新型永磁同步电机控制芯片IRMCK203及其应用

摘要：IRMCK203是IR公司最新推出的一款高性能无传感器永磁同步电机单片控制IC。它采用纯硬件电路来执行永磁同步电机的转子磁场定向控制算法，因而具有良好的动态性能，同时也具有高度灵活的可配置性能。文中介绍了IRMCK203芯片的结构特点，给出了基于IRMCK203的无传感器永磁同步电机的控制系统设计方法。 关键词：永磁同步电机 无传感器 转子磁场定向控制 IRMCK203 1 引言 永磁同步电机具有体积小、结构简单、重量轻、损耗小、效率高以及控制性能好等诸多优点，近年来在国防工业、农业生产和日常生活等方面获得越来越广泛的应用。 控制永磁同步电机最常用的最转子磁场定向控制算法，在该算法中，除了要进行多次的坐标变换与反变换外，还要进行电流及速度的闭环控制，因而实现比较复杂且实时性要求较高。为此，工程应用中一般采用DSP技术并以软件方式来实现，这种方法的优点是比较灵活，但系统开发周期比较长，开发人员需深入了解诸多相关领域的知识（如：功率电子技术、电机特性及控制、软件算法、通讯以及硬件集成等），而且该算法占用的处理器时间比较多，在某些情况下甚至不得不采用双DSP，这就使得系统的整体性价比不高；另外，软件方式的通用性也存在问题，不同厂家的产品甚至同一厂家不同系统的DSP，其指令系统也可能不一样，因此，用户代码一般不可重用。上述诸多因素使得开发高性能的电机伺服系统变得比较复杂且困难很多。目前高性能电机伺服系统的发展趋势之一是逐渐摆脱软件的束缚而策纯硬件方向发展，即使用基于FPGA或A-SIC的方案。IRMCK20x系列电机驱动IC就是美国国际整流器公司推出的基于纯硬件控制的电机闭环控制ASIC。 图1 2 IRMCK203的原理及特性 IRMCK203是无传感器表面式永磁同步电机闭环控制IC，与传统的MCU或DSP方案不同的是，IRMCK203完全不需要编程，而是使用基于电机控制引擎（Motion Control Engine,MCE）的硬件电路来实现闭环的无线传感器磁场定向控制算法。MCE包括有PI调节器、矢量运算、Clark变换等闭环控制所需的所有功能单元，所有功能完全由硬件电路来实现，因此具有快速计算能力和极佳的动态性能。除了电流闭环和基于速度估计的速度闭环控制功能外，IRMCK203还具有自动得启、失相检测、带母线电压监测的制动控制以及各种驱动保护功能，其模拟I/O和部分数字I/O都是可配置的，所有通讯端口都可以对内部寄存器进行操作。用户可以依据自己的实际情况（所使用电机及负载情况）来配置各种驱动参数（如：PI调节器参数、电流反馈范围、PWM载频等等）和监视系统状态。 2．1 IRMCK203结构特点 IRMCK203的内部结构及其与IR公司iMOTION系列外围器件所构成的电机控制系统如图1所示。IRMCK203有两种工作模式：一种是与MCU或PC配合的从模式，其运行完全完全主机的指令；另一种是自主工作模式，此时只要从AD输入0～5V的电压信号做速度参考值，外加一片1Kbit（128%26;#215;8）的串行EEPROM（AT24C01）来存储电机应用的相关配置信息，系统上电后便可自行读取数据到内部寄存器，并根据相关I/O口线的逻辑状态对电机进行控制。 IRMCK203的一个电流采样/闭环控制周期的工作大致可分为电流检测、速度/位置估计、电流及速度闭环控制以及SVPWM产生四个过程，当时钟频率为33MHz时，典型闭环控制周期为14.6μs。其运行状态机如图2所示。 IRMCK203的最大时钟为33.3MHz,最高闭环转速为100 000RPM，典型的高速范围为5%～100%，速度控制精度为15bit，电流检测精度为10/12bit，PWM载频可自行设定。IRMCK203采用QFP80封装，引脚可依其功能分为时钟接口、锁相环控制、SPI接口、RS232接口、并行接口、EEPROM接口、PWM驱动信号、IR2175电流检测接口、AD接口、基于PWM的4路DA输出接口、LED状态指示、复位以及离散控制输入输出（起/停、正/反转、故障指示、同步信号等）13个功能组，能提供全面的永磁同步电机控制解决方案。 2．2 IRMCK203的寄存器 永磁同步电机（PMSM）的矢量控制算法需要电机电流限制、压频曲线、速度设定值以及其它相关的控制参数。IRMCK203省去了算法的编程，取而代之的是丰富的接口和大量可供用户进行参数配置的片内寄存器，其寄存器分为可读和可写两种，其中可读寄存器用于监视系统状态，而可写寄存器则用来进行用户参数设定。主要的可写寄存器（组）如下： %26;#183;PWM配置寄存器组：可对PWM的周期、死区、SVPWM调制系统、PWM关闭以及是否采用SVPWM等进行设置。 %26;#183;电流反馈配置寄存器组：用于id和iq控制环路比例因子等参数设定。 %26;#183;系统控制寄存器组：用于设定正反转、启动/停止以及紧急制动三种状态参数，该寄存器的作用与器件相关引脚的作用相同。 %26;#183;力矩环配置寄存器组：可对电流控制环路的比例/积分参数、id和iq电流以及电压限制等参数进行设定。 %26;#183;速度环控制寄存器组：可对速度控制环的比例/积分参数、速度限制、力矩电流限制、速度变化范围、速度指定、加减速以及启动电流限制值等参数进行设置。 %26;#183;故障控制寄存器组：用于直流母线电压监视以及故障状态清除等。 %26;#183;系统控制寄存器组：用于设置电流检测方式（桥臂电阻或IR2175）、停机方式（直接/减速），以及是否由外围引脚来控制电机的正反转、启动/停止、紧急制动等。 %26;#183;EEPROM控制寄存器组：若系统中使用了EEPROM来存储相关参数，那么此寄存器可对EEPROM的复位、读写状态以及数据和地址初始值进行设定。 %26;#183;角度/位置估计闭环控制寄存器组：可以对电机绕组电阻和电感值、角度估计器相位补偿增益、磁通相位锁定环路的比例/积分参数、磁通初始值等参数进行设定。 %26;#183;角度开环控制寄存器：设置电机转矩常数以及压频曲线的斜率。 %26;#183;启动初始角度估计寄存器：设置各种与启动有关的诊断模式、启动过程中的停顿时间以及失相检测使能。 %26;#183;启动重试参数寄存器：对自动重启次数以及启动电流限制值进行设定。 %26;#183;失相检测寄存器：可对失相检测误差门限等与失相检测相关的参数进行设定。 %26;#183;DA输出控制寄存器：对四路DAC输出信号进行指定。 IRMCK203的只读寄存器包括：指示系统的PWM、FOC设置以及起停、正反转等状态的系统状态寄存器；指示母线电压值及制动状态的直流母线电压寄存器；指示当前速度的速度寄存器；FOC诊断数据寄存器、故障状态寄存器、电流反馈偏置寄存器和EEPROM状态指示寄存器等，详细信息可参阅IRMCK203数据手册。 图3 3 基于IRMCK203的电机控制系统 图3是IRMCK203的典型应用原理框图，其中AD转换器选用TI公司的12位串行AD芯片ADS7818，电流检测可使用IR公司的HVIC电流传感器IR2175来检测电机的相电流，也可以使用桥臂电阻来检测逆变桥的桥臂电流。 用IRMCK203设计电机控制系统可分为硬件设计和参数配置两步。 硬件设计主要是根据应用的实际情况选用功率驱动及电流检测器件。为获得最佳性能并减少器件数量，可以用IR公司推荐的iMOTION系列器件，如集成了门极驱动及功率保护功能的IRAM系列智能IGBT模块和电流传感芯片IR2175。然后根据IRMCK203的主从工作模式选择EEPROM或MCU来完成全部电路设计。 参数配置方法如下：启动IR所提供的电机驱动参数转换表格（Excel TM Spread Sheet），输入电机的相关信息，如最大运放速度、最大电流及电流调整范围等用户参数，该Excel表格会将高级用户参数转换成符合IRMCK203控制需要的工程参数。然后启动图形化的电机控制调试工具软件ServoDesigner RM，并载入ExcelTM Spread Sheet生成的数据，将其下载到IRMCK203内或EEPROM内，接着便可启动电机控制系统，以验证系统性能是否满足需要，再根据实际情况对有着参数进行适当调整，这样就完全了高性能闭环无传感器永磁同步电机驱动器的全部设计。 可以看出，与传统的基于DSP（如TI的嵌入式电机DSP芯片TMS320LF2401A）以及MCU（如东芝的TMP88CK49/CM49和Motorola的MC68HC708MP16等8位单片机系列）方案的电机伺服系统设计相比，复杂的软件设计和调试工作在这里被简化成了少量的参数设置，而且大多数工作由电机驱动参数转换表格（ExcelTM Spread Sheet）和电机控制调试工具软件ServoDesignerTM来完成，大大减轻了设计调试的工作量，缩短了项目周期并降低了项目风险，从而降低了整个项目的成本。 4 小结 在对高动态性能、高精度以及小体积伺服驱动需求日益增长的今天，永磁同步电机数字控制系统正逐渐取代直接伺服电机控制系统而成为主流。IRMCK203使用纯硬件来实现基于速度估计的闭环无传感器永磁同步电机驱动，具有极佳的动态性能、非常灵活的配置能力和方便的通讯接口，可大大简化永磁同步电机驱动系统的设计，为开发新一代高性能电机驱动系统创造了较为有利的条件，同时也将电机伺服控制应用技术提高到一个新的水平。