利用運動控制IC簡化設計并實現高性能

伺服控制系統設計最關鍵的部分是控制算法的開發，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現反饋控制的關鍵變量。
在傳統實現中，所有控制單元都通過在運動控制芯片DSP或者MCU中的軟件代碼實現。在DSP及MCU的時時控制環境中，電流環控制通過高優先權任務隊列實現，需要精通時時控制方面的知識。在電機的控制中，任務進程的執行往往由專門的硬件事件/中斷驅動，需要連續的指令代碼來時時精確控制硬件的執行。而且對于應用在伺服以及無傳感器的磁場定向控制(FOC)中，軟件通常用匯編語言，以滿足快速的計算和更新率等高動態性能增長的需要。有時需要采用專門的代碼技術以克服傳統的計算滯后問題，如采用shift指令快速實現乘/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，最后得到一個較大的可執行目標代碼，包含閉環控制、用戶接口時序以及網絡通訊等。如果存在錯誤，必須在源代碼中進行重新編譯和連接并產生修改后的可執行源代碼，為了達到最終的產品階段這個過程往往需要重復很多次。
因此，開發和實現一個高性能的伺服系統或者無傳感器的交流驅動系統，快速的運動控制算法是一項最具挑戰性的任務。

運動控制引擎(MCE)
為了實現高性能的伺服應用和無傳感器控制應用，IR最近開發了新型的——IRMCK201 和IRMCK203數字運動控制芯片。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系統的設計，具有快速的高性能伺服驅動能力，而 IRMCK203主要針對于永磁交流電機的正弦無傳感器的高性能控制，電機控制參數的調整都是通過硬件實現。IRMCK201和傳統的運動控制用DSP芯片不同的是，它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，即運動控制引擎。
MCE通過控制單元(如比例積分、矢量旋轉、Clark變換等)來實現閉環控制、運動型的外圍硬件控制(如空間矢量PWM、電機電流反饋接口、解碼器反饋)，使能并行多環控制的時序控制邏輯。閉環速度控制和閉環電流控制的同步執行機制都包含在邏輯硬件中，因而不需要多任務控制功能。
內部結構
IRMCK201通過硬件邏輯實現伺服控制功能，因而為了實現不同的控制算法，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矢量角產生的前反饋滑模增益路徑，所以可以通過關閉相關的開關來實現這種類型的控制功能。PC僅需通過寫入“1”或者“0”到相關的寄存器中，以關閉開關就可以實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固定功能的硬件邏輯IC。為了滿足新的電機控制參數及其微調，它的硬件配置過程非常簡單。
計算速度和動態性能
運動控制引擎的一個明顯優點就是在確定的時間里可以完成閉環控制算法所需要的短時計算。計算速度直接影響到伺服系統扭矩和速度的動態性能，閉環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間。
盡管DSP和MCU的伺服驅動控制應用靈活，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生瓶頸，它仍然不是完全意義上的伺服驅動控制。利用有運動控制引擎的IRMCK201，系統可以突破了這個障礙，它能以40kHz的PWM更新率或者較大頻率更新率運行。
當使用IRMCK203來實現無傳感器的閉環電流控制時，其計算時間可以大大縮短，例如家庭空調系統中壓縮電機的無傳感控制。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，為了對無傳感器的的速度控制進行計算，所需要的時間大約為60ms。由于空調系統需要有無傳感算法的電機控制、風扇電機控制以及PFC控制，而為了滿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間。當使用IRMCK203時，其計算時間可以縮短到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40kHz的應用來說，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來開關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是典型的電壓開關波形和電機電流波形圖。

應用及開發工具
把IRMCK201設計到實時的壽命電路中是一項具有挑戰性的工作，但是為了實現完全意義上的伺服驅動系統，IR公司充分考慮到從樣品到產品發布的設計要求。功率電子電路的設計、模擬信號的處理、開關電源電路的設計以及傳感接口電路的設計都是為了實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，需要很高的硬件設計技術知識和很強的技術經驗，而這對于大多數的硬件設計師來說往往是最大的技術障礙。
IRMCS2011/IRMCS2031實現1kW的設計平臺
使用IRMCK201芯片開發的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標準，非常接近實際產品。在IRMCS2011中唯一缺少的是外殼以及面板，所以使用者無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芯片的開發工具包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。這兩個功率智能模塊都是基于IMS技術設計，內部集成有IR2136三相高壓門驅動IC，使用單穩高壓的IR2175來實現電機電流傳感。如果采用SO-8封裝的IR2175芯片和IRMCK201來實現復雜閉環電機控制，其體積將會很小，而且電流傳感也很容易實現。在IRMCS2031系統中，也可以采用3腳的電流互感器以實現電流傳感。IRMCK201 和 IRMCK203運動控制芯片通過結合智能IGBT模塊和IR2175電流傳感芯片，不但簡化了應用者的設計任務，而且減少了元器件數、節約了電路板的空間。
IRMCS2011包含過流/短路保護電路，還帶有多輸出的開關模式電源接口以及所有必須的傳感接口電路。
ServoDesigner工具
ServoDesigner對寄存器進行讀和寫，來幫助設計者對參數進行相應的設置，如定義所需要訪問的寄存器、改變寄存器的名稱、對讀和寫的寄存器組進行分組。使用者也可以自定義和增加新的功能來擴展運動控制的范圍，以及驗證專門的性能。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，并通過這種交互式的運動特性曲線快速驗證所需要的性能。
ServoDesigner還帶有故障診斷功能，無需任何配置就可以在運行過程中，將故障及運行狀態顯示在屏幕上。
如果使用Excel軟件，寄存器的配置可以進一步得到簡化。ServoDesigner提供了一個輔助的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、編碼器行數寫入表格之后，表格計算并產生寫入到專門寄存器里的數值，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來啟動運行，也可以使用不帶ServoDesigner的獨立運行模式。

結語
在未來的數字運動控制芯片中，運動控制引擎將會變成硬件計算的核心，主要應用于高性能的伺服驅動場合。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發周期。■

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