新型永磁同步電機控制芯片IRMCK203及其應用

摘要：IRMCK203是IR公司最新推出的一款高性能無(wú)傳感器永磁同步電機單片控制IC。它采用純硬件電路來(lái)執行永磁同步電機的轉子磁場(chǎng)定向控制算法，因而具有良好的動(dòng)態(tài)性能，同時(shí)也具有高度靈活的可配置性能。文中介紹了IRMCK203芯片的結構特點(diǎn)，給出了基于IRMCK203的無(wú)傳感器永磁同步電機的控制系統設計方法。

關(guān)鍵詞：永磁同步電機 無(wú)傳感器 轉子磁場(chǎng)定向控制 IRMCK203

1 引言

永磁同步電機具有體積小、結構簡(jiǎn)單、重量輕、損耗小、效率高以及控制性能好等諸多優(yōu)點(diǎn)，近年來(lái)在國防工業(yè)、農業(yè)生產(chǎn)和日常生活等方面獲得越來(lái)越廣泛的應用。

控制永磁同步電機最常用的最轉子磁場(chǎng)定向控制算法，在該算法中，除了要進(jìn)行多次的坐標變換與反變換外，還要進(jìn)行電流及速度的閉環(huán)控制，因而實(shí)現比較復雜且實(shí)時(shí)性要求較高。為此，工程應用中一般采用DSP技術(shù)并以軟件方式來(lái)實(shí)現，這種方法的優(yōu)點(diǎn)是比較靈活，但系統開(kāi)發(fā)周期比較長(cháng)，開(kāi)發(fā)人員需深入了解諸多相關(guān)領(lǐng)域的知識（如：功率電子技術(shù)、電機特性及控制、軟件算法、通訊以及硬件集成等），而且該算法占用的處理器時(shí)間比較多，在某些情況下甚至不得不采用雙DSP，這就使得系統的整體性?xún)r(jià)比不高；另外，軟件方式的通用性也存在問(wèn)題，不同廠(chǎng)家的產(chǎn)品甚至同一廠(chǎng)家不同系統的DSP，其指令系統也可能不一樣，因此，用戶(hù)代碼一般不可重用。上述諸多因素使得開(kāi)發(fā)高性能的電機伺服系統變得比較復雜且困難很多。目前高性能電機伺服系統的發(fā)展趨勢之一是逐漸擺脫軟件的束縛而策純硬件方向發(fā)展，即使用基于FPGA或A-SIC的方案。IRMCK20x系列電機驅動(dòng)IC就是美國國際整流器公司推出的基于純硬件控制的電機閉環(huán)控制ASIC。

圖1

2 IRMCK203的原理及特性

IRMCK203是無(wú)傳感器表面式永磁同步電機閉環(huán)控制IC，與傳統的MCU或DSP方案不同的是，IRMCK203完全不需要編程，而是使用基于電機控制引擎（Motion Control Engine,MCE）的硬件電路來(lái)實(shí)現閉環(huán)的無(wú)線(xiàn)傳感器磁場(chǎng)定向控制算法。MCE包括有PI調節器、矢量運算、Clark變換等閉環(huán)控制所需的所有功能單元，所有功能完全由硬件電路來(lái)實(shí)現，因此具有快速計算能力和極佳的動(dòng)態(tài)性能。除了電流閉環(huán)和基于速度估計的速度閉環(huán)控制功能外，IRMCK203還具有自動(dòng)得啟、失相檢測、帶母線(xiàn)電壓監測的制動(dòng)控制以及各種驅動(dòng)保護功能，其模擬I/O和部分數字I/O都是可配置的，所有通訊端口都可以對內部寄存器進(jìn)行操作。用戶(hù)可以依據自己的實(shí)際情況（所使用電機及負載情況）來(lái)配置各種驅動(dòng)參數（如：PI調節器參數、電流反饋范圍、PWM載頻等等）和監視系統狀態(tài)。

2．1 IRMCK203結構特點(diǎn)

