基于硬件實現數字交流伺服驅動器設計

　　交流伺服驅動器的控制包括信號的測量、濾波、整形、核心算法的實時完成，驅動信號的產生和系統的監控、保護等功能。目前數字伺服驅動廣泛采用單片機、數字信號處理器(DSP)、精簡指令計算機(RISC)來實現數字控制算法。隨著矢量控制、直接轉矩控制、無速度傳感器控制、基于智能化的系統控制(如模糊控制、人工神經網絡控制等)的應用，使交流伺服驅動的控制算法越來越復雜。單片機、數字信號處理器等由于計算能力、實時多任務能力及存儲與數據空間等有限，同時軟件編程復雜，開發周期長，難以滿足高性能交流伺服驅動器的要求。
　　
　　整流器件公司針對高性能交流伺服驅動的需求，設計出了基于硬件實現的完整的伺服驅動控制單片解決方案IRMCK201,適用不同類型的永磁或交流感應電機，具有編碼器位置反饋接口，將運動控制算法通過硬件實現，從而省略了編程任務，達到實時控制的目的。IRMCK201結合IR2175線性電流傳感芯片，IR2136三相逆變器驅動芯片和IRAM6A-20A功率模塊，組成一個完整的伺服驅動系統。
　　
　　IRMCK201簡介
　　
　　IRMCK201是基于數字同步旋轉矢量控制的交流伺服驅動的單片硬件解決方案。圖1所示為其基本功能模塊。　　
　　電機三相電流通過Park變換與矢量旋轉被分解為產生磁通的勵磁電流分量id和產生轉矩的轉矩電流Iq分量，這兩個分量具有獨立的比例積分放大電路。芯片可以啟用或禁止速度閉環控制，啟用速度閉環控制時，通過改變給定速度值，給定速度值與測量速度之間相互比較將產生速度偏差。基于這個偏差，速度調節器產生一個對應的轉矩電流Is_qRef;當速度閉環控制禁止，可以直接改變轉矩電流Is_qRef。當Is_dRef＝0時，改變轉矩電流Is_qRef，通過經過Clark變換轉換成靜止的α,β坐標系的電流分量isα、isβ,再經過Park變換轉換成旋轉坐標系下的電流Id,Iq。基于旋轉坐標系的給定和實際電流的偏差，電流控制器產生輸出電壓Us_q和Us_d(在旋轉坐標系d，q)。電壓Us_q和Us_d被反變換成靜止坐標系下的電壓分量。然后經過空間矢量PWM計算后，給逆變器的功率模塊發出合適的開關信號。
　　
　　IRMCK201主機通信接口包括RS-232/RS-485/RS-422、快速SPI接口和8位并行接口。因此它可以方便與多軸主機或控制器進行通信，通過修改和讀取其主控寄存器來控制輸出。IRMCK201也可以獨立運行而不需要外部主機參與控制，其運行參數通過外部EEPROM來保存，上電自動從EEPROM中讀取參數。
　　
　　IRMCK201具有編碼器接口，正交信號輸入頻率可達1MHz，很容易組成位置閉環控制系統。IRMCK201還具有HALLA/B/C接口，A/B/C可以單獨輸入也可以組合輸入,用來指示轉子位置。
　　
　　IRMCK201還具有A/D轉換信號接口，直流母線電壓反饋及過壓制動控制接口。可以通過A/D接口輸入模擬參考電壓來改變輸出轉速或輸出轉矩。同時芯片具有PWM輸出，通過簡單低通濾波可以作為D/A信號輸出，驅動指示儀表。通過寄存器的設置，可以選擇指示母線電壓、V相電壓、W相電壓、速度參考值、速度反饋值、Iq參考值、Uq、Ud、Iq或Ib等。
　　
　　交流伺服驅動系統硬件單元電路設計
　　
　　基于IRMCK201的交流伺服驅動系統的硬件設計主要包括高壓主電路設計、功率驅動電路設計、電流電壓采集電路及過流過壓保護電路設計、編碼器位置反饋電路設計、主機接口電路及外部接口電路設計幾個部分。
　　
　　主電路設計
　　
　　高壓主電路包括EMC濾波電路、啟動沖擊延緩電路、整流濾波電路、過流、過壓、欠壓檢測電路。電源可以采用220V單相交流電壓，也可以采用三相220V交流電壓通過整流濾波得到高壓母線直流電壓。
