利用運(yùn)動(dòng)控制IC簡(jiǎn)化設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)高性能

伺服控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)最關(guān)鍵的部分是控制算法的開發(fā)，它影響到系統(tǒng)的最終控制性能?？刂扑惴ㄖ邪▽?duì)各種器件接口的傳感信號(hào)，而且往往這些信號(hào)和電力電子電路以及器件密切耦合，而位置信號(hào)、速度信號(hào)以及電流信號(hào)都是實(shí)現(xiàn)反饋控制的關(guān)鍵變量。
在傳統(tǒng)實(shí)現(xiàn)中，所有控制單元都通過(guò)在運(yùn)動(dòng)控制芯片DSP或者M(jìn)CU中的軟件代碼實(shí)現(xiàn)。在DSP及MCU的時(shí)時(shí)控制環(huán)境中，電流環(huán)控制通過(guò)高優(yōu)先權(quán)任務(wù)隊(duì)列實(shí)現(xiàn)，需要精通時(shí)時(shí)控制方面的知識(shí)。在電機(jī)的控制中，任務(wù)進(jìn)程的執(zhí)行往往由專門的硬件事件/中斷驅(qū)動(dòng)，需要連續(xù)的指令代碼來(lái)時(shí)時(shí)精確控制硬件的執(zhí)行。而且對(duì)于應(yīng)用在伺服以及無(wú)傳感器的磁場(chǎng)定向控制(FOC)中，軟件通常用匯編語(yǔ)言，以滿足快速的計(jì)算和更新率等高動(dòng)態(tài)性能增長(zhǎng)的需要。有時(shí)需要采用專門的代碼技術(shù)以克服傳統(tǒng)的計(jì)算滯后問(wèn)題，如采用shift指令快速實(shí)現(xiàn)乘/除功能以完成快速的計(jì)算。軟件中模塊化的源代碼被編譯和連接在一起，最后得到一個(gè)較大的可執(zhí)行目標(biāo)代碼，包含閉環(huán)控制、用戶接口時(shí)序以及網(wǎng)絡(luò)通訊等。如果存在錯(cuò)誤，必須在源代碼中進(jìn)行重新編譯和連接并產(chǎn)生修改后的可執(zhí)行源代碼，為了達(dá)到最終的產(chǎn)品階段這個(gè)過(guò)程往往需要重復(fù)很多次。
因此，開發(fā)和實(shí)現(xiàn)一個(gè)高性能的伺服系統(tǒng)或者無(wú)傳感器的交流驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)，快速的運(yùn)動(dòng)控制算法是一項(xiàng)最具挑戰(zhàn)性的任務(wù)。

