利用運動(dòng)控制IC簡(jiǎn)化設計并實(shí)現高性能

伺服控制系統設計最關(guān)鍵的部分是控制算法的開(kāi)發(fā)，它影響到系統的最終控制性能?？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(shí)現反饋控制的關(guān)鍵變量。
在傳統實(shí)現中，所有控制單元都通過(guò)在運動(dòng)控制芯片DSP或者M(jìn)CU中的軟件代碼實(shí)現。在DSP及MCU的時(shí)時(shí)控制環(huán)境中，電流環(huán)控制通過(guò)高優(yōu)先權任務(wù)隊列實(shí)現，需要精通時(shí)時(shí)控制方面的知識。在電機的控制中，任務(wù)進(jìn)程的執行往往由專(zhuān)門(mén)的硬件事件/中斷驅動(dòng)，需要連續的指令代碼來(lái)時(shí)時(shí)精確控制硬件的執行。而且對于應用在伺服以及無(wú)傳感器的磁場(chǎng)定向控制(FOC)中，軟件通常用匯編語(yǔ)言，以滿(mǎn)足快速的計算和更新率等高動(dòng)態(tài)性能增長(cháng)的需要。有時(shí)需要采用專(zhuān)門(mén)的代碼技術(shù)以克服傳統的計算滯后問(wèn)題，如采用shift指令快速實(shí)現乘/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(gè)較大的可執行目標代碼，包含閉環(huán)控制、用戶(hù)接口時(shí)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)生修改后的可執行源代碼，為了達到最終的產(chǎn)品階段這個(gè)過(guò)程往往需要重復很多次。
因此，開(kāi)發(fā)和實(shí)現一個(gè)高性能的伺服系統或者無(wú)傳感器的交流驅動(dòng)系統，快速的運動(dòng)控制算法是一項最具挑戰性的任務(wù)。

運動(dòng)控制引擎(MCE)
為了實(shí)現高性能的伺服應用和無(wú)傳感器控制應用，IR最近開(kāi)發(fā)了新型的——IRMCK201 和IRMCK203數字運動(dòng)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 主要針對于伺服驅動(dòng)系統的設計，具有快速的高性能伺服驅動(dòng)能力，而 IRMCK203主要針對于永磁交流電機的正弦無(wú)傳感器的高性能控制，電機控制參數的調整都是通過(guò)硬件實(shí)現。IRMCK201和傳統的運動(dòng)控制用DSP芯片不同的是，它不僅包含運動(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，即運動(dòng)控制引擎。
MCE通過(guò)控制單元(如比例積分、矢量旋轉、Clark變換等)來(lái)實(shí)現閉環(huán)控制、運動(dòng)型的外圍硬件控制(如空間矢量PWM、電機電流反饋接口、解碼器反饋)，使能并行多環(huán)控制的時(shí)序控制邏輯。閉環(huán)速度控制和閉環(huán)電流控制的同步執行機制都包含在邏輯硬件中，因而不需要多任務(wù)控制功能。
內部結構
IRMCK201通過(guò)硬件邏輯實(shí)現伺服控制功能，因而為了實(shí)現不同的控制算法，芯片的接口可以零活配置，如圖1所示。以矢量控制的感應電機為例，在內部控制結構中有一個(gè)矢量角產(chǎn)生的前反饋滑模增益路徑，所以可以通過(guò)關(guān)閉相關(guān)的開(kāi)關(guān)來(lái)實(shí)現這種類(lèi)型的控制功能。PC僅需通過(guò)寫(xiě)入“1”或者“0”到相關(guān)的寄存器中，以關(guān)閉開(kāi)關(guān)就可以實(shí)現感應電機控制的使能。IRMCK201也支持其它的結構，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化為一個(gè)固定功能的硬件邏輯IC。為了滿(mǎn)足新的電機控制參數及其微調，它的硬件配置過(guò)程非常簡(jiǎn)單。
計算速度和動(dòng)態(tài)性能
運動(dòng)控制引擎的一個(gè)明顯優(yōu)點(diǎn)就是在確定的時(shí)間里可以完成閉環(huán)控制算法所需要的短時(shí)計算。計算速度直接影響到伺服系統扭矩和速度的動(dòng)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，從而影響到系統中旋轉機械的周期時(shí)間。
盡管DSP和MCU的伺服驅動(dòng)控制應用靈活，但在寬帶應用中由于需要一步一步的執行龐大的指令而產(chǎn)生瓶頸，它仍然不是完全意義上的伺服驅動(dòng)控制。利用有運動(dòng)控制引擎的IRMCK201，系統可以突破了這個(gè)障礙，它能以40kHz的PWM更新率或者較大頻率更新率運行。
當使用IRMCK203來(lái)實(shí)現無(wú)傳感器的閉環(huán)電流控制時(shí)，其計算時(shí)間可以大大縮短，例如家庭空調系統中壓縮電機的無(wú)傳感控制。而在最新的家庭空調應用系統中，通常使用32位的高性能RISC微處理器，其計算能力達到50 MIPS，為了對無(wú)傳感器的的速度控制進(jìn)行計算，所需要的時(shí)間大約為60ms。由于空調系統需要有無(wú)傳感算法的電機控制、風(fēng)扇電機控制以及PFC控制，而為了滿(mǎn)足微控制器系統緊湊的電源要求，這就需要縮短算法的計算時(shí)間。當使用IRMCK203時(shí)，其計算時(shí)間可以縮短到11ms，從而增加了PWM載波頻率的更新率。對于PWM載波頻率達到或者超過(guò)40kHz的應用來(lái)說(shuō)，使用IRMCK203的永磁電機可以獲得很多好處，如高速錠子以及齒狀鉆孔機應用。
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(lái)開(kāi)關(guān)IGBT功率器件，與傳統的三相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(kāi)關(guān)波形和電機電流波形圖。

