高性能數字運動(dòng)控制芯片IRMCK201功能及其應用

關(guān)鍵詞：IRMCK201；交流伺服；矢量控制；空間矢量脈寬調制

１　概述

國際整流器件公司（ＩＲ）針對高性能交流伺服驅動(dòng)的需求?設計出了基于ＦＰＧＡ技術(shù)的完整的伺服驅動(dòng)控制解決方案ＩＲＭＣＫ２０１芯片。與傳統的運動(dòng)控制專(zhuān)用ＤＳＰ芯片不同的是，ＩＲＭＣＫ２０１不僅包含運動(dòng)控制的外圍功能? 如ＰＷＭ、編碼計數電路、電流傳感接口等?，而且也包含通過(guò)硬件實(shí)現的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的設計，此外它還適用于不同類(lèi)型的永磁電機或感應電機，因而有很好的應用前景。

ＩＲＭＣＫ２０１采用標準的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；

●可以配置感應電機或者永磁電機的控制系統；

●帶死區的空間矢量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、高壓驅動(dòng)芯片ＩＲ２１３ｘ、霍爾Ａ／Ｂ／Ｃ信號、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)數范圍從２００ＰＰＲ～１００００ＰＰＲ；

●可以監視直流母線(xiàn)電壓；

●可以配置模擬參考輸入；

●２ＭＨｚ的計數器改善低速性能；

●具有４路采樣／保持的Ａ／Ｄ轉換接口；

●通過(guò)主機寄存器接口，ＡＴ２４Ｃ０１Ａ可對內部數據／參數進(jìn)行初始化；

●智能ＩＧＢＴ保護封鎖控制；

●可以配套使用ＳｅｒｖｏＤｅｓｉｇｎｅｒ配置工具軟件。

２ IRMCK201內部功能結構

圖１為ＩＲＭＣＫ２０１內部詳細控制結構圖。從圖中可以看出，作為運動(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，如帶死區時(shí)間設置的空間矢量ＰＷＭ、ＰＡＲＫ變換和Ｃｌａｒｋ變換、電流環(huán)ＰＩ調節器、速度環(huán)ＰＩ調節器、速度測量單元等，這樣用戶(hù)就省去了編寫(xiě)代碼的任務(wù)，簡(jiǎn)化了復雜的設計過(guò)程。

ＩＲＭＣＫ２０１通過(guò)硬件邏輯實(shí)現伺服控制功能，芯片的接口可以靈活配置，因而為了實(shí)現不同的控制算法，可以通過(guò)接口對ＩＲＭＣＫ２０１進(jìn)行參數設置。以矢量控制的感應電機為例，在內部控制結構中有一個(gè)前饋滑模增益路徑，可以通過(guò)設置相關(guān)寄存器來(lái)實(shí)現這種控制功能。也就是說(shuō)，上位機僅需將“１”或“０”寫(xiě)入相關(guān)寄存器中，就可使該控制功能ＩＲＭ-ＣＫ２０１也支持其它結構，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，只需了解它內部的功能模塊和寄存器的情況，并通過(guò)上位機對它的寄存器進(jìn)行配置，即可迅速實(shí)現各種功能。例如，要為逆變器設置一個(gè)開(kāi)關(guān)頻率為１０ｋＨｚ的ＰＷＭ驅動(dòng)信號，用戶(hù)不需要編寫(xiě)程序代碼來(lái)實(shí)現這個(gè)ＰＷＭ信號的算法，只需要對相關(guān)寄存器賦值即可。

ＩＲＭＣＫ２０１主機通信接口包括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也可以獨立運行而不需要外部主機參與控制,其運行參數通過(guò)外部ＥＥＰＲＯＭ來(lái)保存,上電時(shí)自動(dòng)從ＥＥＰＲＯＭ中讀取參數。