IRMCK203的內部結構及其與IR公司iMOTION系列外圍器件所構成的電機控制系統如圖1所示。IRMCK203有兩種工作模式：一種是與MCU或PC配合的從模式，其運行完全完全主機的指令；另一種是自主工作模式，此時(shí)只要從AD輸入0～5V的電壓信號做速度參考值，外加一片1Kbit（1288）的串行EEPROM（AT24C01）來(lái)存儲電機應用的相關(guān)配置信息，系統上電后便可自行讀取數據到內部寄存器，并根據相關(guān)I/O口線(xiàn)的邏輯狀態(tài)對電機進(jìn)行控制。

IRMCK203的一個(gè)電流采樣/閉環(huán)控制周期的工作大致可分為電流檢測、速度/位置估計、電流及速度閉環(huán)控制以及SVPWM產(chǎn)生四個(gè)過(guò)程，當時(shí)鐘頻率為33MHz時(shí)，典型閉環(huán)控制周期為14.6μs。其運行狀態(tài)機如圖2所示。

IRMCK203的最大時(shí)鐘為33.3MHz,最高閉環(huán)轉速為100 000RPM，典型的高速范圍為5%～100%，速度控制精度為15bit，電流檢測精度為10/12bit，PWM載頻可自行設定。IRMCK203采用QFP80封裝，引腳可依其功能分為時(shí)鐘接口、鎖相環(huán)控制、SPI接口、RS232接口、并行接口、EEPROM接口、PWM驅動(dòng)信號、IR2175電流檢測接口、AD接口、基于PWM的4路DA輸出接口、LED狀態(tài)指示、復位以及離散控制輸入輸出（起/停、正/反轉、故障指示、同步信號等）13個(gè)功能組，能提供全面的永磁同步電機控制解決方案。

2．2 IRMCK203的寄存器

永磁同步電機（PMSM）的矢量控制算法需要電機電流限制、壓頻曲線(xiàn)、速度設定值以及其它相關(guān)的控制參數。IRMCK203省去了算法的編程，取而代之的是豐富的接口和大量可供用戶(hù)進(jìn)行參數配置的片內寄存器，其寄存器分為可讀和可寫(xiě)兩種，其中可讀寄存器用于監視系統狀態(tài)，而可寫(xiě)寄存器則用來(lái)進(jìn)行用戶(hù)參數設定。主要的可寫(xiě)寄存器（組）如下：

PWM配置寄存器組：可對PWM的周期、死區、SVPWM調制系統、PWM關(guān)閉以及是否采用SVPWM等進(jìn)行設置。

電流反饋配置寄存器組：用于id和iq控制環(huán)路比例因子等參數設定。

系統控制寄存器組：用于設定正反轉、啟動(dòng)/停止以及緊急制動(dòng)三種狀態(tài)參數，該寄存器的作用與器件相關(guān)引腳的作用相同。

力矩環(huán)配置寄存器組：可對電流控制環(huán)路的比例/積分參數、id和iq電流以及電壓限制等參數進(jìn)行設定。

速度環(huán)控制寄存器組：可對速度控制環(huán)的比例/積分參數、速度限制、力矩電流限制、速度變化范圍、速度指定、加減速以及啟動(dòng)電流限制值等參數進(jìn)行設置。

故障控制寄存器組：用于直流母線(xiàn)電壓監視以及故障狀態(tài)清除等。

系統控制寄存器組：用于設置電流檢測方式（橋臂電阻或IR2175）、停機方式（直接/減速），以及是否由外圍引腳來(lái)控制電機的正反轉、啟動(dòng)/停止、緊急制動(dòng)等。

EEPROM控制寄存器組：若系統中使用了EEPROM來(lái)存儲相關(guān)參數，那么此寄存器可對EEPROM的復位、讀寫(xiě)狀態(tài)以及數據和地址初始值進(jìn)行設定。

角度/位置估計閉環(huán)控制寄存器組：可以對電機繞組電阻和電感值、角度估計器相位補償增益、磁通相位鎖定環(huán)路的比例/積分參數、磁通初始值等參數進(jìn)行設定。

