硬件实现数字交流伺服驱动器的设计

交流伺服驱动器的控制包括信号的测量、滤波、整形、核心算法的实时完成，驱动信号的产生和系统的监控、保护等功能。目前数字伺服驱动广泛采用单片机、数字信号处理器（DSP）、精简指令计算机（RISC）来实现数字控制算法。随着矢量控制、直接转矩控制、无速度传感器控制、基于智能化的系统控制（如模糊控制、人工神经网络控制等）的应用，使交流伺服驱动的控制算法越来越复杂。单片机、数字信号处理器等由于计算能力、实时多任务能力及存储与数据空间等有限，同时软件编程复杂，开发周期长，难以满足高性能交流伺服驱动器的要求。

国际整流器件公司针对高性能交流伺服驱动的需求，设计出了基于硬件实现的完整的伺服驱动控制单片解决方案IRMCK201,适用不同类型的永磁或交流感应电机，具有编码器位置反馈接口，将运动控制算法通过硬件实现，从而省略了编程任务，达到实时控制的目的。IRMCK201结合IR2175线性电流传感芯片，IR2136三相逆变器驱动芯片和IRAM6A-20A功率模块，组成一个完整的伺服驱动系统。

一、IRMCK201简介

IRMCK201是基于数字同步旋转矢量控制的交流伺服驱动的单片硬件解决方案。图1所示为其基本功能模块。

电机三相电流通过Park变换与矢量旋转被分解为产生磁通的励磁电流分量id和产生转矩的转矩电流Iq分量，这两个分量具有独立的比例积分放大电路。芯片可以启用或禁止速度闭环控制，启用速度闭环控制时，通过改变给定速度值，给定速度值与测量速度之间相互比较将产生速度偏差。基于这个偏差，速度调节器产生一个对应的转矩电流Is_qRef;当速度闭环控制禁止，可以直接改变转矩电流Is_qRef。当Is_dRef＝0时，改变转矩电流 Is_qRef，通过经过Clark变换转换成静止的α,β坐标系的电流分量isα、isβ,再经过Park变换转换成旋转坐标系下的电流Id,Iq。基于旋转坐标系的给定和实际电流的偏差，电流控制器产生输出电压Us_q和Us_d（在旋转坐标系d，q）。电压Us_q和Us_d被反变换成静止坐标系下的电压分量。然后经过空间矢量PWM计算后，给逆变器的功率模块发出合适的开关信号。

IRMCK201主机通信接口包括RS-232/RS-485/RS-422、快速SPI接口和8位并行接口。因此它可以方便与多轴主机或控制器进行通信，通过修改和读取其主控寄存器来控制输出。IRMCK201也可以独立运行而不需要外部主机参与控制，其运行参数通过外部EEPROM来保存，上电自动从EEPROM中读取参数。

IRMCK201具有编码器接口，正交信号输入频率可达1MHz，很容易组成位置闭环控制系统。IRMCK201还具有HALLA/B/C接口，A/B/C可以单独输入也可以组合输入,用来指示转子位置。

IRMCK201还具有A/D转换信号接口，直流母线电压反馈及过压制动控制接口。可以通过A/D接口输入模拟参考电压来改变输出转速或输出转矩。同时芯片具有PWM输出，通过简单低通滤波可以作为D/A信号输出，驱动指示仪表。通过寄存器的设置，可以选择指示母线电压、V相电压、W相电压、速度参考值、速度反馈值、Iq参考值、Uq、Ud、Iq或Ib等。

二、交流伺服驱动系统硬件单元电路设计

基于IRMCK201的交流伺服驱动系统的硬件设计主要包括高压主电路设计、功率驱动电路设计、电流电压采集电路及过流过压保护电路设计、编码器位置反馈电路设计、主机接口电路及外部接口电路设计几个部分。

