高性能数字运动控制芯片IRMCK201功能应用

高性能数字运动控制芯片IRMCK201功能应用 作者：李欣 李波…    文章来源：国外电子元器件    点击数：1405    更新时间：2005-8-20  摘要：IRMCK201是美国国际整流公司开发的数字运动控制芯片，是专门针对伺服驱动系统而设计的。该器件可实现完整的速度环和电流环控制，具有快速的高性能伺服驱动能力。文中详细介绍了IRMCK201的主要功能、特点和主要接口，并给出了一个应用于数控机床的交流伺服驱动系统的实例。
关键词：IRMCK201；交流伺服；矢量控制；空间矢量脉宽调制
１  概述
国际整流器件公司（IR）针对高性能交流伺服驱动的需求设计出了基于FPGA技术的完整的伺服驱动控制解决方案IRMCK201芯片。与传统的运动控制专用DSP芯片不同的是，IRMCK201不仅包含运动控制的外围功能 如ＰＷＭ、编码计数电路、电流传感接口等，而且也包含通过硬件实现的FOC算法和速度控制算法，从而省略了编程任务简化了高性能交流伺服系统的设计，此外它还适用于不同类型的永磁电机或感应电机，因而有很好的应用前景。
IRMCK201采用标准的100管脚封装形式，其主要电气特点如下：
●完整的电流闭环控制和速度闭环控制；
●使用PWM载波频率可以配置速度和电流更新率；
●可以配置感应电机或者永磁电机的控制系统；
●带死区的空间矢量PWM；
●最大时钟输入33.33MHZ,最大ＰＷＭ载波频率88.3KHZ,电流环带宽5.5KHZ,速度环更新率5/10KHZ;
●具有与高压线性电流传感器IRMCK201、高压驱动芯片IR213X、霍尔A/B/C信号、光电编码器、RS232或RS422、快速SPI的接口；

●配置光电码盘的线数范围从200PPR～10000PPR；
●可以监视直流母线电压；
●可以配置模拟参考输入；
●2MHZ的计数器改善低速性能；
●具有4路采样/保持的A/D转换接口；
●通过主机寄存器接口，AT24C01A可对内部数据／参数进行初始化；
●智能IGBT保护封锁控制；
●可以配套使用ServoDesigner配置工具软件。
２ IRMCK201内部功能结构
图１为IRMCK201内部详细控制结构图。从图中可以看出，作为运动控制芯片，IRMCK201在硬件上具备了伺服控制所必需的控制单元，如带死区时间设置的空间矢量pwm、PARK变换和CLARK变换、电流环PI调节器、速度环PI调节器、速度测量单元等，这样用户就省去了编写代码的任务，简化了复杂的设计过程。
IRMCK201通过硬件逻辑实现伺服控制功能，芯片的接口可以灵活配置，因而为了实现不同的控制算法，可以通过接口对IRMCK201进行参数设置。以矢量控制的感应电机为例，在内部控制结构中有一个前馈滑模增益路径，可以通过设置相关寄存器来实现这种控制功能。也就是说，上位机仅需将“１”或“０”写入相关寄存器中，就可使该控制功能IRM-CK201也支持其它结构，如除IR2175外的电流传感器接口芯片、电流控制中的前馈增益路径使能／禁止、闭环速度控制的使能／禁止以及速度给定值的选择等。也就是说采用IRMCK201配置伺服系统，只需了解它内部的功能模块和寄存器的情况，并通过上位机对它的寄存器进行配置，即可迅速实现各种功能。例如，要为逆变器设置一个开关频率为10KHZ的PWM驱动信号，用户不需要编写程序代码来实现这个ＰＷＭ信号的算法，只需要对相关寄存器赋值即可。
IRMCK201主机通信接口包括RS232/RS485/RS422、快速SPI接口和８位并行接口。因此它可以方便与主机或控制器进行通信,修改和读取其主控寄存器来控制输出。IRMCK201也可以独立运行而不需要外部主机参与控制,其运行参数通过外部EEPROM来保存,上电时自动从EEPROM中读取参数。
现以具有电流环和速度环的永磁无刷电机控制系统为例，分析系统的结构。
通过配置相关寄存器使能速度闭环控制。对于电流环，由电流传感器IR2175采样电机Ｖ相和Ｗ相绕组电流，经过IRMCK201内部计算可以得到Ｕ相电流，与Ｖ相和Ｗ相电流一起组成三相电流，通过PARK变换与矢量旋转被分解为产生磁通的励磁电流分量和产生转矩的转矩电流分量这两个直流量具有独立的比例积分调节器。对于速度环，由光电编码信号通过IRMCK201内部测速单元得到速度反馈，它与速度给定值相互比较产生速度偏差。这个偏差经过速度PI调节器产生一个对应的转矩电流IQ，当采用ID=0控制时，ID、IQ即是内部电流环的给定值，它们与实际反馈电流比较产生电流偏差电流偏差经过电流环PI调节以后产生输出电压US－ｑ和US－ｄ在旋转坐标系ｄ、ｑ 。电压US－ｑ和US－ｄ被反变换成静止坐标系下的电压分量然后经过空间矢量PWM计算后给逆变器的功率模块发出合适的开关信号，控制功率模块开关工作。
３ IRMCK201输入输出接口