角度開(kāi)環(huán)控制寄存器：設置電機轉矩常數以及壓頻曲線(xiàn)的斜率。

啟動(dòng)初始角度估計寄存器：設置各種與啟動(dòng)有關(guān)的診斷模式、啟動(dòng)過(guò)程中的停頓時(shí)間以及失相檢測使能。

啟動(dòng)重試參數寄存器：對自動(dòng)重啟次數以及啟動(dòng)電流限制值進(jìn)行設定。

失相檢測寄存器：可對失相檢測誤差門(mén)限等與失相檢測相關(guān)的參數進(jìn)行設定。

DA輸出控制寄存器：對四路DAC輸出信號進(jìn)行指定。

IRMCK203的只讀寄存器包括：指示系統的PWM、FOC設置以及起停、正反轉等狀態(tài)的系統狀態(tài)寄存器；指示母線(xiàn)電壓值及制動(dòng)狀態(tài)的直流母線(xiàn)電壓寄存器；指示當前速度的速度寄存器；FOC診斷數據寄存器、故障狀態(tài)寄存器、電流反饋偏置寄存器和EEPROM狀態(tài)指示寄存器等，詳細信息可參閱IRMCK203數據手冊。

圖3

3 基于IRMCK203的電機控制系統

圖3是IRMCK203的典型應用原理框圖，其中AD轉換器選用TI公司的12位串行AD芯片ADS7818，電流檢測可使用IR公司的HVIC電流傳感器IR2175來(lái)檢測電機的相電流，也可以使用橋臂電阻來(lái)檢測逆變橋的橋臂電流。

用IRMCK203設計電機控制系統可分為硬件設計和參數配置兩步。

硬件設計主要是根據應用的實(shí)際情況選用功率驅動(dòng)及電流檢測器件。為獲得最佳性能并減少器件數量，可以用IR公司推薦的iMOTION系列器件，如集成了門(mén)極驅動(dòng)及功率保護功能的IRAM系列智能IGBT模塊和電流傳感芯片IR2175。然后根據IRMCK203的主從工作模式選擇EEPROM或MCU來(lái)完成全部電路設計。

參數配置方法如下：?jiǎn)?dòng)IR所提供的電機驅動(dòng)參數轉換表格（Excel TM Spread Sheet），輸入電機的相關(guān)信息，如最大運放速度、最大電流及電流調整范圍等用戶(hù)參數，該Excel表格會(huì )將高級用戶(hù)參數轉換成符合IRMCK203控制需要的工程參數。然后啟動(dòng)圖形化的電機控制調試工具軟件ServoDesigner RM，并載入ExcelTM Spread Sheet生成的數據，將其下載到IRMCK203內或EEPROM內，接著(zhù)便可啟動(dòng)電機控制系統，以驗證系統性能是否滿(mǎn)足需要，再根據實(shí)際情況對有著(zhù)參數進(jìn)行適當調整，這樣就完全了高性能閉環(huán)無(wú)傳感器永磁同步電機驅動(dòng)器的全部設計。

可以看出，與傳統的基于DSP（如TI的嵌入式電機DSP芯片TMS320LF2401A）以及MCU（如東芝的TMP88CK49/CM49和Motorola的MC68HC708MP16等8位單片機系列）方案的電機伺服系統設計相比，復雜的軟件設計和調試工作在這里被簡(jiǎn)化成了少量的參數設置，而且大多數工作由電機驅動(dòng)參數轉換表格（ExcelTM Spread Sheet）和電機控制調試工具軟件ServoDesignerTM來(lái)完成，大大減輕了設計調試的工作量，縮短了項目周期并降低了項目風(fēng)險，從而降低了整個(gè)項目的成本。

4 小結

在對高動(dòng)態(tài)性能、高精度以及小體積伺服驅動(dòng)需求日益增長(cháng)的今天，永磁同步電機數字控制系統正逐漸取代直接伺服電機控制系統而成為主流。IRMCK203使用純硬件來(lái)實(shí)現基于速度估計的閉環(huán)無(wú)傳感器永磁同步電機驅動(dòng)，具有極佳的動(dòng)態(tài)性能、非常靈活的配置能力和方便的通訊接口，可大大簡(jiǎn)化永磁同步電機驅動(dòng)系統的設計，為開(kāi)發(fā)新一代高性能電機驅動(dòng)系統創(chuàng )造了較為有利的條件，同時(shí)也將電機伺服控制應用技術(shù)提高到一個(gè)新的水平。