新型永磁同步電機(jī)控制芯片IRMCK203及其應(yīng)用

摘要：IRMCK203是IR公司最新推出的一款高性能無傳感器永磁同步電機(jī)單片控制IC。它采用純硬件電路來執(zhí)行永磁同步電機(jī)的轉(zhuǎn)子磁場定向控制算法，因而具有良好的動(dòng)態(tài)性能，同時(shí)也具有高度靈活的可配置性能。文中介紹了IRMCK203芯片的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，給出了基于IRMCK203的無傳感器永磁同步電機(jī)的控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)方法。

關(guān)鍵詞：永磁同步電機(jī) 無傳感器 轉(zhuǎn)子磁場定向控制 IRMCK203

1 引言

永磁同步電機(jī)具有體積小、結(jié)構(gòu)簡單、重量輕、損耗小、效率高以及控制性能好等諸多優(yōu)點(diǎn)，近年來在國防工業(yè)、農(nóng)業(yè)生產(chǎn)和日常生活等方面獲得越來越廣泛的應(yīng)用。

控制永磁同步電機(jī)最常用的最轉(zhuǎn)子磁場定向控制算法，在該算法中，除了要進(jìn)行多次的坐標(biāo)變換與反變換外，還要進(jìn)行電流及速度的閉環(huán)控制，因而實(shí)現(xiàn)比較復(fù)雜且實(shí)時(shí)性要求較高。為此，工程應(yīng)用中一般采用DSP技術(shù)并以軟件方式來實(shí)現(xiàn)，這種方法的優(yōu)點(diǎn)是比較靈活，但系統(tǒng)開發(fā)周期比較長，開發(fā)人員需深入了解諸多相關(guān)領(lǐng)域的知識(shí)（如：功率電子技術(shù)、電機(jī)特性及控制、軟件算法、通訊以及硬件集成等），而且該算法占用的處理器時(shí)間比較多，在某些情況下甚至不得不采用雙DSP，這就使得系統(tǒng)的整體性價(jià)比不高；另外，軟件方式的通用性也存在問題，不同廠家的產(chǎn)品甚至同一廠家不同系統(tǒng)的DSP，其指令系統(tǒng)也可能不一樣，因此，用戶代碼一般不可重用。上述諸多因素使得開發(fā)高性能的電機(jī)伺服系統(tǒng)變得比較復(fù)雜且困難很多。目前高性能電機(jī)伺服系統(tǒng)的發(fā)展趨勢之一是逐漸擺脫軟件的束縛而策純硬件方向發(fā)展，即使用基于FPGA或A-SIC的方案。IRMCK20x系列電機(jī)驅(qū)動(dòng)IC就是美國國際整流器公司推出的基于純硬件控制的電機(jī)閉環(huán)控制ASIC。

圖1

2 IRMCK203的原理及特性

IRMCK203是無傳感器表面式永磁同步電機(jī)閉環(huán)控制IC，與傳統(tǒng)的MCU或DSP方案不同的是，IRMCK203完全不需要編程，而是使用基于電機(jī)控制引擎（Motion Control Engine,MCE）的硬件電路來實(shí)現(xiàn)閉環(huán)的無線傳感器磁場定向控制算法。MCE包括有PI調(diào)節(jié)器、矢量運(yùn)算、Clark變換等閉環(huán)控制所需的所有功能單元，所有功能完全由硬件電路來實(shí)現(xiàn)，因此具有快速計(jì)算能力和極佳的動(dòng)態(tài)性能。除了電流閉環(huán)和基于速度估計(jì)的速度閉環(huán)控制功能外，IRMCK203還具有自動(dòng)得啟、失相檢測、帶母線電壓監(jiān)測的制動(dòng)控制以及各種驅(qū)動(dòng)保護(hù)功能，其模擬I/O和部分?jǐn)?shù)字I/O都是可配置的，所有通訊端口都可以對內(nèi)部寄存器進(jìn)行操作。用戶可以依據(jù)自己的實(shí)際情況（所使用電機(jī)及負(fù)載情況）來配置各種驅(qū)動(dòng)參數(shù)（如：PI調(diào)節(jié)器參數(shù)、電流反饋范圍、PWM載頻等等）和監(jiān)視系統(tǒng)狀態(tài)。

2．1 IRMCK203結(jié)構(gòu)特點(diǎn)

IRMCK203的內(nèi)部結(jié)構(gòu)及其與IR公司iMOTION系列外圍器件所構(gòu)成的電機(jī)控制系統(tǒng)如圖1所示。IRMCK203有兩種工作模式：一種是與MCU或PC配合的從模式，其運(yùn)行完全完全主機(jī)的指令；另一種是自主工作模式，此時(shí)只要從AD輸入0～5V的電壓信號(hào)做速度參考值，外加一片1Kbit（1288）的串行EEPROM（AT24C01）來存儲(chǔ)電機(jī)應(yīng)用的相關(guān)配置信息，系統(tǒng)上電后便可自行讀取數(shù)據(jù)到內(nèi)部寄存器，并根據(jù)相關(guān)I/O口線的邏輯狀態(tài)對電機(jī)進(jìn)行控制。

