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高性能数字运动控制芯片IRMCK201功能及其应用.doc

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高性能数字运动控制芯片 IRMCK201 功能及其应用摘要:IRMCK201 是美国国际整流公司开发的数字运动控制芯片,是专门针对伺服驱动系统而设计的。该器件可实现完整的速度环和电流环控制,具有快速的高性能伺服驱动能力。文中详细介绍了IRMCK201 的主要功能、特点和主要接口,并给出了一个应用于数控机床的交流伺服驱动系统的实例。关键词:IRMCK201;交流伺服;矢量控制;空间矢量脉宽调制1概述国际整流器件公司(IR)针对高性能交流伺服驱动的需求?设计出了基于FPGA技术的完摘要:IRMCK201 是美国国际整流公司开发的数字运动控制芯片,是专门针对伺服驱动系统而设计的。该器件可实现完整的速度环和电流环控制,具有快速的高性能伺服驱动能力。文中详细介绍了 IRMCK201 的主要功能、特点和主要接口,并给出了一个应用于数控机床的交流伺服驱动系统的实例。 关键词:IRMCK201;交流伺服;矢量控制;空间矢量脉宽调制1 概述国际整流器件公司(IR)针对高性能交流伺服驱动的需求?设计出了基于FPGA技术的完整的伺服驱动控制解决方案IRMCK201芯片。与传统的运动控制专用DSP芯片不同的是,IRMCK201不仅包含运动控制的外围功能? 如PWM、编码计数电路、电流传感接口等?,而且也包含通过硬件实现的FOC算法和速度控制算法,从而省略了编程任务?简化了高性能交流伺服系统的设计,此外它还适用于不同类型的永磁电机或感应电机,因而有很好的应用前景。IRMCK201采用标准的100管脚封装形式,其主要电气特点如下:●完整的电流闭环控制和速度闭环控制;●使用PWM载波频率可以配置速度和电流更新率;●可以配置感应电机或者永磁电机的控制系统;●带死区的空间矢量PWM;●最大时钟输入33.3MHz, 最大PWM载波频率83.3kHz, 电流环带宽5.5kHz,速度环更新率5/10kHz;●具有与高压线性电流传感器 IR2175、高压驱动芯片IR213x、霍尔A/B/C信号、光电编码器、RS232或RS422、快速SPI的接口;图 1●配置光电码盘的线数范围从200PPR~10000PPR;●可以监视直流母线电压;●可以配置模拟参考输入;●2MHz的计数器 改善低速性能;●具有4路采样/保持的A/D转换接口;●通过主机寄存器接口,AT24C01A可对内部数据/参数进行初始化;●智能IGBT保护封锁控制;●可以配套使用ServoDesigner配置工具软件。2 IRMCK201 内部功能结构图1为IRMCK201内部详细控制结构图。从图中可以看出,作为运动控制芯片,IRMCK201在硬件上具备了伺服控制所必需的控制单元,如带死区时间设置的空间矢量PWM、PARK变换和Clark变换、电流环PI调节器、速度环PI调节器、速度测量单元等,这样用户就省去了编写代码的任务,简化了复杂的设计过程。IRMCK201通过硬件逻辑实现伺服控制功能,芯片的接口可以灵活配置,因而为了实现不同的控制算法,可以通过接口对IRMCK201进行参数设置。以矢量控制的感应电机为例,在内部控制结构中有一个前馈滑模增益路径,可以通过设置相关寄存器来实现这种控制功能。也就是说,上位机仅需将“1” 或“0” 写入相关寄存器中,就可使该控制功能IRM-CK201也支持 其它结构,如除IR2175外的电流传感器接口芯片、电流控制中的前馈增益路径使能/禁止、闭环速度控制的使能/禁止以及速度给定值的选择等。也就是说采用IRMCK201配置伺服系统,只需了解它内部的功能模块和寄存器的情况,并通过上位机对它的寄存器进行配置,即可迅速实现各种功能。例如,要为逆变器设置一个开关频率为10kHz的PWM驱动信号,用户不需要编写程序代码来实现这个PWM信号的算法,只需要对相关寄存器赋值即可。IRMCK201主机通信接口包括RS232/RS485/RS422、快速SPI接口和8位并行接口。因此它可以方便与主机或控制器进行通信,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,上电时自动从EEPROM中读取参数。现以具有电流环和速度环的永磁无刷电机控制系统为例,分析系统的结构。通过配置相关寄存器使能速度闭环控制。对于电流环,由电流传感器IR2175采样电机V相和W相绕组电流,经过IRMCK201内部计算可以得到U相电流,与V相和W相电流一起组成三相电流,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和产生转矩的转矩电流分量?这两个直流量具有独立的比例积分调节器。对于速度环,由光电编码信号通过IRMCK201内部测速单元得到速度反馈,它与速度给定值相互比较产生速度偏差。这个偏差经过速度PI调节器产生一个对应的转矩电流Iq,当采
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