基于硬件實現(xiàn)數(shù)字交流伺服驅(qū)動器設(shè)計

　　交流伺服驅(qū)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(qū)動信號的產(chǎn)生和系統(tǒng)的監(jiān)控、保護等功能。目前數(shù)字伺服驅(qū)動廣泛采用單片機、數(shù)字信號處理器(DSP)、精簡指令計算機(RISC)來實現(xiàn)數(shù)字控制算法。隨著矢量控制、直接轉(zhuǎn)矩控制、無速度傳感器控制、基于智能化的系統(tǒng)控制(如模糊控制、人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制等)的應(yīng)用，使交流伺服驅(qū)動的控制算法越來越復(fù)雜。單片機、數(shù)字信號處理器等由于計算能力、實時多任務(wù)能力及存儲與數(shù)據(jù)空間等有限，同時軟件編程復(fù)雜，開發(fā)周期長，難以滿足高性能交流伺服驅(qū)動器的要求。
　　
　　整流器件公司針對高性能交流伺服驅(qū)動的需求，設(shè)計出了基于硬件實現(xiàn)的完整的伺服驅(qū)動控制單片解決方案IRMCK201,適用不同類型的永磁或交流感應(yīng)電機，具有編碼器位置反饋接口，將運動控制算法通過硬件實現(xiàn)，從而省略了編程任務(wù)，達(dá)到實時控制的目的。IRMCK201結(jié)合IR2175線性電流傳感芯片，IR2136三相逆變器驅(qū)動芯片和IRAM6A-20A功率模塊，組成一個完整的伺服驅(qū)動系統(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(zhuǎn)被分解為產(chǎn)生磁通的勵磁電流分量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(huán)控制，啟用速度閉環(huán)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(chǎn)生速度偏差。基于這個偏差，速度調(diào)節(jié)器產(chǎn)生一個對應(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，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。基于旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系的給定和實際電流的偏差，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計算后，給逆變器的功率模塊發(fā)出合適的開關(guān)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(shù)通過外部EEPROM來保存，上電自動從EEPROM中讀取參數(shù)。
　　
　　IRMCK201具有編碼器接口，正交信號輸入頻率可達(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(zhuǎn)子位置。
　　
　　IRMCK201還具有A/D轉(zhuǎn)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(zhuǎn)速或輸出轉(zhuǎn)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(qū)動指示儀表。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)動系統(tǒng)硬件單元電路設(shè)計
　　
　　基于IRMCK201的交流伺服驅(qū)動系統(tǒng)的硬件設(shè)計主要包括高壓主電路設(shè)計、功率驅(qū)動電路設(shè)計、電流電壓采集電路及過流過壓保護電路設(shè)計、編碼器位置反饋電路設(shè)計、主機接口電路及外部接口電路設(shè)計幾個部分。
　　
　　主電路設(shè)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(qū)動電路的設(shè)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(qū)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(guī)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(qū)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(fù)載二極管，因而可以大大簡化功率驅(qū)動電路的設(shè)計。圖2為該模塊的典型應(yīng)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(jiān)控系統(tǒng)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(zhuǎn)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(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zui高時鐘可達(dá)8MHz，可以實現(xiàn)與主機高速通信。不同通信方式通常都處于激活狀態(tài)，可以相互切換，但不能同時運行。
　　
　　伺服電機電流檢測電路設(shè)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(zhuǎn)換進行采集。IRMCK201提供與ADS7818A/D轉(zhuǎn)換器接口，通過多路復(fù)用器4052可以輸入四路模擬信號，作為轉(zhuǎn)速或轉(zhuǎn)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(shù)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(qū)動電路轉(zhuǎn)換倒低端驅(qū)動電路，以便控制電路進行處理。在伺服電機相電路中串聯(lián)一個取樣電阻，隨著電機相電流的變化，取樣電阻上面產(chǎn)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(chǎn)生電壓應(yīng)為260mV。在IR2175的電路中，交流輸入信號被轉(zhuǎn)換成載頻為130kHz的PWM信號，經(jīng)過電平轉(zhuǎn)換，PWM信號被轉(zhuǎn)換成了以地為參考點的信號。
　　
　　編碼器接口電路設(shè)計
　　
　　IRMCK201帶有編碼器接口電路，可以很方便組成一個全閉環(huán)伺服控制系統(tǒng)。它可以與多種編碼器接口，脈沖數(shù)可以從200PPR到10000PPR，脈沖頻率可以達(dá)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(biāo)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(fù)用。系統(tǒng)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(tài)指示接口電路設(shè)計
　　
　　控制輸入信號包括啟動、停止、運轉(zhuǎn)方向、輸出使能、故障復(fù)位、主機狀態(tài)等；狀態(tài)指信號包括系統(tǒng)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(qū)動器系統(tǒng)設(shè)計
　　
　　圖3示出通過普通單片機實現(xiàn)的一個基于IRMCK201芯片的伺服驅(qū)動器的框圖。　　
　　結(jié)語
　　
　　采用基于硬件控制的SVPWM輸出伺服驅(qū)動控制器的設(shè)計，具有控制頻率高，反應(yīng)速度快，控制編程簡單等優(yōu)點。基于IRMCK201的伺服驅(qū)動器能以20kHzPWM的更新速率運行，能與模擬伺服驅(qū)動媲美。IR公司還提供了基于FPGA實現(xiàn)的交流伺服驅(qū)動開發(fā)系統(tǒng)來降低成本和定制個性化伺服驅(qū)動系統(tǒng)。