高性能數字運動控制芯片IRMCK201功能及其應用

關鍵詞：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的需求?設計出了基于ＦＰＧＡ技術的完整的伺服驅動控制解決方案ＩＲＭＣＫ２０１芯片。與傳統的運動控制專用ＤＳＰ芯片不同的是，ＩＲＭＣＫ２０１不僅包含運動控制的外圍功能? 如ＰＷＭ、編碼計數電路、電流傳感接口等?，而且也包含通過硬件實現的ＦＯＣ算法和速度控制算法，從而省略了編程任務?簡化了高性能交流伺服系統的設計，此外它還適用于不同類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，其主要電氣特點如下：

●完整的電流閉環控制和速度閉環控制；

●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；

●最大時鐘輸入３３.３ＭＨｚ,最大ＰＷＭ載波頻率８３.３ｋＨｚ,電流環帶寬５.５ｋＨｚ,速度環更新率５／１０ｋＨｚ;

●具有與高壓線性電流傳感器ＩＲ２１７５、高壓驅動芯片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范圍從２００ＰＰＲ～１００００ＰＰＲ；

●可以監視直流母線電壓；

●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；

●通過主機寄存器接口，ＡＴ２４Ｃ０１Ａ可對內部數據／參數進行初始化；

●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，如帶死區時間設置的空間矢量ＰＷＭ、ＰＡＲＫ變換和Ｃｌａｒｋ變換、電流環ＰＩ調節器、速度環ＰＩ調節器、速度測量單元等，這樣用戶就省去了編寫代碼的任務，簡化了復雜的設計過程。

ＩＲＭＣＫ２０１通過硬件邏輯實現伺服控制功能，芯片的接口可以靈活配置，因而為了實現不同的控制算法，可以通過接口對ＩＲＭＣＫ２０１進行參數設置。以矢量控制的感應電機為例，在內部控制結構中有一個前饋滑模增益路徑，可以通過設置相關寄存器來實現這種控制功能。也就是說，上位機僅需將“１”或“０”寫入相關寄存器中，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，只需了解它內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行配置，即可迅速實現各種功能。例如，要為逆變器設置一個開關頻率為１０ｋＨｚ的ＰＷＭ驅動信號，用戶不需要編寫程序代碼來實現這個ＰＷＭ信號的算法，只需要對相關寄存器賦值即可。

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,其運行參數通過外部ＥＥＰＲＯＭ來保存,上電時自動從ＥＥＰＲＯＭ中讀取參數。

現以具有電流環和速度環的永磁無刷電機控制系統為例，分析系統的結構。

通過配置相關寄存器使能速度閉環控制。對于電流環，由電流傳感器ＩＲ２１７５采樣電機Ｖ相和Ｗ相繞組電流，經過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Ｐａｒｋ變換與矢量旋轉被分解為產生磁通的勵磁電流分量和產生轉矩的轉矩電流分量?這兩個直流量具有獨立的比例積分調節器。對于速度環，由光電編碼信號通過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生速度偏差。這個偏差經過速度ＰＩ調節器產生一個對應的轉矩電流Ｉｑ，當采用Ｉｄ＝０控制時，Ｉｄ、Ｉｑ即是內部電流環的給定值，它們與實際反饋電流比較產生電流偏差?電流偏差經過電流環ＰＩ調節以后產生輸出電壓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?然后經過空間矢量ＰＷＭ計算后?給逆變器的功率模塊發出合適的開關信號，控制功率模塊開關工作。

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、鎖相環和系統時鐘接口、控制輸入和狀態指示接口、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動芯片ＩＲ２１３６進行連接來驅動ＭＯＳＦＥＴ或ＩＧＢＴ?也可以直接與智能功率模塊（ＩＰＭ）的６個驅動信號接口相連。同時還提供驅動故障反饋接口。

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控系統的運行。ＲＳ２３２／ＲＳ４２２通信方式可以根據通訊距離進行選擇。

ＲＳ２３２接口通過ＭＡＸ２３２進行電平轉換，它允許ＰＣ直接對其進行寄存器的配置修改及狀態讀取，通信波特率可以通過外部引腳來設置。ＳＰＩ接口方式中，芯片處于從方式，通信最高時鐘可達８ＭＨｚ，可以實現與主機高速通信。不同通信方式通常都處于激活狀態，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。它可以與多種編碼器接口?脈沖數為２００～１００００ 個／ 轉?脈沖頻率最高可達１ＭＨｚ。編碼器接口具有相互正交的ＥＮＡ、ＥＮＢ編碼信號及零點標志信號接口，同時還具有三路ＨＡＬＬ信號輸入接口。系統上電時可以通過ＨＡＬＬ傳感器及Ｚ脈沖估算編碼器初始值。

３．４ 控制輸入及狀態指示接口

控制輸入信號包括啟動、停止、轉動方向、輸出使能、故障復位、主機狀態等；狀態指示信號包括系統故障指示、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動電路轉換到低端驅動電路?以便控制電路進行處理。在伺服電機相繞組回路中串聯一個取樣電阻，隨著電機相電流的變化?取樣電阻兩端產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數字信號，經過電平轉換，ＰＷＭ信號被轉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生電壓應小于或等于２６０ｍＶ。對于信號的處理，可將ＩＲ２１７５通過光耦直接與ＩＲＭ-ＣＫ２０１進行連接，再在ＩＲＭＣＫ２０１內部進行電流計算。

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，不能作為電流環的反饋，也就是說ＡＤＳ７８１８不可以取代ＩＲ２１７５對相電流進行取樣。

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控制算法的實現，并完成系統的鍵盤和顯示功能。ＩＲＭＣＫ２０１內部硬件電路完成系統的電流環、速度環控制，最終產生ＳＶＰＷＭ驅動信號，以完成對功率模塊的開關控制，同時通過Ａ／Ｄ接口對母線電壓進行監測，以實現過壓保護功能。系統采用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集成芯片ＩＲ２１３６和６個ＩＧＢＴ，其輸入驅動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、速度環控制和過流、過壓、欠壓等保護功能都由ＩＲＭＣＫ２０１內部硬件實現，所以系統軟件主要是用ＤＳＰ實現交流伺服系統位置環的控制和對ＩＲＭＣＫ２０１的通訊，相比之下程序設計比較簡單。圖４所示為ＤＳＰ的主程序流程和位置環中斷服務子程序。

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