交流伺服集成驅(qū)動(dòng)器設(shè)計(jì)分析

 　　交流伺服驅(qū)動(dòng)控制包括交流異步電動(dòng)機(jī)與永磁同步電動(dòng)機(jī)的驅(qū)動(dòng)控制。傳統(tǒng)的交流伺服驅(qū)動(dòng)控制，需要建立定制的伺服控制系統(tǒng)。雖然提供定制運(yùn)算的軟件設(shè)計(jì)平臺(tái)可以減輕編碼設(shè)計(jì)的腦力勞動(dòng)，但目前的應(yīng)用幾乎已經(jīng)到達(dá)了以軟件為基礎(chǔ)的解決方案的極限。因此，需要一個(gè)能夠簡(jiǎn)化設(shè)計(jì)并提供更高的效能新方法。

　　集成設(shè)計(jì)平臺(tái)

　　傳統(tǒng)的電機(jī)驅(qū)動(dòng)控制器設(shè)計(jì)，不僅易于出現(xiàn)一些“軟性”錯(cuò)誤，同時(shí)也很難滿足快速多邊的市場(chǎng)對(duì)開發(fā)時(shí)間的要求。對(duì)電機(jī)驅(qū)動(dòng)控制器設(shè)計(jì)者而言，一個(gè)包含可配置 的數(shù)字及模擬控制技術(shù)，以及功率電路與功率開關(guān)器件驅(qū)動(dòng)電路決方案的運(yùn)動(dòng)控制設(shè)計(jì)平臺(tái)可以大幅簡(jiǎn)化設(shè)計(jì)工作。國(guó)際整流器（IR）公司推出的整合了硬件與軟 件的IRMCS201設(shè)計(jì)平臺(tái)，成為AC伺服驅(qū)動(dòng)運(yùn)動(dòng)控制器設(shè)計(jì)平臺(tái)的典范。該設(shè)計(jì)平臺(tái)包括伺服驅(qū)動(dòng)控制器與ServerDesigner軟件工具。伺服驅(qū)動(dòng)控制器的核心是電機(jī)控制專用芯片IRMCK201。圍繞國(guó)際整流器公司的運(yùn)動(dòng)控制引擎（MoTIon Control Engine，MCE）所設(shè)計(jì)的IRMCK201芯片，屬于iMoTIon IP系列的一部份。iMoTIon芯片組內(nèi)的MCE可以在6μs內(nèi)執(zhí)行完磁場(chǎng)定向控制（Field Oriented Control，F(xiàn)OC）控制，而高效能可編程DSP則需要15～20μs，獲得了比傳統(tǒng)DSP快上20倍的運(yùn)算速度。MCE的速度更快是由于它被設(shè)置為成平行硬件控制器信號(hào)處理器，避免了傳統(tǒng)微控制器或DSP架構(gòu)所遇到的困難，以至能夠達(dá)到模擬控制的頻寬，同時(shí)提供更多的彈性與增強(qiáng)的數(shù)字控制效能。因此，MCE可以支持更高的力矩控制頻寬，實(shí)現(xiàn)更多的其它控制與外圍功能，而不會(huì)超出有效周期時(shí)間。此外，IRMCK201與從iMoTIon數(shù)據(jù)庫挑選出 來的合適模擬與電力電子組件精密配合，為用戶提供了伺服驅(qū)動(dòng)控制器硬件設(shè)計(jì)參考。

　　為電機(jī)控制專用芯片的應(yīng)用而開發(fā)的軟件工具ServerDesigner，安裝在PC機(jī)上。客戶只需利用ServerDesigner軟件，透過芯片上的 通訊端口，配置芯片上的存儲(chǔ)器，便可根據(jù)特定的需要來調(diào)整控制，以滿足所需的設(shè)計(jì)規(guī)格。主通訊邏輯包含了應(yīng)用于RS232C、RS422或RS485通訊 的異步通訊接口，以及一個(gè)快速的SPI接口和一個(gè)8位寬的主并行接口（Host Parallel Interface）。所有的通訊端口都對(duì)存儲(chǔ)器有相同的存取能力，可以讓用戶讀寫每一個(gè)選取的存儲(chǔ)單元，并借助任何可用的端口進(jìn)行配置與檢測(cè)驅(qū)動(dòng)。使得原本復(fù)雜的設(shè)計(jì)流程得到簡(jiǎn)化。iMotion IP核心模塊所設(shè)定的伺服驅(qū)動(dòng)控制演算架構(gòu)如圖1所示。從圖1可以看出IR公司的電機(jī)控制專用芯片僅包含速度調(diào)節(jié)控制和電流控制。若要實(shí)現(xiàn)位置伺服控制，則還需要一個(gè)位置控制器，如圖2所示。這是因?yàn)槲恢每刂票容^靈活、很難做到通用性。

