高性能數(shù)字運動控制芯片IRMCK201功能及其應(yīng)用

關(guān)鍵詞：IRMCK201；交流伺服；矢量控制；空間矢量脈寬調(diào)制

１　概述

國際整流器件公司（ＩＲ）針對高性能交流伺服驅(qū)動的需求?設(shè)計出了基于ＦＰＧＡ技術(shù)的完整的伺服驅(qū)動控制解決方案ＩＲＭＣＫ２０１芯片。與傳統(tǒng)的運動控制專用ＤＳＰ芯片不同的是，ＩＲＭＣＫ２０１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，從而省略了編程任務(wù)?簡化了高性能交流伺服系統(tǒng)的設(shè)計，此外它還適用于不同類型的永磁電機或感應(yīng)電機，因而有很好的應(yīng)用前景。

ＩＲＭＣＫ２０１采用標(biāo)準(zhǔn)的１００管腳封裝形式，其主要電氣特點如下：

●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(yīng)電機或者永磁電機的控制系統(tǒng)；

●帶死區(qū)的空間矢量ＰＷＭ；

●最大時鐘輸入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;

●具有與高壓線性電流傳感器ＩＲ２１７５、高壓驅(qū)動芯片ＩＲ２１３ｘ、霍爾Ａ／Ｂ／Ｃ信號、光電編碼器、ＲＳ２３２或ＲＳ４２２、快速ＳＰＩ的接口；

圖1

●配置光電碼盤的線數(shù)范圍從２００ＰＰＲ～１００００ＰＰＲ；

●可以監(jiān)視直流母線電壓；

●可以配置模擬參考輸入；

●２ＭＨｚ的計數(shù)器改善低速性能；

●具有４路采樣／保持的Ａ／Ｄ轉(zhuǎn)換接口；

●通過主機寄存器接口，ＡＴ２４Ｃ０１Ａ可對內(nèi)部數(shù)據(jù)／參數(shù)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(nèi)部功能結(jié)構(gòu)

圖１為ＩＲＭＣＫ２０１內(nèi)部詳細(xì)控制結(jié)構(gòu)圖。從圖中可以看出，作為運動控制芯片，ＩＲＭＣＫ２０１在硬件上具備了伺服控制所必需的控制單元，如帶死區(qū)時間設(shè)置的空間矢量ＰＷＭ、ＰＡＲＫ變換和Ｃｌａｒｋ變換、電流環(huán)ＰＩ調(diào)節(jié)器、速度環(huán)ＰＩ調(diào)節(jié)器、速度測量單元等，這樣用戶就省去了編寫代碼的任務(wù)，簡化了復(fù)雜的設(shè)計過程。

ＩＲＭＣＫ２０１通過硬件邏輯實現(xiàn)伺服控制功能，芯片的接口可以靈活配置，因而為了實現(xiàn)不同的控制算法，可以通過接口對ＩＲＭＣＫ２０１進(jìn)行參數(shù)設(shè)置。以矢量控制的感應(yīng)電機為例，在內(nèi)部控制結(jié)構(gòu)中有一個前饋滑模增益路徑，可以通過設(shè)置相關(guān)寄存器來實現(xiàn)這種控制功能。也就是說，上位機僅需將“１”或“０”寫入相關(guān)寄存器中，就可使該控制功能ＩＲＭ-ＣＫ２０１也支持其它結(jié)構(gòu)，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。也就是說采用ＩＲＭＣＫ２０１配置伺服系統(tǒng)，只需了解它內(nèi)部的功能模塊和寄存器的情況，并通過上位機對它的寄存器進(jìn)行配置，即可迅速實現(xiàn)各種功能。例如，要為逆變器設(shè)置一個開關(guān)頻率為１０ｋＨｚ的ＰＷＭ驅(qū)動信號，用戶不需要編寫程序代碼來實現(xiàn)這個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(shù)通過外部ＥＥＰＲＯＭ來保存,上電時自動從ＥＥＰＲＯＭ中讀取參數(shù)。

現(xiàn)以具有電流環(huán)和速度環(huán)的永磁無刷電機控制系統(tǒng)為例，分析系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)。

通過配置相關(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ＩＲＭＣＫ２０１內(nèi)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Ｐａｒｋ變換與矢量旋轉(zhuǎn)被分解為產(chǎn)生磁通的勵磁電流分量和產(chǎn)生轉(zhuǎn)矩的轉(zhuǎn)矩電流分量?這兩個直流量具有獨立的比例積分調(diào)節(jié)器。對于速度環(huán)，由光電編碼信號通過ＩＲＭＣＫ２０１內(nèi)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。這個偏差經(jīng)過速度ＰＩ調(diào)節(jié)器產(chǎn)生一個對應(yīng)的轉(zhuǎn)矩電流Ｉｑ，當(dāng)采用Ｉｄ＝０控制時，Ｉｄ、Ｉｑ即是內(nèi)部電流環(huán)的給定值，它們與實際反饋電流比較產(chǎn)生電流偏差?電流偏差經(jīng)過電流環(huán)ＰＩ調(diào)節(jié)以后產(chǎn)生輸出電壓Ｕｓ－ｑ和Ｕｓ－ｄ?在旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系ｄ、ｑ? 。電壓Ｕｓ－ｑ和Ｕｓ－ｄ被反變換成靜止坐標(biāo)系下的電壓分量?然后經(jīng)過空間矢量ＰＷＭ計算后?給逆變器的功率模塊發(fā)出合適的開關(guān)信號，控制功率模塊開關(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(tǒng)時鐘接口、控制輸入和狀態(tài)指示接口、電流傳感器ＩＲ２１７５接口。

