交流伺服集成驅動(dòng)器設計分析

       交流伺服驅動(dòng)控制包括交流異步電動(dòng)機與永磁同步電動(dòng)機的驅動(dòng)控制。傳統的交流伺服驅動(dòng)控制，需要建立定制的伺服控制系統。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(dòng)，但目前的應用幾乎已經(jīng)到達了以軟件為基礎的解決方案的極限。因此，需要一個(gè)能夠簡(jiǎn)化設計并提供更高的效能新方法。

　　 集成設計平臺

　　 傳統的電機驅動(dòng)控制器設計，不僅易于出現一些“軟性”錯誤，同時(shí)也很難滿(mǎn)足快速多邊的市場(chǎng)對開(kāi)發(fā)時(shí)間的要求。對電機驅動(dòng)控制器設計者而言，一個(gè)包含可配置 的數字及模擬控制技術(shù)，以及功率電路與功率開(kāi)關(guān)器件驅動(dòng)電路決方案的運動(dòng)控制設計平臺可以大幅簡(jiǎn)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伺服驅動(dòng)運動(dòng)控制器設計平臺的典范。該設計平臺包括伺服驅動(dòng)控制器與ServerDesigner軟件工具。伺服驅動(dòng)控制器的核心是電機控制專(zhuān)用芯片IRMCK201。圍繞國際整流器公司的運動(dòng)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芯片組內的MCE可以在6μs內執行完磁場(chǎng)定向控制（Field Oriented Control，FOC）控制，而高效能可編程DSP則需要15～20μs，獲得了比傳統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，避免了傳統微控制器或DSP架構所遇到的困難，以至能夠達到模擬控制的頻寬，同時(shí)提供更多的彈性與增強的數字控制效能。因此，MCE可以支持更高的力矩控制頻寬，實(shí)現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數據庫挑選出 來(lái)的合適模擬與電力電子組件精密配合，為用戶(hù)提供了伺服驅動(dòng)控制器硬件設計參考。

　　為電機控制專(zhuān)用芯片的應用而開(kāi)發(fā)的軟件工具ServerDesigner，安裝在PC機上?？蛻?hù)只需利用ServerDesigner軟件，透過(guò)芯片上的 通訊端口，配置芯片上的存儲器，便可根據特定的需要來(lái)調整控制，以滿(mǎn)足所需的設計規格。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(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存儲器有相同的存取能力，可以讓用戶(hù)讀寫(xiě)每一個(gè)選取的存儲單元，并借助任何可用的端口進(jìn)行配置與檢測驅動(dòng)。使得原本復雜的設計流程得到簡(jiǎn)化。iMotion IP核心模塊所設定的伺服驅動(dòng)控制演算架構如圖1所示。從圖1可以看出IR公司的電機控制專(zhuān)用芯片僅包含速度調節控制和電流控制。若要實(shí)現位置伺服控制，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IRMCS201設計平臺所提供的伺服驅動(dòng)控制器硬件設計參考，可設計出如圖3所示的伺服驅動(dòng)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(guò)MAX232電平轉換芯片，RS232接口允許PC主機直接對MCK201寄存器的內容進(jìn)行配置和監控系統的運行狀態(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(shí)運行。

　　電機控制接口

　　IRMCK201芯片具有6路SVPWM輸出，通過(guò)光耦與IR2136芯片驅動(dòng)三相橋式逆變器的功率開(kāi)關(guān)器件IGBT，也可以與智能功率模塊直接接口。驅 動(dòng)芯片IR2136具有防止同一橋臂直通邏輯，以及欠壓、過(guò)流關(guān)閉所有輸出的功能。IRMCK201提供了與IR2175線(xiàn)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換為130kHzPWM信號的能力。

　　IRMCK201帶有編碼器接口電路，編碼器脈沖數從200～10，000個(gè)轉，脈沖頻率可高達1MHz，可以方便地組成速度伺服控制系統。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(diǎn)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。系統上電 時(shí)，IRMCK201可以通過(guò)HALL傳感器信號及Z脈沖位置估計出永磁同步電動(dòng)機轉子磁極的初始位置。

　　控制輸入與狀態(tài)指示接口

　　IRMCK201具有控制輸入與狀態(tài)指示等數字IO引腳?？刂戚斎诵盘柊▎?dòng)、停止、運轉方向、故障清除等;狀態(tài)指示信號包括系統故障指示、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(guò)I2C總線(xiàn)讀取存儲器中所配置的數據，而不需主機干預。因此，系統可以在沒(méi)有主機控制的情況下單獨運行，其初始化數據通過(guò)讀取串行存儲器的內容得到。

　　控制器參數配置

　　利用安裝在PC機上的ServerDesigner軟件工具，將電機參數和控制參數下載到MCK201中的寄存器中，完成控制系統的配置，不需要軟件編 程。電機參數包括額定轉速、繞組的電阻、電感、額定電流、電機慣量、極數、空載電流值、編碼器精度和類(lèi)型，對于永磁同步電動(dòng)來(lái)說(shuō)，還有電壓常數、轉矩常數?？刂茀蛋≒I調節器參數、加減速時(shí)間，以及PWM載波頻率和死區時(shí)間等。

　　結語(yǔ)

　　對先進(jìn)的馬達控制器而言，隨著(zhù)應用范圍與轉速要求的持續成長(cháng)，發(fā)展商需要快速配置解決方案以滿(mǎn)足日益提升的效能要求。一個(gè)包含了最佳化的模擬控制、電力切換及驅動(dòng)技術(shù)，以及基于高效能硬件的數字控制的運動(dòng)控制設計平臺，便能夠同時(shí)解決開(kāi)發(fā)時(shí)程與效能要求的問(wèn)題。而隨著(zhù)可簡(jiǎn)單構裝的緩存器的單芯片數字控制器 出現，對于缺少專(zhuān)業(yè)的軟件或電力系統設計能力的人而言，這個(gè)控制器可以降低其設計風(fēng)險。