　　伺服控制器設(shè)計(jì)

　　根據(jù)IRMCS201設(shè)計(jì)平臺(tái)所提供的伺服驅(qū)動(dòng)控制器硬件設(shè)計(jì)參考，可設(shè)計(jì)出如圖3所示的伺服驅(qū)動(dòng)控制器。

　　主機(jī)接口

　　IRMCK201芯片提供了RS232/RS422/485、SPI接口或8位并行接口與外部主機(jī)通信，RS232/RS422/485通信方式可以編程 選擇。通過MAX232電平轉(zhuǎn)換芯片，RS232接口允許PC主機(jī)直接對(duì)MCK201寄存器的內(nèi)容進(jìn)行配置和監(jiān)控系統(tǒng)的運(yùn)行狀態(tài)。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(yùn)行。

　　電機(jī)控制接口

　　IRMCK201芯片具有6路SVPWM輸出，通過光耦與IR2136芯片驅(qū)動(dòng)三相橋式逆變器的功率開關(guān)器件IGBT，也可以與智能功率模塊直接接口。驅(qū) 動(dòng)芯片IR2136具有防止同一橋臂直通邏輯，以及欠壓、過流關(guān)閉所有輸出的功能。IRMCK201提供了與IR2175線性電流傳感芯片的直接接口引 腳，IR2175的最大輸人電壓為260mV，具有將模擬輸入信號(hào)轉(zhuǎn)換為130kHzPWM信號(hào)的能力。

　　IRMCK201帶有編碼器接口電路，編碼器脈沖數(shù)從200～10，000個(gè)轉(zhuǎn)，脈沖頻率可高達(dá)1MHz，可以方便地組成速度伺服控制系統(tǒng)。它可以與多種編碼器連接，可接收有相互正交的ENA、ENB信號(hào)及零點(diǎn)標(biāo)志信號(hào)，以及三路HALL信號(hào)輸人，這三路路信號(hào)既可以獨(dú)立使用，也可以復(fù)用。系統(tǒng)上電 時(shí)，IRMCK201可以通過HALL傳感器信號(hào)及Z脈沖位置估計(jì)出永磁同步電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子磁極的初始位置。

　　控制輸入與狀態(tài)指示接口

　　IRMCK201具有控制輸入與狀態(tài)指示等數(shù)字IO引腳?？刂戚斎诵盘?hào)包括啟動(dòng)、停止、運(yùn)轉(zhuǎn)方向、故障清除等;狀態(tài)指示信號(hào)包括系統(tǒng)故障指示、PWM輸出 使能、同步指示等。

　　串行存儲(chǔ)器接口

　　IRMCK201具有串行存儲(chǔ)器接口，芯片上電復(fù)位后自行通過I2C總線讀取存儲(chǔ)器中所配置的數(shù)據(jù)，而不需主機(jī)干預(yù)。因此，系統(tǒng)可以在沒有主機(jī)控制的情況下單獨(dú)運(yùn)行，其初始化數(shù)據(jù)通過讀取串行存儲(chǔ)器的內(nèi)容得到。

　　控制器參數(shù)配置

　　利用安裝在PC機(jī)上的ServerDesigner軟件工具，將電機(jī)參數(shù)和控制參數(shù)下載到MCK201中的寄存器中，完成控制系統(tǒng)的配置，不需要軟件編 程。電機(jī)參數(shù)包括額定轉(zhuǎn)速、繞組的電阻、電感、額定電流、電機(jī)慣量、極數(shù)、空載電流值、編碼器精度和類型，對(duì)于永磁同步電動(dòng)來說，還有電壓常數(shù)、轉(zhuǎn)矩常數(shù)?？刂茀?shù)包括PI調(diào)節(jié)器參數(shù)、加減速時(shí)間，以及PWM載波頻率和死區(qū)時(shí)間等。

　　結(jié)語

　　對(duì)先進(jìn)的馬達(dá)控制器而言，隨著應(yīng)用范圍與轉(zhuǎn)速要求的持續(xù)成長(zhǎng)，發(fā)展商需要快速配置解決方案以滿足日益提升的效能要求。一個(gè)包含了最佳化的模擬控制、電力切換及驅(qū)動(dòng)技術(shù)，以及基于高效能硬件的數(shù)字控制的運(yùn)動(dòng)控制設(shè)計(jì)平臺(tái)，便能夠同時(shí)解決開發(fā)時(shí)程與效能要求的問題。而隨著可簡(jiǎn)單構(gòu)裝的緩存器的單芯片數(shù)字控制器 出現(xiàn)，對(duì)于缺少專業(yè)的軟件或電力系統(tǒng)設(shè)計(jì)能力的人而言，這個(gè)控制器可以降低其設(shè)計(jì)風(fēng)險(xiǎn)。