利用運動控制IC簡化設(shè)計并實現(xiàn)高性能

伺服控制系統(tǒng)設(shè)計最關(guān)鍵的部分是控制算法的開發(fā)，它影響到系統(tǒng)的最終控制性能?？刂扑惴ㄖ邪▽Ω鞣N器件接口的傳感信號，而且往往這些信號和電力電子電路以及器件密切耦合，而位置信號、速度信號以及電流信號都是實現(xiàn)反饋控制的關(guān)鍵變量。
在傳統(tǒng)實現(xiàn)中，所有控制單元都通過在運動控制芯片DSP或者M(jìn)CU中的軟件代碼實現(xiàn)。在DSP及MCU的時時控制環(huán)境中，電流環(huán)控制通過高優(yōu)先權(quán)任務(wù)隊列實現(xiàn)，需要精通時時控制方面的知識。在電機(jī)的控制中，任務(wù)進(jìn)程的執(zhí)行往往由專門的硬件事件/中斷驅(qū)動，需要連續(xù)的指令代碼來時時精確控制硬件的執(zhí)行。而且對于應(yīng)用在伺服以及無傳感器的磁場定向控制(FOC)中，軟件通常用匯編語言，以滿足快速的計算和更新率等高動態(tài)性能增長的需要。有時需要采用專門的代碼技術(shù)以克服傳統(tǒng)的計算滯后問題，如采用shift指令快速實現(xiàn)乘/除功能以完成快速的計算。軟件中模塊化的源代碼被編譯和連接在一起，最后得到一個較大的可執(zhí)行目標(biāo)代碼，包含閉環(huán)控制、用戶接口時序以及網(wǎng)絡(luò)通訊等。如果存在錯誤，必須在源代碼中進(jìn)行重新編譯和連接并產(chǎn)生修改后的可執(zhí)行源代碼，為了達(dá)到最終的產(chǎn)品階段這個過程往往需要重復(fù)很多次。
因此，開發(fā)和實現(xiàn)一個高性能的伺服系統(tǒng)或者無傳感器的交流驅(qū)動系統(tǒng)，快速的運動控制算法是一項最具挑戰(zhàn)性的任務(wù)。