現以具有電流環(huán)和速度環(huán)的永磁無(wú)刷電機控制系統為例，分析系統的結構。

通過(guò)配置相關(guān)寄存器使能速度閉環(huán)控制。對于電流環(huán)，由電流傳感器ＩＲ２１７５采樣電機Ｖ相和Ｗ相繞組電流，經(jīng)過(guò)ＩＲＭＣＫ２０１內部計算可以得到Ｕ相電流，與Ｖ相和Ｗ相電流一起組成三相電流，通過(guò)Ｐａｒｋ變換與矢量旋轉被分解為產(chǎn)生磁通的勵磁電流分量和產(chǎn)生轉矩的轉矩電流分量?這兩個(gè)直流量具有獨立的比例積分調節器。對于速度環(huán)，由光電編碼信號通過(guò)ＩＲＭＣＫ２０１內部測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調節器產(chǎn)生一個(gè)對應的轉矩電流Ｉｑ，當采用Ｉｄ＝０控制時(shí)，Ｉｄ、Ｉｑ即是內部電流環(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調節以后產(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(guò)空間矢量ＰＷＭ計算后?給逆變器的功率模塊發(fā)出合適的開(kāi)關(guān)信號，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通訊接口、ＰＷＭ門(mén)極信號接口、正交編碼器接口、主機通訊接口、Ａ／Ｄ接口、串行ＥＥＰＲＯＭ接口、鎖相環(huán)和系統時(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)極信號接口

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

３．２ 主機通訊接口

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

ＲＳ２３２接口通過(guò)ＭＡＸ２３２進(jìn)行電平轉換，它允許ＰＣ直接對其進(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)設置。ＳＰＩ接口方式中，芯片處于從方式，通信最高時(shí)鐘可達８ＭＨｚ，可以實(shí)現與主機高速通信。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(shí)運行。

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。它可以與多種編碼器接口?脈沖數為２００～１００００ 個(gè)／ 轉?脈沖頻率最高可達１ＭＨｚ。編碼器接口具有相互正交的ＥＮＡ、ＥＮＢ編碼信號及零點(diǎn)標志信號接口，同時(shí)還具有三路ＨＡＬＬ信號輸入接口。系統上電時(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

控制輸入信號包括啟動(dòng)、停止、轉動(dòng)方向、輸出使能、故障復位、主機狀態(tài)等；狀態(tài)指示信號包括系統故障指示、同步指示及兩個(gè)雙色指示燈?？梢灾苯油ㄟ^(guò)對輸入引腳的操作來(lái)控制電機的運行。

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從伺服電機的高端驅動(dòng)電路轉換到低端驅動(dòng)電路?以便控制電路進(jìn)行處理。在伺服電機相繞組回路中串聯(lián)一個(gè)取樣電阻，隨著(zhù)電機相電流的變化?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數字信號，經(jīng)過(guò)電平轉換，ＰＷＭ信號被轉換成了以地為參考點(diǎn)的信號。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)生電壓應小于或等于２６０ｍＶ。對于信號的處理，可將ＩＲ２１７５通過(guò)光耦直接與ＩＲＭ-ＣＫ２０１進(jìn)行連接，再在ＩＲＭＣＫ２０１內部進(jìn)行電流計算。

３．６ Ａ／Ｄ接口

ＩＲＭＣＫ２０１提供了直接與ＡＤＳ７８１８ Ａ／Ｄ轉換器相連的接口，通過(guò)多路復用器ＣＤ４０５２可以輸入四路模擬信號，分別為轉速或轉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。但是這里采樣的相電流信號只能作為過(guò)流保護，不能作為電流環(huán)的反饋，也就是說(shuō)ＡＤＳ７８１８不可以取代ＩＲ２１７５對相電流進(jìn)行取樣。

４　應用

本文利用ＩＲＭＣＫ２０１與ＴＩ公司的ＤＳＰ芯片ＴＭＳ３２０ＬＦ２４０７設計了應用于數控機床的永磁無(wú)刷交流伺服系統。

４．１ 系統硬件設計結構框圖

系統的結構框圖如圖３所示，整個(gè)系統由以下幾部分組成：

（１）控制部分

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

（２）主電路部分

本系統的主電路為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動(dòng)集成芯片ＩＲ２１３６和６個(gè)ＩＧＢＴ，其輸入驅動(dòng)信號的最高頻率可達２０ｋＨｚ。

４．２ 系統程序設計

由于系統的電流環(huán)、速度環(huán)控制和過(guò)流、過(guò)壓、欠壓等保護功能都由ＩＲＭＣＫ２０１內部硬件實(shí)現，所以系統軟件主要是用ＤＳＰ實(shí)現交流伺服系統位置環(huán)的控制和對ＩＲＭＣＫ２０１的通訊，相比之下程序設計比較簡(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。

本系統采用了ＩＲＭＣＫ２０１芯片，結合使用ＴＩ公司的ＤＳＰ芯片ＴＭＳ３２０ＬＦ２４０７，大大簡(jiǎn)化了系統的軟硬件設計，縮短了系統開(kāi)發(fā)周期，提高了系統的可靠性，從而實(shí)現了高性能的交流伺服系統。