交流伺服驱动器集成设计平台

    交流伺服驱动控制包括交流异步电动机与永磁同步电动机的驱动控制。传统的交流伺服驱动控制，需要建立定制的伺服控制系统。这是一种完全由公司内部发展或是整合了现有电机驱动控制器的系统，它需要许多人力与高深的专业技术来整合控制运算、编码技术、模拟线路与电源管理。虽然提供定制运算的软件设计平台可以减轻编码设计的脑力劳动，但目前的应用几乎已经到达了以软件为基础的解决方案的极限。因此，需要一个能够简化设计并提供更高的效能新方法。

    集成设计平台
   
    传统的电机驱动控制器设计，不仅易于出现一些“软性”错误，同时也很难满足快速多边的市场对开发时间的要求。对电机驱动控制器设计者而言，一个包含可配置的数字及模拟控制技术，以及功率电路与功率开关器件驱动电路决方案的运动控制设计平台可以大幅简化设计工作。国际整流器(IR)公司推出的整合了硬件与软件的IRMCS201设计平台，成为AC伺服驱动运动控制器设计平台的典范。该设计平台包括伺服驱动控制器与ServerDesigner软件工具。伺服驱动控制器的核心是电机控制专用芯片IRMCK201。围绕国际整流器公司的运动控制引擎(Motion Control Engine，MCE)所设计的IRMCK201芯片，属于iMotion IP系列的一部份。iMotion芯片组内的MCE可以在6μs内执行完磁场定向控制(Field Oriented Control，FOC)控制，而高效能可编程DSP则需要15～20μs，获得了比传统DSP快上20倍的运算速度。MCE的速度更快是由于它被设置为成平行硬件控制器信号处理器，避免了传统微控制器或DSP架构所遇到的困难，以至能够达到模拟控制的频宽，同时提供更多的弹性与增强的数字控制效能。因此，MCE可以支持更高的力矩控制频宽，实现更多的其它控制与外围功能，而不会超出有效周期时间。此外，IRMCK201与从iMotion数据库挑选出来的合适模拟与电力电子组件精密配合，为用户提供了伺服驱动控制器硬件设计参考。
    
    为电机控制专用芯片的应用而开发的软件工具ServerDesigner，安装在PC机上。客户只需利用ServerDesigner软件，透过芯片上的通讯端口，配置芯片上的存储器，便可根据特定的需要来调整控制，以满足所需的设计规格。主通讯逻辑包含了应用于RS232C、RS422或RS485通讯的异步通讯接口，以及一个快速的SPI接口和一个8位宽的主并行接口(Host Parallel Interface)。所有的通讯端口都对存储器有相同的存取能力，可以让用户读写每一个选取的存储单元，并借助任何可用的端口进行配置与检测驱动。使得原本复杂的设计流程得到简化。iMotion IP核心模块所设定的伺服驱动控制演算架构如图1所示。从图1可以看出IR公司的电机控制专用芯片仅包含速度调节控制和电流控制。若要实现位置伺服控制，则还需要一个位置控制器，如图2所示。这是因为位置控制比较灵活、很难做到通用性。

图1 永磁同步电动机矢量控制系统框图

图2 位置伺服控制系统框图

    伺服控制器设计
    
    根据IRMCS201设计平台所提供的伺服驱动控制器硬件设计参考，可设计出如图3所示的伺服驱动控制器。

图3 伺服驱动控制器框图

    主机接口
   
    IRMCK201芯片提供了RS232／RS422／485、SPI接口或8位并行接口与外部主机通信，RS232／RS422／485通信方式可以编程选择。通过MAX232电平转换芯片，RS232接口允许PC主机直接对MCK201寄存器的内容进行配置和监控系统的运行状态。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。

    电机控制接口
   
    IRMCK201芯片具有6路SVPWM输出，通过光耦与IR2136芯片驱动三相桥式逆变器的功率开关器件IGBT，也可以与智能功率模块直接接口。驱动芯片IR2136具有防止同一桥臂直通逻辑，以及欠压、过流关闭所有输出的功能。IRMCK201提供了与IR2175线性电流传感芯片的直接接口引脚，IR2175的最大输人电压为260mV，具有将模拟输入信号转换为130kHzPWM信号的能力。
    
    IRMCK201带有编码器接口电路，编码器脉冲数从200～10,000个转，脉冲频率可高达1MHz，可以方便地组成速度伺服控制系统。它可以与多种编码器连接，可接收有相互正交的ENA、ENB信号及零点标志信号，以及三路HALL信号输人，这三路路信号既可以独立使用，也可以复用。系统上电时，IRMCK201可以通过HALL传感器信号及Z脉冲位置估计出永磁同步电动机转子磁极的初始位置。

    控制输入与状态指示接口
   
    IRMCK201具有控制输入与状态指示等数字IO引脚。控制输人信号包括启动、停止、运转方向、故障清除等；状态指示信号包括系统故障指示、PWM输出使能、同步指示等。

    串行存储器接口
   
    IRMCK201具有串行存储器接口，芯片上电复位后自行通过I2C总线读取存储器中所配置的数据，而不需主机干预。因此，系统可以在没有主机控制的情况下单独运行，其初始化数据通过读取串行存储器的内容得到。

    控制器参数配置
   
    利用安装在PC机上的ServerDesigner软件工具，将电机参数和控制参数下载到MCK201中的寄存器中，完成控制系统的配置，不需要软件编程。电机参数包括额定转速、绕组的电阻、电感、额定电流、电机惯量、极数、空载电流值、编码器精度和类型，对于永磁同步电动来说，还有电压常数、转矩常数。控制参数包括PI调节器参数、加减速时间，以及PWM载波频率和死区时间等。

    结语
   
    对先进的马达控制器而言，随着应用范围与转速要求的持续成长，发展商需要快速配置解决方案以满足日益提升的效能要求。一个包含了最佳化的模拟控制、电力切换及驱动技术，以及基于高效能硬件的数字控制的运动控制设计平台，便能够同时解决开发时程与效能要求的问题。而随着可简单构装的缓存器的单芯片数字控制器出现，对于缺少专业的软件或电力系统设计能力的人而言，这个控制器可以降低其设计风险。