IRMCK203的一個(gè)電流采樣/閉環(huán)控制周期的工作大致可分為電流檢測、速度/位置估計(jì)、電流及速度閉環(huán)控制以及SVPWM產(chǎn)生四個(gè)過程，當(dāng)時(shí)鐘頻率為33MHz時(shí)，典型閉環(huán)控制周期為14.6μs。其運(yùn)行狀態(tài)機(jī)如圖2所示。

IRMCK203的最大時(shí)鐘為33.3MHz,最高閉環(huán)轉(zhuǎn)速為100 000RPM，典型的高速范圍為5%～100%，速度控制精度為15bit，電流檢測精度為10/12bit，PWM載頻可自行設(shè)定。IRMCK203采用QFP80封裝，引腳可依其功能分為時(shí)鐘接口、鎖相環(huán)控制、SPI接口、RS232接口、并行接口、EEPROM接口、PWM驅(qū)動(dòng)信號(hào)、IR2175電流檢測接口、AD接口、基于PWM的4路DA輸出接口、LED狀態(tài)指示、復(fù)位以及離散控制輸入輸出（起/停、正/反轉(zhuǎn)、故障指示、同步信號(hào)等）13個(gè)功能組，能提供全面的永磁同步電機(jī)控制解決方案。

2．2 IRMCK203的寄存器

永磁同步電機(jī)（PMSM）的矢量控制算法需要電機(jī)電流限制、壓頻曲線、速度設(shè)定值以及其它相關(guān)的控制參數(shù)。IRMCK203省去了算法的編程，取而代之的是豐富的接口和大量可供用戶進(jìn)行參數(shù)配置的片內(nèi)寄存器，其寄存器分為可讀和可寫兩種，其中可讀寄存器用于監(jiān)視系統(tǒng)狀態(tài)，而可寫寄存器則用來進(jìn)行用戶參數(shù)設(shè)定。主要的可寫寄存器（組）如下：

PWM配置寄存器組：可對PWM的周期、死區(qū)、SVPWM調(diào)制系統(tǒng)、PWM關(guān)閉以及是否采用SVPWM等進(jìn)行設(shè)置。

電流反饋配置寄存器組：用于id和iq控制環(huán)路比例因子等參數(shù)設(shè)定。

系統(tǒng)控制寄存器組：用于設(shè)定正反轉(zhuǎn)、啟動(dòng)/停止以及緊急制動(dòng)三種狀態(tài)參數(shù)，該寄存器的作用與器件相關(guān)引腳的作用相同。

力矩環(huán)配置寄存器組：可對電流控制環(huán)路的比例/積分參數(shù)、id和iq電流以及電壓限制等參數(shù)進(jìn)行設(shè)定。

速度環(huán)控制寄存器組：可對速度控制環(huán)的比例/積分參數(shù)、速度限制、力矩電流限制、速度變化范圍、速度指定、加減速以及啟動(dòng)電流限制值等參數(shù)進(jìn)行設(shè)置。

故障控制寄存器組：用于直流母線電壓監(jiān)視以及故障狀態(tài)清除等。

系統(tǒng)控制寄存器組：用于設(shè)置電流檢測方式（橋臂電阻或IR2175）、停機(jī)方式（直接/減速），以及是否由外圍引腳來控制電機(jī)的正反轉(zhuǎn)、啟動(dòng)/停止、緊急制動(dòng)等。

EEPROM控制寄存器組：若系統(tǒng)中使用了EEPROM來存儲(chǔ)相關(guān)參數(shù)，那么此寄存器可對EEPROM的復(fù)位、讀寫狀態(tài)以及數(shù)據(jù)和地址初始值進(jìn)行設(shè)定。

角度/位置估計(jì)閉環(huán)控制寄存器組：可以對電機(jī)繞組電阻和電感值、角度估計(jì)器相位補(bǔ)償增益、磁通相位鎖定環(huán)路的比例/積分參數(shù)、磁通初始值等參數(shù)進(jìn)行設(shè)定。

角度開環(huán)控制寄存器：設(shè)置電機(jī)轉(zhuǎn)矩常數(shù)以及壓頻曲線的斜率。

啟動(dòng)初始角度估計(jì)寄存器：設(shè)置各種與啟動(dòng)有關(guān)的診斷模式、啟動(dòng)過程中的停頓時(shí)間以及失相檢測使能。

