交流伺服集成驅(qū)動器設計分析

       交流伺服驅(qū)動控制包括交流異步電動機與永磁同步電動機的驅(qū)動控制。傳統(tǒng)的交流伺服驅(qū)動控制，需要建立定制的伺服控制系統(tǒng)。雖然提供定制運算的軟件設計平臺可以減輕編碼設計的腦力勞動，但目前的應用幾乎已經(jīng)到達了以軟件為基礎(chǔ)的解決方案的極限。因此，需要一個能夠簡化設計并提供更高的效能新方法。

　　 集成設計平臺

　　 傳統(tǒng)的電機驅(qū)動控制器設計，不僅易于出現(xiàn)一些“軟性”錯誤，同時也很難滿足快速多邊的市場對開發(fā)時間的要求。對電機驅(qū)動控制器設計者而言，一個包含可配置 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)動電路決方案的運動控制設計平臺可以大幅簡化設計工作。國際整流器（IR）公司推出的整合了硬件與軟 件的IRMCS201設計平臺，成為AC伺服驅(qū)動運動控制器設計平臺的典范。該設計平臺包括伺服驅(qū)動控制器與ServerDesigner軟件工具。伺服驅(qū)動控制器的核心是電機控制專用芯片IRMCK201。圍繞國際整流器公司的運動控制引擎（Motion Control Engine，MCE）所設計的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倍的運算速度。MCE的速度更快是由于它被設置為成平行硬件控制器信號處理器，避免了傳統(tǒng)微控制器或DSP架構(gòu)所遇到的困難，以至能夠達到模擬控制的頻寬，同時提供更多的彈性與增強的數(shù)字控制效能。因此，MCE可以支持更高的力矩控制頻寬，實現(xiàn)更多的其它控制與外圍功能，而不會超出有效周期時間。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)動控制器硬件設計參考。

　　為電機控制專用芯片的應用而開發(fā)的軟件工具ServerDesigner，安裝在PC機上。客戶只需利用ServerDesigner軟件，透過芯片上的 通訊端口，配置芯片上的存儲器，便可根據(jù)特定的需要來調(diào)整控制，以滿足所需的設計規(guī)格。主通訊邏輯包含了應用于RS232C、RS422或RS485通訊 的異步通訊接口，以及一個快速的SPI接口和一個8位寬的主并行接口（Host Parallel Interface）。所有的通訊端口都對存儲器有相同的存取能力，可以讓用戶讀寫每一個選取的存儲單元，并借助任何可用的端口進行配置與檢測驅(qū)動。使得原本復雜的設計流程得到簡化。iMotion IP核心模塊所設定的伺服驅(qū)動控制演算架構(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。若要實現(xiàn)位置伺服控制，則還需要一個位置控制器，如圖2所示。這是因為位置控制比較靈活、很難做到通用性。

　　  伺服控制器設計

　　  根據(jù)IRMCS201設計平臺所提供的伺服驅(qū)動控制器硬件設計參考，可設計出如圖3所示的伺服驅(qū)動控制器。

　　主機接口

　　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主機直接對MCK201寄存器的內(nèi)容進行配置和監(jiān)控系統(tǒng)的運行狀態(tài)。不同通信方式通常都處于激活狀態(tài)，可以相互切換，但不能同時運行。

　　電機控制接口

　　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轉(zhuǎn)換為130kHzPWM信號的能力。

　　IRMCK201帶有編碼器接口電路，編碼器脈沖數(shù)從200～10，000個轉(zhuǎn)，脈沖頻率可高達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信號及零點標志信號，以及三路HALL信號輸人，這三路路信號既可以獨立使用，也可以復用。系統(tǒng)上電 時，IRMCK201可以通過HALL傳感器信號及Z脈沖位置估計出永磁同步電動機轉(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。控制輸人信號包括啟動、停止、運轉(zhuǎn)方向、故障清除等;狀態(tài)指示信號包括系統(tǒng)故障指示、PWM輸出 使能、同步指示等。

　　串行存儲器接口

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

　　控制器參數(shù)配置

　　利用安裝在PC機上的ServerDesigner軟件工具，將電機參數(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。電機參數(shù)包括額定轉(zhuǎn)速、繞組的電阻、電感、額定電流、電機慣量、極數(shù)、空載電流值、編碼器精度和類型，對于永磁同步電動來說，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)、加減速時間，以及PWM載波頻率和死區(qū)時間等。

　　結(jié)語

　　對先進的馬達控制器而言，隨著應用范圍與轉(zhuǎn)速要求的持續(xù)成長，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。一個包含了最佳化的模擬控制、電力切換及驅(qū)動技術(shù)，以及基于高效能硬件的數(shù)字控制的運動控制設計平臺，便能夠同時解決開發(fā)時程與效能要求的問題。而隨著可簡單構(gòu)裝的緩存器的單芯片數(shù)字控制器 出現(xiàn)，對于缺少專業(yè)的軟件或電力系統(tǒng)設計能力的人而言，這個控制器可以降低其設計風險。