2.1 主电路设计

高压主电路包括EMC滤波电路、启动冲击延缓电路、整流滤波电路、过流、过压、欠压检测电路。电源可以采用220V单相交流电压，也可以采用三相220V交流电压通过整流滤波得到高压母线直流电压。

2.2 功率驱动电路的设计

IRMCK201提供了芯片提供三组SVPWM输出，通过光电隔离，可以与IGBT模块或功率MOSFET的驱动电路连接。目前集成三相桥式 IGBT模块很多，IR公司也提供了几种规格的集成功率模块，如iramx16up60a模块，包含6个NPTIGBT芯片,每一个都有自己的分立栅级电阻,6个整流二极管,1个三相单片集成IC,1个栅极驱动芯片,3个具有限流电阻器和一对过温保护的NTC热敏电阻/电阻的阴极负载二极管，因而可以大大简化功率驱动电路的设计。图2为该模块的典型应用图。

2.3 主机接口电路

IRMCK201提供了多种与外部主机通信方式，主机可以通过RS-232/RS-422/485、SPI接口或8位并行接口来配置和监控系统的运行。RS-232/RS-422/485通信方式可以通过硬件选择，通过MAX232进行电平转换，RS-232接口允许PC直接对其进行寄存器的配置修改及状态读取，通信波特率可以通过外部引脚来选择。SPI接口方式中，芯片处于从方式，通信最高时钟可达8MHz，可以实现与主机高速通信。不同通信方式通常都处于激活状态，可以相互切换，但不能同时运行。

2.4 伺服电机电流检测电路设计

通常伺服电机的电流检测通过在电机相电路中串连一个小电阻，测量电阻压降，通过A/D转换进行采集。IRMCK201提供与ADS7818A /D转换器接口，通过多路复用器4052可以输入四路模拟信号，作为转速或转矩大小控制的模拟输入、直流母线电压的检测，还可以检测通过其他电流传感器如 HALL电流传感器送来的两路相电流信号。IRMCK201芯片除了采用这种方法进行电流检测之外，还提供与IR2175线性数字电流传感芯片直接接口引脚，用来测量伺服电机的相电流。

IR2175线性电流传感芯片作用是将电流信号从伺服电机的高端驱动电路转换倒低端驱动电路，以便控制电路进行处理。在伺服电机相电路中串联一个取样电阻，随着电机相电流的变化，取样电阻上面产生一个很小的交流电压信号作为IR2175电流传感器IC的输入。IR2175的最大输入电压为+260mV，因此，过载电流流过取样电阻时所产生电压应为260mV。在IR2175的高端电路中，交流输入信号被转换成载频为130kHz的PWM 信号，经过电平转换，PWM信号被转换成了以地为参考点的信号。

2.5 编码器接口电路设计

IRMCK201带有编码器接口电路，可以很方便组成一个全闭环伺服控制系统。它可以与多种编码器接口，脉冲数可以从200PPR到 10000PPR，脉冲频率可以达到1MHz。从图2可以看出，编码器接口具有相互正交的ENA、ENB编码器信号及零点标志信号接口。同时还具有三路 HALL信号输入，这三路信号既独立使用，也可以复用。系统上电时可以通过HALL传感器及Z脉冲位置估算编码器初始值。

2.6 控制输入及状态指示接口电路设计

控制输入信号包括启动、停止、运转方向、输出使能、故障复位、主机状态等；状态指信号包括系统故障指示、同步指示及两个双色指示灯。可以直接通过输入引脚控制输出。

2.7 交流伺服驱动器系统设计

图3示出通过普通单片机实现的一个基于IRMCK201芯片的伺服驱动器的框图。

三、结语

采用基于硬件控制的SVPWM输出伺服驱动控制器的设计，具有控制频率高，反应速度快，控制编程简单等优点。基于IRMCK201的伺服驱动器能以20kHzPWM的更新速率运行，能与模拟伺服驱动媲美。IR公司还提供了基于FPGA实现的交流伺服驱动开发系统来降低成本和定制个性化伺服驱动系统。