基于单片运动控制引擎集成电路的高性能交流驱动系统

　　介绍新一代数字运动控制集成电路IRMCK201和IRMCK203。

　　摘要
　　IRMCK201和IRMCK203是用于高性能交流驱动系统的完整闭环电流控制和速度控制的新型集成电路，是一种单芯片解决方案。不同于传统的微控制器或者数字信号处理器（DSP）技术，IRMCK201和IRMCK203不需要任何编程就可以进行复杂的交流伺服算法开发。配合使用国际整流器公司的高压栅极驱动和电流测量集成电路，用户可以用最少的组件实现完整的交流伺服和无速度传感器控制，所需的设计和计算量很少。IRMCK201和IRMCK203中的所有控制算法是用Motion Control Engine  （运动控制引擎，简写为MCE）中的专用硬件逻辑电路实现的，用于进行交流电流和速度的闭环控制。由于可以灵活地组态，它们的用途很广。这两种集成电路是用专用硬件来进行高实时性的运动控制计算，因而使用这些器件来做闭环控制，具有无与伦比的带宽。使用 IRMCK201时，可以把驱动配置成为感应电动机闭环矢量控制，或永磁电动机伺服驱动系统。使用IRMCK203 型集成电路，也可以轻易的实现永磁交流电动机的无速度传感器控制。在这两种集成电路中有丰富的运动外围器件、模拟及数字I/O可供配置。它的主通信逻辑电路包括一个异步通信接口，作为 RS232C，或者RS422，或者RS485通信接口使用；它还有一个高速的SPI从接口和一个八位通用并行接口。这个集成电路采用紧凑的100 引脚和80引脚的塑封QFP封装，可以很容易地集成到用户的印刷电路板上。
　　对当前运动控制设计过程的回顾
　　高性能伺服控制系统的设计是一件复杂的工作，通常涉及到不同技术领域的很多学科和专门技术。因此设计工程师们在设计高性能伺服控制的过程中，需要深入了解电力电子技术、硬件集成、先进的控制算法、灵活的用户界面、网络通信等专业知识。
　　在众多设计因素中，控制算法对整个系统的性能具有至关重要的影响。控制算法中包括各种与传感器有关的环节，这些传感器与电力电子电路和组件有着密切的关系。其中，位置、速度、电流都是很重要的变量，需要利用相应的传感器把它们反馈到系统中。
　　在控制三相交流电动机时，需要进行磁场定向控制（Field Orientation Control，简称FOC）。FOC就是对三相交流电流或电压进行变换，从而实现对转矩的线性控制。
　　FOC的策略是：测量三相电动机的电流并且将它变换成为转矩电流和励磁电流两个分量，从而实现对转矩控制的简化（线性控制）。所以，所谓的闭环电流控制实际上包含两个独立的电流控制环路。一个是控制转矩电流，另一个控制磁场电流。两个环路的结构一样，都包含若干个控制环节。一些基本的控制环节包括：旋转矢量变换、Clark座标变换、比例加积分环节、脉冲宽度调制器（PWM），以及电流测量环节。
　　除了PWM发生和电流测量环节，所有的控制环节过去都是用运动控制DSP或微控制器中的软件程序来实现的。在使用DSP或者微控制器进行实时控制时，这些电流控制环路是优先执行的任务。这需要设计人员对实时控制有深入准确的把握，严格按顺序执行每个控制环节，在特定的时间段内依次完成各个计算任务。
　　这些任务往往是通过某些硬件的事件/中断来驱动，对软件模块的执行时间要求非常精确，要求指令按特定顺序执行，从而在一定的时间操作硬件来驱动电机。
　　用于伺服控制和无速度传感器控制的FOC软件通常是汇编语言而不是高级语言编写，因为这些程序往往需要极高的执行速度和更新速度来满足系统动态性能不断提高的要求。有时，使用一些特殊的编程技术（也就是用转移指令实现快速的乘法 / 除法功能），可以进行快速计算以克服计算能力不足的问题。
　　不论是用高级语言（例如C、C++等）还是用低级的汇编语言，也不论是用DSP还是用微控制器，都需要专业的编程技能将这些运动控制环节转化成按一定顺序进行的计算，其中包含数以千计的指令。然后，对软件模块（软件通常是设计成由很多模块组成）中的各段源程序进行编译，并且把它们连接起来。最后，它变成一个庞大的可执行目标程序，其中包含所有的功能，例如闭环控制、用户界面、网络通讯等。如果存在差错，就要在源程序中把它找出来，进行修改，重新编译，重新连接，再得到修改过的可执行目标程序。这个过程往往需要重复很多次，才能得到一个最终程序。
　　另一个问题是程序维护。维护程序的成本往往是隐性成本，在开发阶段开始是不明显的。
　　因此，快速地开发运动控制算法，同时达到很高的性能，对于高性能伺服系统和交流电动机的无传感器驱动系统来说，仍然是一件富于挑战性的工作。
　　运动控制引擎－IRMCK201和IRMCK203的心脏
　　国际整流器公司最近推出的新型数字运动控制集成电路IRMCK201和IRMCK203，用于高性能的伺服控制和无速度传感















器控制。IRMCK201采用经济的100引脚QFP封装（图1），IRMCK203则采用80引脚的QFP封装。这些集成电路只需要一只廉价的晶振为33 MHz的时钟提供时钟信号。IRMCK201是为了简化伺服驱动系统的设计工作、快速实现高性能的伺服驱动系统而设计的，而IRMCK203是针对永磁交流电动机的高性能正弦波无传感器控制而设计的。如果硬件采用集成电路 IRMCK201或者IRMCK203实现，不需要花费很多的设计时间和编程工作量，就可以完成诸如电机的调整这样的任务。硬件就可以实现所有的功能。 与传统的运动控制DSP不同，IRMCK201里面不仅有用于运动控制的外围部件（例如PWM，码盘计数电路、电流测量接口等），而且包含全套的磁通控制算法和速度控制算法，这些是通过硬件实现的，即所谓的运动控制引擎（Motion Control Engine  ，简称MCE）。