運(yùn)動(dòng)控制引擎(MCE)
為了實(shí)現(xiàn)高性能的伺服應(yīng)用和無(wú)傳感器控制應(yīng)用，IR最近開發(fā)了新型的——IRMCK201 和IRMCK203數(shù)字運(yùn)動(dòng)控制芯片。其中IRMCK201采用100引腳的QFP封裝，IRMCK203采用80引腳的QFP封裝，而且僅需外部提供33MHz的晶振。IRMCK201 主要針對(duì)于伺服驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，具有快速的高性能伺服驅(qū)動(dòng)能力，而 IRMCK203主要針對(duì)于永磁交流電機(jī)的正弦無(wú)傳感器的高性能控制，電機(jī)控制參數(shù)的調(diào)整都是通過(guò)硬件實(shí)現(xiàn)。IRMCK201和傳統(tǒng)的運(yùn)動(dòng)控制用DSP芯片不同的是，它不僅包含運(yùn)動(dòng)控制的外圍功能(如PWM、編碼計(jì)數(shù)電路、電流傳感接口等)，而且也包含通過(guò)硬件實(shí)現(xiàn)的FOC算法和速度控制算法，即運(yùn)動(dòng)控制引擎。
MCE通過(guò)控制單元(如比例積分、矢量旋轉(zhuǎn)、Clark變換等)來(lái)實(shí)現(xiàn)閉環(huán)控制、運(yùn)動(dòng)型的外圍硬件控制(如空間矢量PWM、電機(jī)電流反饋接口、解碼器反饋)，使能并行多環(huán)控制的時(shí)序控制邏輯。閉環(huán)速度控制和閉環(huán)電流控制的同步執(zhí)行機(jī)制都包含在邏輯硬件中，因而不需要多任務(wù)控制功能。
內(nèi)部結(jié)構(gòu)
IRMCK201通過(guò)硬件邏輯實(shí)現(xiàn)伺服控制功能，因而為了實(shí)現(xiàn)不同的控制算法，芯片的接口可以零活配置，如圖1所示。以矢量控制的感應(yīng)電機(jī)為例，在內(nèi)部控制結(jié)構(gòu)中有一個(gè)矢量角產(chǎn)生的前反饋滑模增益路徑，所以可以通過(guò)關(guān)閉相關(guān)的開關(guān)來(lái)實(shí)現(xiàn)這種類型的控制功能。PC僅需通過(guò)寫入“1”或者“0”到相關(guān)的寄存器中，以關(guān)閉開關(guān)就可以實(shí)現(xiàn)感應(yīng)電機(jī)控制的使能。IRMCK201也支持其它的結(jié)構(gòu)，如除IR2175外的所有電流傳感器接口芯片、電流控制中的前反饋增益路徑使能/非使能、閉環(huán)速度控制的使能和非使能以及速度命令的選擇源。
由于IRMCK201不需要任何的編程和譯碼，所以根本不需要任何PC接口就可以容易地轉(zhuǎn)化為一個(gè)固定功能的硬件邏輯IC。為了滿足新的電機(jī)控制參數(shù)及其微調(diào)，它的硬件配置過(guò)程非常簡(jiǎn)單。
計(jì)算速度和動(dòng)態(tài)性能
運(yùn)動(dòng)控制引擎的一個(gè)明顯優(yōu)點(diǎn)就是在確定的時(shí)間里可以完成閉環(huán)控制算法所需要的短時(shí)計(jì)算。計(jì)算速度直接影響到伺服系統(tǒng)扭矩和速度的動(dòng)態(tài)性能，閉環(huán)電流控制的更新率越快扭矩控制的帶寬就越大，從而影響到系統(tǒng)中旋轉(zhuǎn)機(jī)械的周期時(shí)間。
盡管DSP和MCU的伺服驅(qū)動(dòng)控制應(yīng)用靈活，但在寬帶應(yīng)用中由于需要一步一步的執(zhí)行龐大的指令而產(chǎn)生瓶頸，它仍然不是完全意義上的伺服驅(qū)動(dòng)控制。利用有運(yùn)動(dòng)控制引擎的IRMCK201，系統(tǒng)可以突破了這個(gè)障礙，它能以40kHz的PWM更新率或者較大頻率更新率運(yùn)行。
當(dāng)使用IRMCK203來(lái)實(shí)現(xiàn)無(wú)傳感器的閉環(huán)電流控制時(shí)，其計(jì)算時(shí)間可以大大縮短，例如家庭空調(diào)系統(tǒng)中壓縮電機(jī)的無(wú)傳感控制。而在最新的家庭空調(diào)應(yīng)用系統(tǒng)中，通常使用32位的高性能RISC微處理器，其計(jì)算能力達(dá)到50 MIPS，為了對(duì)無(wú)傳感器的的速度控制進(jìn)行計(jì)算，所需要的時(shí)間大約為60ms。由于空調(diào)系統(tǒng)需要有無(wú)傳感算法的電機(jī)控制、風(fēng)扇電機(jī)控制以及PFC控制，而為了滿足微控制器系統(tǒng)緊湊的電源要求，這就需要縮短算法的計(jì)算時(shí)間。當(dāng)使用IRMCK203時(shí)，其計(jì)算時(shí)間可以縮短到11ms，從而增加了PWM載波頻率的更新率。對(duì)于PWM載波頻率達(dá)到或者超過(guò)40kHz的應(yīng)用來(lái)說(shuō)，使用IRMCK203的永磁電機(jī)可以獲得很多好處，如高速錠子以及齒狀鉆孔機(jī)應(yīng)用。
低損失和低EMI的空間矢量PWM
由于IRMCK203使用低損失和低EMI的空間矢量PWM來(lái)開關(guān)IGBT功率器件，與傳統(tǒng)的三相PWM相比，它可以降低20％甚至更多的功耗損失和EMI 噪音。圖2是典型的電壓開關(guān)波形和電機(jī)電流波形圖。

