交流伺服集成驅動器設計分析

?　　交流伺服驅動控制包括交流異步電動機與永磁同步電動機的驅動控制。傳統的交流伺服驅動控制，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，但目前的應用幾乎已經到達了以軟件為基礎的解決方案的極限。因此，需要一個能夠簡化設計并提供更高的效能新方法。

　　集成設計平臺

　　傳統的電機驅動控制器設計，不僅易于出現一些“軟性”錯誤，同時也很難滿足快速多邊的市場對開發時間的要求。對電機驅動控制器設計者而言，一個包含可配置 的數字及模擬控制技術，以及功率電路與功率開關器件驅動電路決方案的運動控制設計平臺可以大幅簡化設計工作。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伺服驅動運動控制器設計平臺的典范。該設計平臺包括伺服驅動控制器與ServerDesigner軟件工具。伺服驅動控制器的核心是電機控制專用芯片IRMCK201。圍繞國際整流器公司的運動控制引擎（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，實現更多的其它控制與外圍功能，而不會超出有效周期時間。此外，IRMCK201與從iMotion數據庫挑選出 來的合適模擬與電力電子組件精密配合，為用戶提供了伺服驅動控制器硬件設計參考。

　　為電機控制專用芯片的應用而開發的軟件工具ServerDesigner，安裝在PC機上?？蛻糁恍枥肧erverDesigner軟件，透過芯片上的 通訊端口，配置芯片上的存儲器，便可根據特定的需要來調整控制，以滿足所需的設計規格。主通訊邏輯包含了應用于RS232C、RS422或RS485通訊 的異步通訊接口，以及一個快速的SPI接口和一個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，可以讓用戶讀寫每一個選取的存儲單元，并借助任何可用的端口進行配置與檢測驅動。使得原本復雜的設計流程得到簡化。iMotion IP核心模塊所設定的伺服驅動控制演算架構如圖1所示。從圖1可以看出IR公司的電機控制專用芯片僅包含速度調節控制和電流控制。若要實現位置伺服控制，則還需要一個位置控制器，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控制器硬件設計參考，可設計出如圖3所示的伺服驅動控制器。

　　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寄存器的內容進行配置和監控系統的運行狀態。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。

　　電機控制接口

　　IRMCK201芯片具有6路SVPWM輸出，通過光耦與IR2136芯片驅動三相橋式逆變器的功率開關器件IGBT，也可以與智能功率模塊直接接口。驅 動芯片IR2136具有防止同一橋臂直通邏輯，以及欠壓、過流關閉所有輸出的功能。IRMCK201提供了與IR2175線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，IRMCK201可以通過HALL傳感器信號及Z脈沖位置估計出永磁同步電動機轉子磁極的初始位置。

　　控制輸入與狀態指示接口

　　IRMCK201具有控制輸入與狀態指示等數字IO引腳?？刂戚斎诵盘柊▎?、停止、運轉方向、故障清除等;狀態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I2C總線讀取存儲器中所配置的數據，而不需主機干預。因此，系統可以在沒有主機控制的情況下單獨運行，其初始化數據通過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、編碼器精度和類型，對于永磁同步電動來說，還有電壓常數、轉矩常數?？刂茀蛋?a href="http://www.qd573.com/tags/pi/" target="_blank">PI調節器參數、加減速時間，以及PWM載波頻率和死區時間等。

　　結語

　　對先進的馬達控制器而言，隨著應用范圍與轉速要求的持續成長，發展商需要快速配置解決方案以滿足日益提升的效能要求。一個包含了最佳化的模擬控制、電力切換及驅動技術，以及基于高效能硬件的數字控制的運動控制設計平臺，便能夠同時解決開發時程與效能要求的問題。而隨著可簡單構裝的緩存器的單芯片數字控制器 出現，對于缺少專業的軟件或電力系統設計能力的人而言，這個控制器可以降低其設計風險。