摘要
　　IRMCK201和IRMCK203是用于高性能交流驅(qū)動系統(tǒng)的完整閉環(huán)電流控制和速度控制的新型集成電路，是一種單芯片解決方案。不同于傳統(tǒng)的微控制器或者數(shù)字信號處理器（DSP）技術(shù)，IRMCK201和IRMCK203不需要任何編程就可以進(jìn)行復(fù)雜的交流伺服算法開發(fā)。配合使用整流器公司的高壓柵極驅(qū)動和電流測量集成電路，用戶可以用zui少的組件實(shí)現(xiàn)完整的交流伺服和無速度傳感器控制，所需的設(shè)計(jì)和計(jì)算量很少。IRMCK201和IRMCK203中的所有控制算法是用Motion Control Engine  （運(yùn)動控制引擎，簡寫為MCE）中的硬件邏輯電路實(shí)現(xiàn)的，用于進(jìn)行交流電流和速度的閉環(huán)控制。由于可以靈活地組態(tài)，它們的用途很廣。這兩種集成電路是用硬件來進(jìn)行高實(shí)時(shí)性的運(yùn)動控制計(jì)算，因而使用這些器件來做閉環(huán)控制，具有的帶寬。使用 IRMCK201時(shí)，可以把驅(qū)動配置成為感應(yīng)電動機(jī)閉環(huán)矢量控制，或永磁電動機(jī)伺服驅(qū)動系統(tǒng)。使用IRMCK203 型集成電路，也可以輕易的實(shí)現(xiàn)永磁交流電動機(jī)的無速度傳感器控制。在這兩種集成電路中有豐富的運(yùn)動外圍器件、模擬及數(shù)字I/O可供配置。它的主通信邏輯電路包括一個(gè)異步通信接口，作為 RS232C，或者RS422，或者RS485通信接口使用；它還有一個(gè)高速的SPI從接口和一個(gè)八位通用并行接口。這個(gè)集成電路采用緊湊的100 引腳和80引腳的塑封QFP封裝，可以很容易地集成到用戶的印刷電路板上。
　　對當(dāng)前運(yùn)動控制設(shè)計(jì)過程的回顧
　　高性能伺服控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)是一件復(fù)雜的工作，通常涉及到不同技術(shù)領(lǐng)域的很多學(xué)科和專門技術(shù)。因此設(shè)計(jì)工程師們在設(shè)計(jì)高性能伺服控制的過程中，需要深入了解電力電子技術(shù)、硬件集成、*的控制算法、靈活的用戶界面、網(wǎng)絡(luò)通信等專業(yè)知識。
　　在眾多設(shè)計(jì)因素中，控制算法對整個(gè)系統(tǒng)的性能具有至關(guān)重要的影響。控制算法中包括各種與傳感器有關(guān)的環(huán)節(jié)，這些傳感器與電力電子電路和組件有著密切的關(guān)系。其中，位置、速度、電流都是很重要的變量，需要利用相應(yīng)的傳感器把它們反饋到系統(tǒng)中。
　　在控制三相交流電動機(jī)時(shí)，需要進(jìn)行磁場定向控制（Field Orientation Control，簡稱FOC）。FOC就是對三相交流電流或電壓進(jìn)行變換，從而實(shí)現(xiàn)對轉(zhuǎn)矩的線性控制。
　　FOC的策略是：測量三相電動機(jī)的電流并且將它變換成為轉(zhuǎn)矩電流和勵磁電流兩個(gè)分量，從而實(shí)現(xiàn)對轉(zhuǎn)矩控制的簡化（線性控制）。所以，所謂的閉環(huán)電流控制實(shí)際上包含兩個(gè)獨(dú)立的電流控制環(huán)路。一個(gè)是控制轉(zhuǎn)矩電流，另一個(gè)控制磁場電流。兩個(gè)環(huán)路的結(jié)構(gòu)一樣，都包含若干個(gè)控制環(huán)節(jié)。一些基本的控制環(huán)節(jié)包括：旋轉(zhuǎn)矢量變換、Clark座標(biāo)變換、比例加積分環(huán)節(jié)、脈沖寬度調(diào)制器（PWM），以及電流測量環(huán)節(jié)。
