新型永磁同步電機(jī)控制芯片

1、新型永磁同步電機(jī)控制芯片irmck203 及其應(yīng)用來(lái)源：國(guó)外電子元器件作者：譚恒 梁國(guó)柱李 明摘要： irmck203 是 ir 公司最新推出的一款高性能無(wú)傳感器永磁同步電機(jī)單片控制 ic。它采用純硬件電路來(lái)執(zhí)行永磁同步電機(jī)的轉(zhuǎn)子磁場(chǎng)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(wú)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(wú)傳感器轉(zhuǎn)子磁場(chǎng)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(jiǎn)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(lái)在國(guó)防工業(yè)、農(nóng)業(yè)生產(chǎn)

2、和日常生活等方面獲得越來(lái)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(chǎng)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(lái)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(zhǎng)，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(wèn)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)

3、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(shì)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。 irmck20 x系列電機(jī)驅(qū)動(dòng)ic 就是美國(guó)國(guó)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 。2 irmck203的原理及特性irmck203是無(wú)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(lái)實(shí)現(xiàn)

4、閉環(huán)的無(wú)線傳感器磁場(chǎng)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(lái)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(cè)、帶母線電壓監(jiān)測(cè)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(duì)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(lái)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)irmck2

5、03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 05v 的電壓信號(hào)做速度參考值，外加一片1kbit （1288）的串行eeprom （at24c01 ）來(lái)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(duì)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(cè)、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(guò)程， 當(dāng)

6、時(shí)鐘頻率為33mhz 時(shí)，典型閉環(huán)控制周期為14.6s 。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(cè)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(cè)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 /

7、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(lái)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(duì)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 i

8、q 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(duì)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(duì)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(cè)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(lái)控制電機(jī)的正反轉(zhuǎn)、啟動(dòng)/停止、緊急

9、制動(dòng)等。 eeprom 控制寄存器組： 若系統(tǒng)中使用了eeprom來(lái)存儲(chǔ)相關(guān)參數(shù)，那么此寄存器可對(duì) 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(duì)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(guò)程中的停頓時(shí)間以及失相檢測(cè)使能。 啟動(dòng)重試參數(shù)寄存器：對(duì)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(cè)寄存器：可對(duì)失相檢測(cè)誤差門限等與失相檢測(cè)相關(guān)的參數(shù)進(jìn)行設(shè)定。 da

10、 輸出控制寄存器：對(duì)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(cè)。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(cè)可使用ir 公司的 hvic 電流傳感器ir2175 來(lái)檢測(cè)電機(jī)的

11、相電流，也可以使用橋臂電阻來(lái)檢測(cè)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(cè)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(lái)完成全部電路設(shè)計(jì)。參數(shù)配置方法如下：?jiǎn)?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

12、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(duì)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(wú)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(jiǎn)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(lái)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)