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基于硬件實(shí)現(xiàn)數(shù)字交流伺服驅(qū)動(dòng)器的設(shè)計(jì)

時(shí)間:2007-06-19 10:49:00來(lái)源:lihan

導(dǎo)語(yǔ):?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。
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(kāi)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?;谛D(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(kāi)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(kāi)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)。

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