數(shù)字交流伺服驅(qū)動(dòng)器實(shí)現(xiàn)方案

摘要：

　　交流伺服驅(qū)動(dòng)器的控制包括信號(hào)的測量、濾波、整形、核心算法的實(shí)時(shí)完成，驅(qū)動(dòng)信號(hào)的產(chǎn)生和系統(tǒng)的監(jiān)控、保護(hù)等功能。

　　引言

　　國際整流器件公司針對高性能交流伺服驅(qū)動(dòng)的需求，設(shè)計(jì)出了基于硬件實(shí)現(xiàn)的完整的伺服驅(qū)動(dòng)控制單片解決方案IRMCK201, 適用不同類型的永磁或交流感應(yīng)電機(jī)，具有編碼器位置反饋接口，將運(yùn)動(dòng)控制算法通過硬件實(shí)現(xiàn)，從而省略了編程任務(wù)，達(dá)到實(shí)時(shí)控制的目的。 IRMCK201結(jié)合IR2175線性電流傳感芯片，IR2136三相逆變器驅(qū)動(dòng)芯片和IRAM 6A-20A功率模塊，組成一個(gè)完整的伺服驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)。

　　IRMCK201簡介

　　IRMCK201是基于數(shù)字同步旋轉(zhuǎn)矢量控制的交流伺服驅(qū)動(dòng)的單片硬件解決方案。圖1所示為其基本功能模塊。

　　電機(jī)三相電流通過Park變換與矢量旋轉(zhuǎn)被分解為產(chǎn)生磁通的勵(lì)磁電流分量id和產(chǎn)生轉(zhuǎn)矩的轉(zhuǎn)矩電流Iq分量，這兩個(gè)分量具有獨(dú)立的比例積分放大電路。芯片可以啟用或禁止速度閉環(huán)控制，啟用速度閉環(huán)控制時(shí)，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(chǎn)生速度偏差?；谶@個(gè)偏差，速度調(diào)節(jié)器產(chǎn)生一個(gè)對應(yīng)的轉(zhuǎn)矩電流Is_qRef;當(dāng)速度閉環(huán)控制禁止，可以直接改變轉(zhuǎn)矩電流Is_qRef。當(dāng)Is_dRef=0時(shí)，改變轉(zhuǎn)矩電流 Is_qRef，通過經(jīng)過Clark變換轉(zhuǎn)換成靜止的α,β坐標(biāo)系的電流分量isα、isβ,再經(jīng)過Park變換轉(zhuǎn)換成旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系下的電流Id,Iq?；谛D(zhuǎn)坐標(biāo)系的給定和實(shí)際電流的偏差，電流控制器產(chǎn)生輸出電壓Us_q和Us_d(在旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系d，q)。電壓Us_q和Us_d被反變換成靜止坐標(biāo)系下的電壓分量。然后經(jīng)過空間矢量PWM計(jì)算后，給逆變器的功率模塊發(fā)出合適的開關(guān)信號(hào)。

　　IRMCK201主機(jī)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(jī)或控制器進(jìn)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(dú)立運(yùn)行而不需要外部主機(jī)參與控制，其運(yùn)行參數(shù)通過外部EEPROM來保存，上電自動(dòng)從EEPROM中讀取參數(shù)。

　　IRMCK201具有編碼器接口，正交信號(hào)輸入頻率可達(dá)1MHz，很容易組成位置閉環(huán)控制系統(tǒng)。IRMCK201還具有HALL A/B/C接口，A/B/C可以單獨(dú)輸入也可以組合輸入,用來指示轉(zhuǎn)子位置。

　　IRMCK201還具有A/D轉(zhuǎn)換信號(hào)接口，直流母線電壓反饋及過壓制動(dòng)控制接口?？梢酝ㄟ^A/D接口輸入模擬參考電壓來改變輸出轉(zhuǎn)速或輸出轉(zhuǎn)矩。同時(shí)芯片具有PWM輸出，通過簡單低通濾波可以作為D/A信號(hào)輸出，驅(qū)動(dòng)指示儀表。通過寄存器的設(shè)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(qū)動(dòng)系統(tǒng)硬件單元電路設(shè)計(jì)

　　基于IRMCK201的交流伺服驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)主要包括高壓主電路設(shè)計(jì)、功率驅(qū)動(dòng)電路設(shè)計(jì)、電流電壓采集電路及過流過壓保護(hù)電路設(shè)計(jì)、編碼器位置反饋電路設(shè)計(jì)、主機(jī)接口電路及外部接口電路設(shè)計(jì)幾個(gè)部分。

　　主電路設(shè)計(jì)

　　高壓主電路包括EMC濾波電路、啟動(dòng)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(qū)動(dòng)電路的設(shè)計(jì)

　　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(qū)動(dòng)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(guī)格的集成功率模塊，如iramx16up60a模塊，包含6個(gè)NPT IGBT 芯片, 每一個(gè)都有自己的分立柵級(jí)電阻, 6個(gè)整流二極管, 1個(gè)三相單片集成IC, 1個(gè)柵極驅(qū)動(dòng)芯片, 3個(gè)具有限流電阻器和一對過溫保護(hù)的NTC熱敏電阻/電阻的陰極負(fù)載二極管，因而可以大大簡化功率驅(qū)動(dòng)電路的設(shè)計(jì)。圖2為該模塊的典型應(yīng)用圖。

主機(jī)接口電路

　　IRMCK201提供了多種與外部主機(jī)通信方式，主機(jī)可以通過RS-232/RS-422/485、SPI接口或8位并行接口來配置和監(jiān)控系統(tǒng)的運(yùn)行。RS-232/RS-422/485通信方式可以通過硬件選擇，通過MAX232進(jìn)行電平轉(zhuǎn)換，RS-232接口允許PC直接對其進(jìn)行寄存器的配置修改及狀態(tài)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，通信最高時(shí)鐘可達(dá)8MHz，可以實(shí)現(xiàn)與主機(jī)高速通信。不同通信方式通常都處于激活狀態(tài)，可以相互切換，但不能同時(shí)運(yùn)行。

　　伺服電機(jī)電流檢測電路設(shè)計(jì)

　　通常伺服電機(jī)的電流檢測通過在電機(jī)相電路中串連一個(gè)小電阻，測量電阻壓降，通過A/D轉(zhuǎn)換進(jìn)行采集。IRMCK201提供與ADS7818 A /D轉(zhuǎn)換器接口，通過多路復(fù)用器4052可以輸

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