　　
　　功率驅動電路的設計
　　
　　IRMCK201提供了芯片提供三組SVPWM輸出，通過光電隔離，可以與IGBT模塊或功率MOSFET的驅動電路連接。目前集成三相橋式IGBT模塊很多，IR公司也提供了幾種規格的集成功率模塊，如iramx16up60a模塊，包含6個NPTIGBT芯片,每一個都有自己的分立柵級電阻,6個整流二極管,1個三相單片集成IC,1個柵極驅動芯片,3個具有限流電阻器和一對過溫保護的NTC熱敏電阻/電阻的陰極負載二極管，因而可以大大簡化功率驅動電路的設計。圖2為該模塊的典型應用圖。　　
　　主機接口電路
　　
　　IRMCK201提供了多種與外部主機通信方式，主機可以通過RS-232/RS-422/485、SPI接口或8位并行接口來配置和監控系統的運行。RS-232/RS-422/485通信方式可以通過硬件選擇，通過MAX232進行電平轉換，RS-232接口允許PC直接對其進行寄存器的配置修改及狀態讀取，通信波特率可以通過外部引腳來選擇。SPI接口方式中，芯片處于從方式，通信zui高時鐘可達8MHz，可以實現與主機高速通信。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。
　　
　　伺服電機電流檢測電路設計
　　
　　通常伺服電機的電流檢測通過在電機相電路中串連一個小電阻，測量電阻壓降，通過A/D轉換進行采集。IRMCK201提供與ADS7818A/D轉換器接口，通過多路復用器4052可以輸入四路模擬信號，作為轉速或轉矩大小控制的模擬輸入、直流母線電壓的檢測，還可以檢測通過其他電流傳感器如HALL電流傳感器送來的兩路相電流信號。IRMCK201芯片除了采用這種方法進行電流檢測之外，還提供與IR2175線性數字電流傳感芯片直接接口引腳，用來測量伺服電機的相電流。
　　
　　IR2175線性電流傳感芯片作用是將電流信號從伺服電機的驅動電路轉換倒低端驅動電路，以便控制電路進行處理。在伺服電機相電路中串聯一個取樣電阻，隨著電機相電流的變化，取樣電阻上面產生一個很小的交流電壓信號作為IR2175電流傳感器IC的輸入。IR2175的zui大輸入電壓為+260mV，因此，過載電流流過取樣電阻時所產生電壓應為260mV。在IR2175的電路中，交流輸入信號被轉換成載頻為130kHz的PWM信號，經過電平轉換，PWM信號被轉換成了以地為參考點的信號。
　　
　　編碼器接口電路設計
　　
　　IRMCK201帶有編碼器接口電路，可以很方便組成一個全閉環伺服控制系統。它可以與多種編碼器接口，脈沖數可以從200PPR到10000PPR，脈沖頻率可以達到1MHz。從圖2可以看出，編碼器接口具有相互正交的ENA、ENB編碼器信號及零點標志信號接口。同時還具有三路HALL信號輸入，這三路信號既獨立使用，也可以復用。系統上電時可以通過HALL傳感器及Z脈沖位置估算編碼器初始值。
　　
　　控制輸入及狀態指示接口電路設計
　　
　　控制輸入信號包括啟動、停止、運轉方向、輸出使能、故障復位、主機狀態等；狀態指信號包括系統故障指示、同步指示及兩個雙色指示燈。可以直接通過輸入引腳控制輸出。
　　
　　交流伺服驅動器系統設計
　　
　　圖3示出通過普通單片機實現的一個基于IRMCK201芯片的伺服驅動器的框圖。　　
　　結語
　　
　　采用基于硬件控制的SVPWM輸出伺服驅動控制器的設計，具有控制頻率高，反應速度快，控制編程簡單等優點。基于IRMCK201的伺服驅動器能以20kHzPWM的更新速率運行，能與模擬伺服驅動媲美。IR公司還提供了基于FPGA實現的交流伺服驅動開發系統來降低成本和定制個性化伺服驅動系統。