運動控制引擎(MCE)
為了實現(xiàn)高性能的伺服應(yīng)用和無傳感器控制應(yīng)用，IR最近開發(fā)了新型的——IRMCK201 和IRMCK203數(shù)字運動控制芯片。其中IRMCK201采用100引腳的QFP封裝，IRMCK203采用80引腳的QFP封裝，而且僅需外部提供33MHz的晶振。IRMCK201 主要針對于伺服驅(qū)動系統(tǒng)的設(shè)計，具有快速的高性能伺服驅(qū)動能力，而 IRMCK203主要針對于永磁交流電機(jī)的正弦無傳感器的高性能控制，電機(jī)控制參數(shù)的調(diào)整都是通過硬件實現(xiàn)。IRMCK201和傳統(tǒng)的運動控制用DSP芯片不同的是，它不僅包含運動控制的外圍功能(如PWM、編碼計數(shù)電路、電流傳感接口等)，而且也包含通過硬件實現(xiàn)的FOC算法和速度控制算法，即運動控制引擎。
MCE通過控制單元(如比例積分、矢量旋轉(zhuǎn)、Clark變換等)來實現(xiàn)閉環(huán)控制、運動型的外圍硬件控制(如空間矢量PWM、電機(jī)電流反饋接口、解碼器反饋)，使能并行多環(huán)控制的時序控制邏輯。閉環(huán)速度控制和閉環(huán)電流控制的同步執(zhí)行機(jī)制都包含在邏輯硬件中，因而不需要多任務(wù)控制功能。
內(nèi)部結(jié)構(gòu)
IRMCK201通過硬件邏輯實現(xiàn)伺服控制功能，因而為了實現(xiàn)不同的控制算法，芯片的接口可以零活配置，如圖1所示。以矢量控制的感應(yīng)電機(jī)為例，在內(nèi)部控制結(jié)構(gòu)中有一個矢量角產(chǎn)生的前反饋滑模增益路徑，所以可以通過關(guān)閉相關(guān)的開關(guān)來實現(xiàn)這種類型的控制功能。PC僅需通過寫入“1”或者“0”到相關(guān)的寄存器中，以關(guān)閉開關(guān)就可以實現(xiàn)感應(yīng)電機(jī)控制的使能。IRMCK201也支持其它的結(jié)構(gòu)，如除IR2175外的所有電流傳感器接口芯片、電流控制中的前反饋增益路徑使能/非使能、閉環(huán)速度控制的使能和非使能以及速度命令的選擇源。
由于IRMCK201不需要任何的編程和譯碼，所以根本不需要任何PC接口就可以容易地轉(zhuǎn)化為一個固定功能的硬件邏輯IC。為了滿足新的電機(jī)控制參數(shù)及其微調(diào)，它的硬件配置過程非常簡單。
計算速度和動態(tài)性能
運動控制引擎的一個明顯優(yōu)點就是在確定的時間里可以完成閉環(huán)控制算法所需要的短時計算。計算速度直接影響到伺服系統(tǒng)扭矩和速度的動態(tài)性能，閉環(huán)電流控制的更新率越快扭矩控制的帶寬就越大，從而影響到系統(tǒng)中旋轉(zhuǎn)機(jī)械的周期時間。
盡管DSP和MCU的伺服驅(qū)動控制應(yīng)用靈活，但在寬帶應(yīng)用中由于需要一步一步的執(zhí)行龐大的指令而產(chǎn)生瓶頸，它仍然不是完全意義上的伺服驅(qū)動控制。利用有運動控制引擎的IRMCK201，系統(tǒng)可以突破了這個障礙，它能以40kHz的PWM更新率或者較大頻率更新率運行。
當(dāng)使用IRMCK203來實現(xiàn)無傳感器的閉環(huán)電流控制時，其計算時間可以大大縮短，例如家庭空調(diào)系統(tǒng)中壓縮電機(jī)的無傳感控制。而在最新的家庭空調(diào)應(yīng)用系統(tǒng)中，通常使用32位的高性能RISC微處理器，其計算能力達(dá)到50 MIPS，為了對無傳感器的的速度控制進(jìn)行計算，所需要的時間大約為60ms。由于空調(diào)系統(tǒng)需要有無傳感算法的電機(jī)控制、風(fēng)扇電機(jī)控制以及PFC控制，而為了滿足微控制器系統(tǒng)緊湊的電源要求，這就需要縮短算法的計算時間。當(dāng)使用IRMCK203時，其計算時間可以縮短到11ms，從而增加了PWM載波頻率的更新率。對于PWM載波頻率達(dá)到或者超過40kHz的應(yīng)用來說，使用IRMCK203的永磁電機(jī)可以獲得很多好處，如高速錠子以及齒狀鉆孔機(jī)應(yīng)用。
低損失和低EMI的空間矢量PWM
由于IRMCK203使用低損失和低EMI的空間矢量PWM來開關(guān)IGBT功率器件，與傳統(tǒng)的三相PWM相比，它可以降低20％甚至更多的功耗損失和EMI 噪音。圖2是典型的電壓開關(guān)波形和電機(jī)電流波形圖。

