單片運動控制引擎集成電路的高性能交流驅(qū)動系統(tǒng)
| 摘要 IRMCK201和IRMCK203是用于高性能交流驅(qū)動系統(tǒng)的完整閉環(huán)電流控制和速度控制的新型集成電路，是一種單芯片解決方案。不同于傳統(tǒng)的微控制器或者數(shù)字信號處理器（DSP）技術(shù)，IRMCK201和IRMCK203不需要任何編程就可以進行復(fù)雜的交流伺服算法開發(fā)。配合使用國際整流器公司的高壓柵極驅(qū)動和電流測量集成電路，用戶可以用最少的組件實現(xiàn)完整的交流伺服和無速度傳感器控制，所需的設(shè)計和計算量很少。IRMCK201和IRMCK203中的所有控制算法是用Motion Control Engine （運動控制引擎，簡寫為MCE）中的專用硬件邏輯電路實現(xiàn)的，用于進行交流電流和速度的閉環(huán)控制。由于可以靈活地組態(tài)，它們的用途很廣。這兩種集成電路是用專用硬件來進行高實時性的運動控制計算，因而使用這些器件來做閉環(huán)控制，具有無與倫比的帶寬。使用 IRMCK201時，可以把驅(qū)動配置成為感應(yīng)電動機閉環(huán)矢量控制，或永磁電動機伺服驅(qū)動系統(tǒng)。使用IRMCK203 型集成電路，也可以輕易的實現(xiàn)永磁交流電動機的無速度傳感器控制。在這兩種集成電路中有豐富的運動外圍器件、模擬及數(shù)字I/O可供配置。它的主通信邏輯電路包括一個異步通信接口，作為 RS232C，或者RS422，或者RS485通信接口使用；它還有一個高速的SPI從接口和一個八位通用并行接口。這個集成電路采用緊湊的100 引腳和80引腳的塑封QFP封裝，可以很容易地集成到用戶的印刷電路板上。 對當(dāng)前運動控制設(shè)計過程的回顧 高性能伺服控制系統(tǒng)的設(shè)計是一件復(fù)雜的工作，通常涉及到不同技術(shù)領(lǐng)域的很多學(xué)科和專門技術(shù)。因此設(shè)計工程師們在設(shè)計高性能伺服控制的過程中，需要深入了解電力電子技術(shù)、硬件集成、先進的控制算法、靈活的用戶界面、網(wǎng)絡(luò)通信等專業(yè)知識。 在眾多設(shè)計因素中，控制算法對整個系統(tǒng)的性能具有至關(guān)重要的影響?？刂扑惴ㄖ邪ǜ鞣N與傳感器有關(guān)的環(huán)節(jié)，這些傳感器與電力電子電路和組件有著密切的關(guān)系。其中，位置、速度、電流都是很重要的變量，需要利用相應(yīng)的傳感器把它們反饋到系統(tǒng)中。 在控制三相交流電動機時，需要進行磁場定向控制（Field Orientation Control，簡稱FOC）。FOC就是對三相交流電流或電壓進行變換，從而實現(xiàn)對轉(zhuǎn)矩的線性控制。 FOC的策略是：測量三相電動機的電流并且將它變換成為轉(zhuǎn)矩電流和勵磁電流兩個分量，從而實現(xiàn)對轉(zhuǎn)矩控制的簡化（線性控制）。所以，所謂的閉環(huán)電流控制實際上包含兩個獨立的電流控制環(huán)路。一個是控制轉(zhuǎn)矩電流，另一個控制磁場電流。兩個環(huán)路的結(jié)構(gòu)一樣，都包含若干個控制環(huán)節(jié)。一些基本的控制環(huán)節(jié)包括：旋轉(zhuǎn)矢量變換、Clark座標(biāo)變換、比例加積分環(huán)節(jié)、脈沖寬度調(diào)制器（PWM），以及電流測量環(huán)節(jié)。 除了PWM發(fā)生和電流測量環(huán)節(jié)，所有的控制環(huán)節(jié)過去都是用運動控制DSP或微控制器中的軟件程序來實現(xiàn)的。在使用DSP或者微控制器進行實時控制時，這些電流控制環(huán)路是優(yōu)先執(zhí)行的任務(wù)。這需要設(shè)計人員對實時控制有深入準(zhǔn)確的把握，嚴(yán)格按順序執(zhí)行每個控制環(huán)節(jié)，在特定的時間段內(nèi)依次完成各個計算任務(wù)。 這些任務(wù)往往是通過某些硬件的事件/中斷來驅(qū)動，對軟件模塊的執(zhí)行時間要求非常精確，要求指令按特定順序執(zhí)行，從而在一定的時間操作硬件來驅(qū)動電機。 用于伺服控制和無速度傳感器控制的FOC軟件通常是匯編語言而不是高級語言編寫，因為這些程序往往需要極高的執(zhí)行速度和更新速度來滿足系統(tǒng)動態(tài)性能不斷提高的要求。