應用及開(kāi)發(fā)工具
把IRMCK201設計到實(shí)時(shí)的壽命電路中是一項具有挑戰性的工作，但是為了實(shí)現完全意義上的伺服驅動(dòng)系統，IR公司充分考慮到從樣品到產(chǎn)品發(fā)布的設計要求。功率電子電路的設計、模擬信號的處理、開(kāi)關(guān)電源電路的設計以及傳感接口電路的設計都是為了實(shí)現完整意義伺服系統所必需的。尤其是對于設計具有高性能熱管理的功率電子電路時(shí)，需要很高的硬件設計技術(shù)知識和很強的技術(shù)經(jīng)驗，而這對于大多數的硬件設計師來(lái)說(shuō)往往是最大的技術(shù)障礙。
IRMCS2011/IRMCS2031實(shí)現1kW的設計平臺
使用IRMCK201芯片開(kāi)發(fā)的IRMCS2011設計平臺幫助設計者更加全面地設計系統，如圖3所示。它實(shí)現了1kW伺服應用的設計，包含散熱片和連接件在內的所有硬件，由于集成了許多工業(yè)標準，非常接近實(shí)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(wú)需修改和增加電路就可以評估系統的性能。設計者也可以得到基于IRMCK203芯片的開(kāi)發(fā)工具包IRMCS2031。
IRMCS2011 和 IRMCS2031硬件設計平臺都采用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(gè)功率智能模塊都是基于IMS技術(shù)設計，內部集成有IR2136三相高壓門(mén)驅動(dòng)IC，使用單穩高壓的IR2175來(lái)實(shí)現電機電流傳感。如果采用SO-8封裝的IR2175芯片和IRMCK201來(lái)實(shí)現復雜閉環(huán)電機控制，其體積將會(huì )很小，而且電流傳感也很容易實(shí)現。在IRMCS2031系統中，也可以采用3腳的電流互感器以實(shí)現電流傳感。IRMCK201 和 IRMCK203運動(dòng)控制芯片通過(guò)結合智能IGBT模塊和IR2175電流傳感芯片，不但簡(jiǎn)化了應用者的設計任務(wù)，而且減少了元器件數、節約了電路板的空間。
IRMCS2011包含過(guò)流/短路保護電路，還帶有多輸出的開(kāi)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(xiě)，來(lái)幫助設計者對參數進(jìn)行相應的設置，如定義所需要訪(fǎng)問(wèn)的寄存器、改變寄存器的名稱(chēng)、對讀和寫(xiě)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(lái)擴展運動(dòng)控制的范圍，以及驗證專(zhuān)門(mén)的性能。例如，使用者可以設計具有連續加速和減速構成的多步起停的速度特性曲線(xiàn)，并通過(guò)這種交互式的運動(dòng)特性曲線(xiàn)快速驗證所需要的性能。
ServoDesigner還帶有故障診斷功能，無(wú)需任何配置就可以在運行過(guò)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(jiǎn)化。ServoDesigner提供了一個(gè)輔助的Excel電子表作為模板，適合于不同的新型電機。使用者只需把電機名牌參數如電機電流、轉速、編碼器行數寫(xiě)入表格之后，表格計算并產(chǎn)生寫(xiě)入到專(zhuān)門(mén)寄存器里的數值，然后把數據表導入到ServoDesigner的寄存器里即可。工具中也包含可讀和寫(xiě)EEPROM ，以方便使用者存儲微調參數，從而減少了反復配置的次數。當配置完成后，使用者可以選擇ServoDesigner來(lái)啟動(dòng)運行，也可以使用不帶ServoDesigner的獨立運行模式。

結語(yǔ)
在未來(lái)的數字運動(dòng)控制芯片中，運動(dòng)控制引擎將會(huì )變成硬件計算的核心，主要應用于高性能的伺服驅動(dòng)場(chǎng)合。針對家庭空調以及洗衣機應用的低成本控制應用芯片也將有很好的應用前景。借助設計工具包，設計者就可以縮短開(kāi)發(fā)周期?！?/P>

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