在旋轉坐標系d，q)。電壓Us_q和Us_d被反變換成靜止坐標系下的電壓分量。然后經(jīng)過空間矢量PWM計算后，給逆變器的功率模塊發(fā)出合適的開關信號。
IRMCK201主機通信接口包括RS-232/RS-485/RS-422、快速SPI接口和8位并行接口。因此它可以方便與多軸主機或控制器進行通信，通過修改和讀取其主控寄存器來控制輸出。IRMCK201也可以獨立運行而不需要外部主機參與控制，其運行參數(shù)通過外部EEPROM來保存，上電自動從EEPROM中讀取參數(shù)。
IRMCK201具有編碼器接口，正交信號輸入頻率可達1MHz，很容易組成位置閉環(huán)控制系統(tǒng)。IRMCK201還具有HALL A/B/C接口，A/B/C可以單獨輸入也可以組合輸入,用來指示轉子位置。
IRMCK201還具有A/D轉換信號接口，直流母線電壓反饋及過壓制動控制接口?？梢酝ㄟ^A/D接口輸入模擬參考電壓來改變輸出轉速或輸出轉矩。同時芯片具有PWM輸出，通過簡單低通濾波可以作為D/A信號輸出，驅(qū)動指示儀表。通過寄存器的設置，可以選擇指示母線電壓、V相電壓、W相電壓、速度參考值、速度反饋值、Iq參考值、Uq、Ud、Iq或Ib等。
交流伺服驅(qū)動系統(tǒng)硬件單元電路設計
基于IRMCK201的交流伺服驅(qū)動系統(tǒng)的硬件設計主要包括高壓主電路設計、功率驅(qū)動電路設計、電流電壓采集電路及過流過壓保護電路設計、編碼器位置反饋電路設計、主機接口電路及外部接口電路設計幾個部分。
主電路設計
高壓主電路包括EMC濾波電路、啟動沖擊延緩電路、整流濾波電路、過流、過壓、欠壓檢測電路。電源可以采用220V單相交流電壓，也可以采用三相220V交流電壓通過整流濾波得到高壓母線直流電壓。
功率驅(qū)動電路的設計
IRMCK201提供了芯片提供三組SVPWM輸出，通過光電隔離，可以與IGBT模塊或功率MOSFET的驅(qū)動電路連接。目前集成三相橋式 IGBT模塊很多，IR公司也提供了幾種規(guī)格的集成功率模塊，如iramx16up60a模塊，包含6個NPT IGBT 芯片, 每一個都有自己的分立柵級電阻, 6個整流二極管, 1個三相單片集成IC, 1個柵極驅(qū)動芯片, 3個具有限流電阻器和一對過溫保護的NTC熱敏電阻/電阻的陰極負載二極管，因而可以大大簡化功率驅(qū)動電路的設計。圖2為該模塊的典型應用圖。
IRMCK201提供了多種與外部主機通信方式，主機可以通過RS-232/RS-422/485、SPI接口或8位并行接口來配置和監(jiān)控系統(tǒng)的運行。RS-232/RS-422/485通信方式可以通過硬件選擇，通過MAX232進行電平轉換，RS-232接口允許PC直接對其進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選擇。SPI接口方式中，芯片處于從方式，通信最高時鐘可達8MHz，可以實現(xiàn)與主機高速通信。不同通信方式通常都處于激活狀態(tài)，可以相互切換，但不能同時運行。
伺服電機電流檢測電路設計
通常伺服電機的電流檢測通過在電機相電路中串連一個小電阻，測量電阻壓降，通過A/D轉換進行采集。IRMCK201提供與ADS7818 A /D轉換器接口，通過多路復用器4052可以輸
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