有時，使用一些特殊的編程技術(shù)（也就是用轉(zhuǎn)移指令實現(xiàn)快速的乘法 / 除法功能），可以進行快速計算以克服計算能力不足的問題。 不論是用高級語言（例如C、C++等）還是用低級的匯編語言，也不論是用DSP還是用微控制器，都需要專業(yè)的編程技能將這些運動控制環(huán)節(jié)轉(zhuǎn)化成按一定順序進行的計算，其中包含數(shù)以千計的指令。然后，對軟件模塊（軟件通常是設(shè)計成由很多模塊組成）中的各段源程序進行編譯，并且把它們連接起來。最后，它變成一個龐大的可執(zhí)行目標(biāo)程序，其中包含所有的功能，例如閉環(huán)控制、用戶界面、網(wǎng)絡(luò)通訊等。如果存在差錯，就要在源程序中把它找出來，進行修改，重新編譯，重新連接，再得到修改過的可執(zhí)行目標(biāo)程序。這個過程往往需要重復(fù)很多次，才能得到一個最終程序。 另一個問題是程序維護。維護程序的成本往往是隱性成本，在開發(fā)階段開始是不明顯的。 因此，快速地開發(fā)運動控制算法，同時達到很高的性能，對于高性能伺服系統(tǒng)和交流電動機的無傳感器驅(qū)動系統(tǒng)來說，仍然是一件富于挑戰(zhàn)性的工作。 運動控制引擎－IRMCK201和IRMCK203的心臟 國際整流器公司最近推出的新型數(shù)字運動控制集成電路IRMCK201和IRMCK203，用于高性能的伺服控制和無速度傳感器控制。IRMCK201采用經(jīng)濟的100引腳QFP封裝（圖1），IRMCK203則采用80引腳的QFP封裝。這些集成電路只需要一只廉價的晶振為33 MHz的時鐘提供時鐘信號。IRMCK201是為了簡化伺服驅(qū)動系統(tǒng)的設(shè)計工作、快速實現(xiàn)高性能的伺服驅(qū)動系統(tǒng)而設(shè)計的，而IRMCK203是針對永磁交流電動機的高性能正弦波無傳感器控制而設(shè)計的。如果硬件采用集成電路 IRMCK201或者IRMCK203實現(xiàn)，不需要花費很多的設(shè)計時間和編程工作量，就可以完成諸如電機的調(diào)整這樣的任務(wù)。硬件就可以實現(xiàn)所有的功能。 與傳統(tǒng)的運動控制DSP不同，IRMCK201里面不僅有用于運動控制的外圍部件（例如PWM，碼盤計數(shù)電路、電流測量接口等），而且包含全套的磁通控制算法和速度控制算法，這些是通過硬件實現(xiàn)的，即所謂的運動控制引擎（Motion Control Engine ，簡稱MCE）。  圖1：IRMCK201的外觀。
IRMCK201是一種數(shù)字集成電路，用硬件邏輯電路集成了使用編碼器伺服控制的所有必需的功能。所以，它的結(jié)構(gòu)是事先配置好的，如圖2所示，但是它可以執(zhí)行不同結(jié)構(gòu)的控制算法。以感應(yīng)電機的矢量控制為例。它內(nèi)部有一個前饋滑差增益通道連接到矢量角度計算部分。閉合該通道上相應(yīng)的開關(guān)即可使該控制的配置生效。因此，只要將開關(guān)閉合或斷開，確切地說，即是通過計算機把“1”或者“0”寫到相應(yīng)的寄存器中，就可以選擇啟動或者禁止感應(yīng)電機的控制功能。IRMCK201支持其他不同的結(jié)構(gòu)配置（例如使用其他類型的電流傳感器接口，而不是使用電流測量集成電路IR2175），使用或禁用電流控制中的前饋增益通道，使用或禁用速度閉環(huán)控制，以及選擇速度指令的類型。  圖2：IRMCK201的詳細(xì)框圖。
 圖3：轉(zhuǎn)矩控制環(huán)的階躍響應(yīng)。
 圖4：傳統(tǒng)的三相PWM（左圖）和損耗小、EMI低的PWM（右圖）。
把IRMCK201用到實際的電路中，這方面的設(shè)計仍然是一項富于挑戰(zhàn)性的工作。國際整流器公司認(rèn)識到，整個伺服驅(qū)動系統(tǒng)從樣機開發(fā)到變成成品，是需要做很多工作的。電力電子電路、模擬信號轉(zhuǎn)換電路、電源 target=_blank>開關(guān)電源電路、傳感器接口電路的設(shè)計都是必須的，這些電路是整個伺服驅(qū)動器的重要組成部分。要特別注意的是，電力電子電路與熱設(shè)計總是不可分割的，這很大程度上依賴于設(shè)計者的經(jīng)驗，從而加大了硬件系統(tǒng)設(shè)計的難度。  圖5：使用IRMCK201的簡易數(shù)字伺服放大器框圖。
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