数字交流伺服驱动器实现方案

摘要：

　　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。

　　引言

　　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IRAM 6A-20A功率模块，组成一个完整的伺服驱动系统。

　　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HALL A/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。

　　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。

　　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。

　　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NPT IGBT 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。

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。

　　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ADS7818 A /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