如图２所示，IRMCK201输入输出接口主要包括主机通讯接口、PWM门极信号接口、正交编码器接口、主机通讯接口、A/D接口、串行EEPROM接口、锁相环和系统时钟接口、控制输入和状态指示接口、电流传感器ＩＲ２１７５接口。
３．１ PWM门极信号接口
IRMCK201提供６路SVPWM输出通过光耦与三相桥驱动芯片IR2136进行连接来驱动MOSFET或IGBT也可以直接与智能功率模块（IPM）的６个驱动信号接口相连。同时还提供驱动故障反馈接口。
３．２ 主机通讯接口
IRMCK201提供了多种与外部主机通信的方式。主机可以通过RS232/RS422、SPI接口或８ 位并行接口来配置和监控系统的运行。RS232/RS422通信方式可以根据通讯距离进行选择。
RS232接口通过MAX232进行电平转换，它允许PC直接对其进行寄存器的配置修改及状态读取，通信波特率可以通过外部引脚来设置。SPI接口方式中，芯片处于从方式，通信最高时钟可达8ＭＨｚ，可以实现与主机高速通信。不同通信方式通常都处于激活状态，可以相互切换但不能同时运行。
３．３ 正交编码器接口
IRMCK201带有光电编码器接口电路可以方便地组成一个伺服控制系统。它可以与多种编码器接口脉冲数为200～10000个/ 转脉冲频率最高可达1MHZ。编码器接口具有相互正交的ENA、ENB编码信号及零点标志信号接口，同时还具有三路HALL信号输入接口。系统上电时可以通过HALL传感器及Ｚ脉冲估算编码器初始值。
３．４ 控制输入及状态指示接口
控制输入信号包括启动、停止、转动方向、输出使能、故障复位、主机状态等；状态指示信号包括系统故障指示、同步指示及两个双色指示灯。可以直接通过对输入引脚的操作来控制电机的运行。
３．５ 电流传感器IR2175接口
IR2175线性电流传感器可以将电流信号从伺服电机的高端驱动电路转换到低端驱动电路以便控制电路进行处理。在伺服电机相绕组回路中串联一个取样电阻，随着电机相电流的变化取样电阻两端产生一个很小的交流电压信号作为IR2175的输入，它的输出是频率为130KHZ、占空比随电流大小变化的ＰＷＭ数字信号，经过电平转换，PWM信号被转换成了以地为参考点的信号。IR2175 的输入电压变化范围为-260MV～＋260MV，因此过载电流流过取样电阻时所产生电压应小于或等于260MV。对于信号的处理，可将IR2175通过光耦直接与IRM-CK201进行连接，再在IRMCK201内部进行电流计算。
３．６A/D接口
IRMCK201提供了直接与ADS7818 A/D转换器相连的接口，通过多路复用器CD4052可以输入四路模拟信号，分别为转速或转矩大小控制的模拟输入、直流母线电压的采样输入和其它电流传感器如HALL电流传感器送来的两路相电流信号。但是这里采样的相电流信号只能作为过流保护，不能作为电流环的反馈，也就是说ADS7818不可以取代IR2175对相电流进行取样。
４  应用
本文利用IRMCK201与TI公司的DSP芯片TMS320LF2407设计了应用于数控机床的永磁无刷交流伺服系统。
４．１ 系统硬件设计结构框图

系统的结构框图如图３所示，整个系统由以下几部分组成：
（１）控制部分
该交流伺服系统控制电路主要由TMS320LF2407、IRMCK201和少量的外围电路组成。DSP用于完成IRMCK201的初始化和系统位置环控制算法的实现，并完成系统的键盘和显示功能。IRMCK201内部硬件电路完成系统的电流环、速度环控制，最终产生SVPWM驱动信号，以完成对功率模块的开关控制，同时通过A/D接口对母线电压进行监测，以实现过压保护功能。系统采用2000PPR的增量式光电码盘和霍尔传感器测量电机位置和速度信号，采用IR2175电流传感器对相电流采样，由于IRMCK201提供了IR2175接口，所以采样的电流信号可直接送到IRMCK201作为控制部分的电流反馈。为了增加系统的抗干扰性，本系统采用高速光耦将系统的控制部分和功率部分进行隔离。
（２）主电路部分
本系统的主电路为AC-DC-AC逆变电路。输入的三相交流电压经整流、滤波后得到直流电压供给逆变器。功率器件采用IR公司的智能功率模块IRAMS16UP60A，它包括三相高压高速驱动集成芯片IR2136和６个IGBT，其输入驱动信号的最高频率可达20kHz。
４．２ 系统程序设计

由于系统的电流环、速度环控制和过流、过压、欠压等保护功能都由IRMCK201内部硬件实现，所以系统软件主要是用DSP实现交流伺服系统位置环的控制和对IRMCK201的通讯，相比之下程序设计比较简单。图４所示为DSP的主程序流程和位置环中断服务子程序。
本系统采用了IRMCK201芯片，结合使用TI公司的DSP芯片TMS320LF2407，大大简化了系统的软硬件设计，缩短了系统开发周期，提高了系统的可靠性，从而实现了高性能的交流伺服系统。