啟動(dòng)重試參數(shù)寄存器：對自動(dòng)重啟次數(shù)以及啟動(dòng)電流限制值進(jìn)行設(shè)定。

失相檢測寄存器：可對失相檢測誤差門限等與失相檢測相關(guān)的參數(shù)進(jìn)行設(shè)定。

DA輸出控制寄存器：對四路DAC輸出信號(hào)進(jìn)行指定。

IRMCK203的只讀寄存器包括：指示系統(tǒng)的PWM、FOC設(shè)置以及起停、正反轉(zhuǎn)等狀態(tài)的系統(tǒng)狀態(tài)寄存器；指示母線電壓值及制動(dòng)狀態(tài)的直流母線電壓寄存器；指示當(dāng)前速度的速度寄存器；FOC診斷數(shù)據(jù)寄存器、故障狀態(tài)寄存器、電流反饋偏置寄存器和EEPROM狀態(tài)指示寄存器等，詳細(xì)信息可參閱IRMCK203數(shù)據(jù)手冊。

圖3

3 基于IRMCK203的電機(jī)控制系統(tǒng)

圖3是IRMCK203的典型應(yīng)用原理框圖，其中AD轉(zhuǎn)換器選用TI公司的12位串行AD芯片ADS7818，電流檢測可使用IR公司的HVIC電流傳感器IR2175來檢測電機(jī)的相電流，也可以使用橋臂電阻來檢測逆變橋的橋臂電流。

用IRMCK203設(shè)計(jì)電機(jī)控制系統(tǒng)可分為硬件設(shè)計(jì)和參數(shù)配置兩步。

硬件設(shè)計(jì)主要是根據(jù)應(yīng)用的實(shí)際情況選用功率驅(qū)動(dòng)及電流檢測器件。為獲得最佳性能并減少器件數(shù)量，可以用IR公司推薦的iMOTION系列器件，如集成了門極驅(qū)動(dòng)及功率保護(hù)功能的IRAM系列智能IGBT模塊和電流傳感芯片IR2175。然后根據(jù)IRMCK203的主從工作模式選擇EEPROM或MCU來完成全部電路設(shè)計(jì)。

參數(shù)配置方法如下：啟動(dòng)IR所提供的電機(jī)驅(qū)動(dòng)參數(shù)轉(zhuǎn)換表格（Excel TM Spread Sheet），輸入電機(jī)的相關(guān)信息，如最大運(yùn)放速度、最大電流及電流調(diào)整范圍等用戶參數(shù)，該Excel表格會(huì)將高級(jí)用戶參數(shù)轉(zhuǎn)換成符合IRMCK203控制需要的工程參數(shù)。然后啟動(dòng)圖形化的電機(jī)控制調(diào)試工具軟件ServoDesigner RM，并載入ExcelTM Spread Sheet生成的數(shù)據(jù)，將其下載到IRMCK203內(nèi)或EEPROM內(nèi)，接著便可啟動(dòng)電機(jī)控制系統(tǒng)，以驗(yàn)證系統(tǒng)性能是否滿足需要，再根據(jù)實(shí)際情況對有著參數(shù)進(jìn)行適當(dāng)調(diào)整，這樣就完全了高性能閉環(huán)無傳感器永磁同步電機(jī)驅(qū)動(dòng)器的全部設(shè)計(jì)。

可以看出，與傳統(tǒng)的基于DSP（如TI的嵌入式電機(jī)DSP芯片TMS320LF2401A）以及MCU（如東芝的TMP88CK49/CM49和Motorola的MC68HC708MP16等8位單片機(jī)系列）方案的電機(jī)伺服系統(tǒng)設(shè)計(jì)相比，復(fù)雜的軟件設(shè)計(jì)和調(diào)試工作在這里被簡化成了少量的參數(shù)設(shè)置，而且大多數(shù)工作由電機(jī)驅(qū)動(dòng)參數(shù)轉(zhuǎn)換表格（ExcelTM Spread Sheet）和電機(jī)控制調(diào)試工具軟件ServoDesignerTM來完成，大大減輕了設(shè)計(jì)調(diào)試的工作量，縮短了項(xiàng)目周期并降低了項(xiàng)目風(fēng)險(xiǎn)，從而降低了整個(gè)項(xiàng)目的成本。

4 小結(jié)

在對高動(dòng)態(tài)性能、高精度以及小體積伺服驅(qū)動(dòng)需求日益增長的今天，永磁同步電機(jī)數(shù)字控制系統(tǒng)正逐漸取代直接伺服電機(jī)控制系統(tǒng)而成為主流。IRMCK203使用純硬件來實(shí)現(xiàn)基于速度估計(jì)的閉環(huán)無傳感器永磁同步電機(jī)驅(qū)動(dòng)，具有極佳的動(dòng)態(tài)性能、非常靈活的配置能力和方便的通訊接口，可大大簡化永磁同步電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，為開發(fā)新一代高性能電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)創(chuàng)造了較為有利的條件，同時(shí)也將電機(jī)伺服控制應(yīng)用技術(shù)提高到一個(gè)新的水平。