３．１ ＰＷＭ門極信號接口

ＩＲＭＣＫ２０１提供６路ＳＶＰＷＭ輸出?通過光耦與三相橋驅(qū)動芯片ＩＲ２１３６進(jìn)行連接來驅(qū)動ＭＯＳＦＥＴ或ＩＧＢＴ?也可以直接與智能功率模塊（ＩＰＭ）的６個驅(qū)動信號接口相連。同時還提供驅(qū)動故障反饋接口。

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ＲＳ２３２／ＲＳ４２２、ＳＰＩ接口或８ 位并行接口來配置和監(jiān)控系統(tǒng)的運行。ＲＳ２３２／ＲＳ４２２通信方式可以根據(jù)通訊距離進(jìn)行選擇。

ＲＳ２３２接口通過ＭＡＸ２３２進(jìn)行電平轉(zhuǎn)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外部引腳來設(shè)置。ＳＰＩ接口方式中，芯片處于從方式，通信最高時鐘可達(dá)８ＭＨｚ，可以實現(xiàn)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伺服控制系統(tǒng)。它可以與多種編碼器接口?脈沖數(shù)為２００～１００００ 個／ 轉(zhuǎn)?脈沖頻率最高可達(dá)１ＭＨｚ。編碼器接口具有相互正交的ＥＮＡ、ＥＮＢ編碼信號及零點標(biāo)志信號接口，同時還具有三路ＨＡＬＬ信號輸入接口。系統(tǒng)上電時可以通過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、停止、轉(zhuǎn)動方向、輸出使能、故障復(fù)位、主機狀態(tài)等；狀態(tài)指示信號包括系統(tǒng)故障指示、同步指示及兩個雙色指示燈。可以直接通過對輸入引腳的操作來控制電機的運行。

３．５ 電流傳感器ＩＲ２１７５接口

ＩＲ２１７５線性電流傳感器可以將電流信號從伺服電機的高端驅(qū)動電路轉(zhuǎn)換到低端驅(qū)動電路?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)一個取樣電阻，隨著電機相電流的變化?取樣電阻兩端產(chǎn)生一個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(shù)字信號，經(jīng)過電平轉(zhuǎn)換，ＰＷＭ信號被轉(zhuǎn)換成了以地為參考點的信號。ＩＲ２１７５ 的輸入電壓變化范圍為－２６０ｍＶ～＋２６０ｍＶ，因此過載電流流過取樣電阻時所產(chǎn)生電壓應(yīng)小于或等于２６０ｍＶ。對于信號的處理，可將ＩＲ２１７５通過光耦直接與ＩＲＭ-ＣＫ２０１進(jìn)行連接，再在ＩＲＭＣＫ２０１內(nèi)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(zhuǎn)換器相連的接口，通過多路復(fù)用器ＣＤ４０５２可以輸入四路模擬信號，分別為轉(zhuǎn)速或轉(zhuǎn)矩大小控制的模擬輸入、直流母線電壓的采樣輸入和其它電流傳感器如ＨＡＬＬ電流傳感器送來的兩路相電流信號。但是這里采樣的相電流信號只能作為過流保護，不能作為電流環(huán)的反饋，也就是說ＡＤＳ７８１８不可以取代ＩＲ２１７５對相電流進(jìn)行取樣。

４　應(yīng)用

本文利用ＩＲＭＣＫ２０１與ＴＩ公司的ＤＳＰ芯片ＴＭＳ３２０ＬＦ２４０７設(shè)計了應(yīng)用于數(shù)控機床的永磁無刷交流伺服系統(tǒng)。

４．１ 系統(tǒng)硬件設(shè)計結(jié)構(gòu)框圖

系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)框圖如圖３所示，整個系統(tǒng)由以下幾部分組成：

（１）控制部分

該交流伺服系統(tǒng)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(tǒng)位置環(huán)控制算法的實現(xiàn)，并完成系統(tǒng)的鍵盤和顯示功能。ＩＲＭＣＫ２０１內(nèi)部硬件電路完成系統(tǒng)的電流環(huán)、速度環(huán)控制，最終產(chǎn)生ＳＶＰＷＭ驅(qū)動信號，以完成對功率模塊的開關(guān)控制，同時通過Ａ／Ｄ接口對母線電壓進(jìn)行監(jiān)測，以實現(xiàn)過壓保護功能。系統(tǒng)采用２０００ＰＰＲ的增量式光電碼盤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(tǒng)的抗干擾性，本系統(tǒng)采用高速光耦將系統(tǒng)的控制部分和功率部分進(jìn)行隔離。

（２）主電路部分

本系統(tǒng)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(qū)動集成芯片ＩＲ２１３６和６個ＩＧＢＴ，其輸入驅(qū)動信號的最高頻率可達(dá)２０ｋＨｚ。

４．２ 系統(tǒng)程序設(shè)計

由于系統(tǒng)的電流環(huán)、速度環(huán)控制和過流、過壓、欠壓等保護功能都由ＩＲＭＣＫ２０１內(nèi)部硬件實現(xiàn)，所以系統(tǒng)軟件主要是用ＤＳＰ實現(xiàn)交流伺服系統(tǒng)位置環(huán)的控制和對ＩＲＭＣＫ２０１的通訊，相比之下程序設(shè)計比較簡單。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(tǒng)采用了ＩＲＭＣＫ２０１芯片，結(jié)合使用ＴＩ公司的ＤＳＰ芯片ＴＭＳ３２０ＬＦ２４０７，大大簡化了系統(tǒng)的軟硬件設(shè)計，縮短了系統(tǒng)開發(fā)周期，提高了系統(tǒng)的可靠性，從而實現(xiàn)了高性能的交流伺服系統(tǒng)。