應(yīng)用及開發(fā)工具
把IRMCK201設(shè)計到實時的壽命電路中是一項具有挑戰(zhàn)性的工作，但是為了實現(xiàn)完全意義上的伺服驅(qū)動系統(tǒng)，IR公司充分考慮到從樣品到產(chǎn)品發(fā)布的設(shè)計要求。功率電子電路的設(shè)計、模擬信號的處理、開關(guān)電源電路的設(shè)計以及傳感接口電路的設(shè)計都是為了實現(xiàn)完整意義伺服系統(tǒng)所必需的。尤其是對于設(shè)計具有高性能熱管理的功率電子電路時，需要很高的硬件設(shè)計技術(shù)知識和很強(qiáng)的技術(shù)經(jīng)驗，而這對于大多數(shù)的硬件設(shè)計師來說往往是最大的技術(shù)障礙。
IRMCS2011/IRMCS2031實現(xiàn)1kW的設(shè)計平臺
使用IRMCK201芯片開發(fā)的IRMCS2011設(shè)計平臺幫助設(shè)計者更加全面地設(shè)計系統(tǒng)，如圖3所示。它實現(xiàn)了1kW伺服應(yīng)用的設(shè)計，包含散熱片和連接件在內(nèi)的所有硬件，由于集成了許多工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，非常接近實際產(chǎn)品。在IRMCS2011中唯一缺少的是外殼以及面板，所以使用者無需修改和增加電路就可以評估系統(tǒng)的性能。設(shè)計者也可以得到基于IRMCK203芯片的開發(fā)工具包IRMCS2031。
IRMCS2011 和 IRMCS2031硬件設(shè)計平臺都采用IR公司的IGBT智能模塊；其中IRMCS2011使用20A/600V的IRAM20U60A，而IRMCS2031使用16A/600V的IRAMY16U60A。這兩個功率智能模塊都是基于IMS技術(shù)設(shè)計，內(nèi)部集成有IR2136三相高壓門驅(qū)動IC，使用單穩(wěn)高壓的IR2175來實現(xiàn)電機(jī)電流傳感。如果采用SO-8封裝的IR2175芯片和IRMCK201來實現(xiàn)復(fù)雜閉環(huán)電機(jī)控制，其體積將會很小，而且電流傳感也很容易實現(xiàn)。在IRMCS2031系統(tǒng)中，也可以采用3腳的電流互感器以實現(xiàn)電流傳感。IRMCK201 和 IRMCK203運動控制芯片通過結(jié)合智能IGBT模塊和IR2175電流傳感芯片，不但簡化了應(yīng)用者的設(shè)計任務(wù)，而且減少了元器件數(shù)、節(jié)約了電路板的空間。
IRMCS2011包含過流/短路保護(hù)電路，還帶有多輸出的開關(guān)模式電源接口以及所有必須的傳感接口電路。
ServoDesigner工具
ServoDesigner對寄存器進(jìn)行讀和寫，來幫助設(shè)計者對參數(shù)進(jìn)行相應(yīng)的設(shè)置，如定義所需要訪問的寄存器、改變寄存器的名稱、對讀和寫的寄存器組進(jìn)行分組。使用者也可以自定義和增加新的功能來擴(kuò)展運動控制的范圍，以及驗證專門的性能。例如，使用者可以設(shè)計具有連續(xù)加速和減速構(gòu)成的多步起停的速度特性曲線，并通過這種交互式的運動特性曲線快速驗證所需要的性能。
ServoDesigner還帶有故障診斷功能，無需任何配置就可以在運行過程中，將故障及運行狀態(tài)顯示在屏幕上。
如果使用Excel軟件，寄存器的配置可以進(jìn)一步得到簡化。ServoDesigner提供了一個輔助的Excel電子表作為模板，適合于不同的新型電機(jī)。使用者只需把電機(jī)名牌參數(shù)如電機(jī)電流、轉(zhuǎn)速、編碼器行數(shù)寫入表格之后，表格計算并產(chǎn)生寫入到專門寄存器里的數(shù)值，然后把數(shù)據(jù)表導(dǎo)入到ServoDesigner的寄存器里即可。工具中也包含可讀和寫EEPROM ，以方便使用者存儲微調(diào)參數(shù)，從而減少了反復(fù)配置的次數(shù)。當(dāng)配置完成后，使用者可以選擇ServoDesigner來啟動運行，也可以使用不帶ServoDesigner的獨立運行模式。

結(jié)語
在未來的數(shù)字運動控制芯片中，運動控制引擎將會變成硬件計算的核心，主要應(yīng)用于高性能的伺服驅(qū)動場合。針對家庭空調(diào)以及洗衣機(jī)應(yīng)用的低成本控制應(yīng)用芯片也將有很好的應(yīng)用前景。借助設(shè)計工具包，設(shè)計者就可以縮短開發(fā)周期。■

參考文獻(xiàn)
1 A.Hiruma,H.Kanazawa, T.Uchida,Y.Yamanashi. Inverter Air Conditioner in Japan. Proceedings, PCIM China 2003, March, 2003