應(yīng)用及開發(fā)工具
把IRMCK201設(shè)計(jì)到實(shí)時(shí)的壽命電路中是一項(xiàng)具有挑戰(zhàn)性的工作，但是為了實(shí)現(xiàn)完全意義上的伺服驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)，IR公司充分考慮到從樣品到產(chǎn)品發(fā)布的設(shè)計(jì)要求。功率電子電路的設(shè)計(jì)、模擬信號(hào)的處理、開關(guān)電源電路的設(shè)計(jì)以及傳感接口電路的設(shè)計(jì)都是為了實(shí)現(xiàn)完整意義伺服系統(tǒng)所必需的。尤其是對(duì)于設(shè)計(jì)具有高性能熱管理的功率電子電路時(shí)，需要很高的硬件設(shè)計(jì)技術(shù)知識(shí)和很強(qiáng)的技術(shù)經(jīng)驗(yàn)，而這對(duì)于大多數(shù)的硬件設(shè)計(jì)師來(lái)說(shuō)往往是最大的技術(shù)障礙。
IRMCS2011/IRMCS2031實(shí)現(xiàn)1kW的設(shè)計(jì)平臺(tái)
使用IRMCK201芯片開發(fā)的IRMCS2011設(shè)計(jì)平臺(tái)幫助設(shè)計(jì)者更加全面地設(shè)計(jì)系統(tǒng)，如圖3所示。它實(shí)現(xiàn)了1kW伺服應(yīng)用的設(shè)計(jì)，包含散熱片和連接件在內(nèi)的所有硬件，由于集成了許多工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，非常接近實(shí)際產(chǎn)品。在IRMCS2011中唯一缺少的是外殼以及面板，所以使用者無(wú)需修改和增加電路就可以評(píng)估系統(tǒng)的性能。設(shè)計(jì)者也可以得到基于IRMCK203芯片的開發(fā)工具包IRMCS2031。
IRMCS2011 和 IRMCS2031硬件設(shè)計(jì)平臺(tái)都采用IR公司的IGBT智能模塊；其中IRMCS2011使用20A/600V的IRAM20U60A，而IRMCS2031使用16A/600V的IRAMY16U60A。這兩個(gè)功率智能模塊都是基于IMS技術(shù)設(shè)計(jì)，內(nèi)部集成有IR2136三相高壓門驅(qū)動(dòng)IC，使用單穩(wěn)高壓的IR2175來(lái)實(shí)現(xiàn)電機(jī)電流傳感。如果采用SO-8封裝的IR2175芯片和IRMCK201來(lái)實(shí)現(xiàn)復(fù)雜閉環(huán)電機(jī)控制，其體積將會(huì)很小，而且電流傳感也很容易實(shí)現(xiàn)。在IRMCS2031系統(tǒng)中，也可以采用3腳的電流互感器以實(shí)現(xiàn)電流傳感。IRMCK201 和 IRMCK203運(yùn)動(dòng)控制芯片通過(guò)結(jié)合智能IGBT模塊和IR2175電流傳感芯片，不但簡(jiǎn)化了應(yīng)用者的設(shè)計(jì)任務(wù)，而且減少了元器件數(shù)、節(jié)約了電路板的空間。
IRMCS2011包含過(guò)流/短路保護(hù)電路，還帶有多輸出的開關(guān)模式電源接口以及所有必須的傳感接口電路。
ServoDesigner工具
ServoDesigner對(duì)寄存器進(jìn)行讀和寫，來(lái)幫助設(shè)計(jì)者對(duì)參數(shù)進(jìn)行相應(yīng)的設(shè)置，如定義所需要訪問(wèn)的寄存器、改變寄存器的名稱、對(duì)讀和寫的寄存器組進(jìn)行分組。使用者也可以自定義和增加新的功能來(lái)擴(kuò)展運(yùn)動(dòng)控制的范圍，以及驗(yàn)證專門的性能。例如，使用者可以設(shè)計(jì)具有連續(xù)加速和減速構(gòu)成的多步起停的速度特性曲線，并通過(guò)這種交互式的運(yùn)動(dòng)特性曲線快速驗(yàn)證所需要的性能。
ServoDesigner還帶有故障診斷功能，無(wú)需任何配置就可以在運(yùn)行過(guò)程中，將故障及運(yùn)行狀態(tài)顯示在屏幕上。
如果使用Excel軟件，寄存器的配置可以進(jìn)一步得到簡(jiǎn)化。ServoDesigner提供了一個(gè)輔助的Excel電子表作為模板，適合于不同的新型電機(jī)。使用者只需把電機(jī)名牌參數(shù)如電機(jī)電流、轉(zhuǎn)速、編碼器行數(shù)寫入表格之后，表格計(jì)算并產(chǎn)生寫入到專門寄存器里的數(shù)值，然后把數(shù)據(jù)表導(dǎo)入到ServoDesigner的寄存器里即可。工具中也包含可讀和寫EEPROM ，以方便使用者存儲(chǔ)微調(diào)參數(shù)，從而減少了反復(fù)配置的次數(shù)。當(dāng)配置完成后，使用者可以選擇ServoDesigner來(lái)啟動(dòng)運(yùn)行，也可以使用不帶ServoDesigner的獨(dú)立運(yùn)行模式。

結(jié)語(yǔ)
在未來(lái)的數(shù)字運(yùn)動(dòng)控制芯片中，運(yùn)動(dòng)控制引擎將會(huì)變成硬件計(jì)算的核心，主要應(yīng)用于高性能的伺服驅(qū)動(dòng)場(chǎng)合。針對(duì)家庭空調(diào)以及洗衣機(jī)應(yīng)用的低成本控制應(yīng)用芯片也將有很好的應(yīng)用前景。借助設(shè)計(jì)工具包，設(shè)計(jì)者就可以縮短開發(fā)周期?！?/P>

參考文獻(xiàn)
1 A.Hiruma,H.Kanazawa, T.Uchida,Y.Yamanashi. Inverter Air Conditioner in Japan. Proceedings, PCIM China 2003, March, 2003