交流伺服驅(qū)動(dòng)器的控制包括信號(hào)的測(cè)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,。目前數(shù)字伺服驅(qū)動(dòng)廣泛采用單片機(jī)、數(shù)字信號(hào)處理器（DSP）,、精簡(jiǎn)指令計(jì)算機(jī)（RISC）來(lái)實(shí)現(xiàn)數(shù)字控制算法,。隨著矢量控制、直接轉(zhuǎn)矩控制,、無(wú)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(dòng)的控制算法越來(lái)越復(fù)雜,。單片機(jī)、數(shù)字信號(hào)處理器等由于計(jì)算能力,、實(shí)時(shí)多任務(wù)能力及存儲(chǔ)與數(shù)據(jù)空間等有限,，同時(shí)軟件編程復(fù)雜，開發(fā)周期長(zhǎng),，難以滿足高性能交流伺服驅(qū)動(dòng)器的要求,。

    國(guó)際整流器件公司針對(duì)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(guò)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(jiǎn)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(guò)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(guò)改變給定速度值,，給定速度值與測(cè)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(duì)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(guò)經(jīng)過(guò)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(guò)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(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(guò)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(guò)修改和讀取其主控寄存器來(lái)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(guò)外部EEPROM來(lái)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(lái)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(guò)壓制動(dòng)控制接口,。可以通過(guò)A/D接口輸入模擬參考電壓來(lái)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(guò)簡(jiǎn)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(guò)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(guò)流過(guò)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(guò)流,、過(guò)壓、欠壓檢測(cè)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(guò)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(guò)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(duì)過(guò)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(jiǎn)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(guò)RS-232/RS-422/485,、SPI接口或8位并行接口來(lái)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(guò)硬件選擇，通過(guò)MAX232進(jìn)行電平轉(zhuǎn)換,，RS-232接口允許PC直接對(duì)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(guò)外部引腳來(lái)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(cè)電路設(shè)計(jì)

    通常伺服電機(jī)的電流檢測(cè)通過(guò)在電機(jī)相電路中串連一個(gè)小電阻,，測(cè)量電阻壓降，通過(guò)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(guò)多路復(fù)用器4052可以輸入四路模擬信號(hào)，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(cè),，還可以檢測(cè)通過(guò)其他電流傳感器如 HALL電流傳感器送來(lái)的兩路相電流信號(hào)。IRMCK201芯片除了采用這種方法進(jìn)行電流檢測(cè)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(lái)測(cè)量伺服電機(jī)的相電流。

    IR2175線性電流傳感芯片作用是將電流信號(hào)從伺服電機(jī)的高端驅(qū)動(dòng)電路轉(zhuǎn)換倒低端驅(qū)動(dòng)電路,，以便控制電路進(jìn)行處理,。在伺服電機(jī)相電路中串聯(lián)一個(gè)取樣電阻，隨著電機(jī)相電流的變化,，取樣電阻上面產(chǎn)生一個(gè)很小的交流電壓信號(hào)作為IR2175電流傳感器IC的輸入,。 IR2175的最大輸入電壓為+260mV，因此,，過(guò)載電流流過(guò)取樣電阻時(shí)所產(chǎn)生電壓應(yīng)為260mV。在IR2175的高端電路中,，交流輸入信號(hào)被轉(zhuǎn)換成載頻為130kHz的PWM 信號(hào),，經(jīng)過(guò)電平轉(zhuǎn)換，PWM信號(hào)被轉(zhuǎn)換成了以地為參考點(diǎn)的信號(hào),。

編碼器接口電路設(shè)計(jì)

    IRMCK201帶有編碼器接口電路,，可以很方便組成一個(gè)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(hào)及零點(diǎn)標(biāo)志信號(hào)接口,。同時(shí)還具有三路 HALL信號(hào)輸入，這三路信號(hào)既獨(dú)立使用,，也可以復(fù)用,。系統(tǒng)上電時(shí)可以通過(guò)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(jì)

    控制輸入信號(hào)包括啟動(dòng),、停止,、運(yùn)轉(zhuǎn)方向、輸出使能,、故障復(fù)位,、主機(jī)狀態(tài)等；狀態(tài)指信號(hào)包括系統(tǒng)故障指示,、同步指示及兩個(gè)雙色指示燈,。可以直接通過(guò)輸入引腳控制輸出,。

交流伺服驅(qū)動(dòng)器系統(tǒng)設(shè)計(jì)

    圖3示出通過(guò)普通單片機(jī)實(shí)現(xiàn)的一個(gè)基于IRMCK201芯片的伺服驅(qū)動(dòng)器的框圖,。

結(jié)語(yǔ)

    采用基于硬件控制的SVPWM輸出伺服驅(qū)動(dòng)控制器的設(shè)計(jì)，具有控制頻率高,，反應(yīng)速度快,，控制編程簡(jiǎn)單等優(yōu)點(diǎn)?；贗RMCK201的伺服驅(qū)動(dòng)器能以20kHz PWM的更新速率運(yùn)行,，能與模擬伺服驅(qū)動(dòng)媲美。IR公司還提供了基于FPGA實(shí)現(xiàn)的交流伺服驅(qū)動(dòng)開發(fā)系統(tǒng)來(lái)降低成本和定制個(gè)性化伺服驅(qū)動(dòng)系統(tǒng),。