成复杂的无速度传感器的控制算法，仍需耗费60微秒的时间。由于空调机不仅需要对压缩机电机进行无速度传感器控制，还需要额外以无速度传感器控制来控制冷却风扇以及实现功率因数校正（PFC），以上计算时间仍需进一步的缩小，以满足微处理器功率的需求。
　　同样，由于指令是基于32位的，存储器的使用也增加了。指令存储器的容量要求达到128 kB。
　　如果使用IRMCK203，计算时间将减少到11 微秒，而不是60 微秒。这样就有更多的余地来采用更高的PWM载波频率，提高刷新速度。IRMCK203对于使用永磁电动机的超高速控制系统是很有利的，要做的只是把PWM载波的频率调节到40 kHz或者更高一些。高速主轴和牙科钻电机控制，就是使用IRMCK203的高载波频率PWM的典型例子。
　　损耗小、电磁干扰（EMI）低的空间矢量PWM可以减少散热器的尺寸，避免使用EMI滤波器
　　IRMCK203使用损耗小、电磁干扰小的空间矢量PWM的方法，将驱动信号送到IGBT功率器件上。与传统的三相PWM方式相比，功率损耗和EMI噪音可以减少大约20 %甚至更多。图4是典型的电压脉冲波形和电机电流波形。

图4：传统的三相PWM（左图）和损耗小、EMI低的PWM（右图）。

　　高性能模拟“转矩驱动”升级的理想方案
　　IRMCK201可以单独使用，不需主控制器。一般用串行的EEPROM把负载电机的特定参数加载到集成电路中。也可以把集成电路直接连接到普通的串行12位A/D转换器上，这样使用IRMCK201的系统就可以接收工业标准的±10 V输入作为速度或者转矩的给定信号。IRMCK201采用100引脚QFP封装，尺寸很小，与采用 SO-8封装的电流测量集成电路IR2175 一起使用，可以大大减少伺服放大器的尺寸，用于对成本很敏感的应用场合。
　　应用与支持工具
　　把IRMCK201用到实际的电路中，这方面的设计仍然是一项富于挑战性的工作。国际整流器公司认识到，整个伺服驱动系统从样机开发到变成成品，是需要做很多工作的。电力电子电路、模拟信号转换电路、开关电源电路、传感器接口电路的设计都是必须的，这些电路是整个伺服驱动器的重要组成部分。要特别注意的是，电力电子电路与热设计总是不可分割的，这很大程度上依赖于设计者的经验，从而加大了硬件系统设计的难度。
　　完整的1 kW设计平台IRMCS2011 / IRMCS2031

图5：使用IRMCK201的简易数字伺服放大器框图。

　　为了帮助用户开展各种方式的设计，国际整流器公司在推出集成电路IRMCK201的同时，还推出了设计平台IRMCS2011（图5和图6）。IRMCS2011与以前的设计工具不同，它是用于设计1 kW的伺服驱动装置的一整套完整的设计系统。它包含了一切必需的硬件，其中包括散热器和连接器。由于遵循了许多工业标准，这个硬件平台其实已经很接近实际的最终产品。例如，印刷电路板（PCB）的设计是按照UL508C进行的。按照UL508C，在印刷电路板上的高压走线间保留了足够的爬电距离，防止漏电。在设计平台IRMCS2011中唯一缺少的东西是面板和机壳。

图6：硬件设计平台IRMCS2011。

　　用户可以立即用它来评估IRMCK201的系统性能，不必增加或者修改电路。
　　我们还可以提供基于IRMCK203 集成电路的IRMCS2031设计平台。
　　IRMCS2011 和IRMCS2031的硬件都使用国际整流器公司最先进的IGBT智能模块。 IRAMY20U60A，它的额定电流是20A，额定电压是600 V，用于IRMCS2011；而IRAMY16U60A的额定电流是16A，额定电压是600V，用于IRMCS2031。IGBT智能模块使用先进的IMS技术，其中包含三相高压栅极驱动集成电路IR2136。单片高压集成电路IR2175 完成电机电流的测量。这种集成电路可以直接接到集成电路IRMCK201上去，它采用尺寸很小的SO-8封装，可以紧凑简单的实现电机电流测量，用于复杂的电机闭环控制系统。 在IRMCS2031 系统中，可以选择使用另外的电流测量电路，该电路在三相桥的低边接地端分别并接有一个分流电阻。
　　运动控制集成电路IRMCK201和IRMCK203与国际整流器公司的IGBT智能模块及电流测量集成电路IR2175结合起来使用时，可以大大地简化用户电力电子电路的设计工作，并且减少器件数量，节约印刷电路板上的占用空间。图6是 IRMCS2011/IRMCS2031的印刷电路板，它的尺寸很紧凑，只有3英寸 x 5英寸。
　　IRMCS2011里面还有过流/ 短路保护电路，用以防止任何种类的驱动电流过大而引起的故障。在电路板上还配有多路输出的开关电源和各种必需的传感器接口电路。
　　ServoDes

igner (伺服设计）软件工具
　　虽然主寄存器的配置很简单，不需任何编码和编程，仍然需要把特定的数值写到对应的寄存器中。ServoDesigner  是基于Windows的计算机软件工具，它不需借助别的软件手段或者准备工作，就可以方便的把数据从主寄存器中读出或者写入。 只要是使用集成电路IRMCK201，任何平台都可以使用这套工具。因此，用户也可以利用这个软件工具做出厂参数设定。