　　除了PWM發(fā)生和電流測量環(huán)節(jié)，所有的控制環(huán)節(jié)過去都是用運(yùn)動控制DSP或微控制器中的軟件程序來實(shí)現(xiàn)的。在使用DSP或者微控制器進(jìn)行實(shí)時(shí)控制時(shí)，這些電流控制環(huán)路是優(yōu)先執(zhí)行的任務(wù)。這需要設(shè)計(jì)人員對實(shí)時(shí)控制有深入準(zhǔn)確的把握，嚴(yán)格按順序執(zhí)行每個(gè)控制環(huán)節(jié)，在特定的時(shí)間段內(nèi)依次完成各個(gè)計(jì)算任務(wù)。
　　這些任務(wù)往往是通過某些硬件的事件/中斷來驅(qū)動，對軟件模塊的執(zhí)行時(shí)間要求非常，要求指令按特定順序執(zhí)行，從而在一定的時(shí)間操作硬件來驅(qū)動電機(jī)。
　　用于伺服控制和無速度傳感器控制的FOC軟件通常是匯編語言而不是語言編寫，因?yàn)檫@些程序往往需要*的執(zhí)行速度和更新速度來滿足系統(tǒng)動態(tài)性能不斷提高的要求。有時(shí)，使用一些特殊的編程技術(shù)（也就是用轉(zhuǎn)移指令實(shí)現(xiàn)快速的乘法 / 除法功能），可以進(jìn)行快速計(jì)算以克服計(jì)算能力不足的問題。
　　不論是用語言（例如C、C++等）還是用低級的匯編語言，也不論是用DSP還是用微控制器，都需要專業(yè)的編程技能將這些運(yùn)動控制環(huán)節(jié)轉(zhuǎn)化成按一定順序進(jìn)行的計(jì)算，其中包含數(shù)以千計(jì)的指令。然后，對軟件模塊（軟件通常是設(shè)計(jì)成由很多模塊組成）中的各段源程序進(jìn)行編譯，并且把它們連接起來。zui后，它變成一個(gè)龐大的可執(zhí)行目標(biāo)程序，其中包含所有的功能，例如閉環(huán)控制、用戶界面、網(wǎng)絡(luò)通訊等。如果存在差錯，就要在源程序中把它找出來，進(jìn)行修改，重新編譯，重新連接，再得到修改過的可執(zhí)行目標(biāo)程序。這個(gè)過程往往需要重復(fù)很多次，才能得到一個(gè)zui終程序。
　　另一個(gè)問題是程序維護(hù)。維護(hù)程序的成本往往是隱性成本，在開發(fā)階段開始是不明顯的。
　　因此，快速地開發(fā)運(yùn)動控制算法，同時(shí)達(dá)到很高的性能，對于高性能伺服系統(tǒng)和交流電動機(jī)的無傳感器驅(qū)動系統(tǒng)來說，仍然是一件富于挑戰(zhàn)性的工作。
　　運(yùn)動控制引擎－IRMCK201和IRMCK203的心臟
　　整流器公司zui近推出的新型數(shù)字運(yùn)動控制集成電路IRMCK201和IRMCK203，用于高性能的伺服控制和無速度傳感器控制。IRMCK201采用經(jīng)濟(jì)的100引腳QFP封裝（圖1），IRMCK203則采用80引腳的QFP封裝。這些集成電路只需要一只廉價(jià)的晶振為33 MHz的時(shí)鐘提供時(shí)鐘信號。IRMCK201是為了簡化伺服驅(qū)動系統(tǒng)的設(shè)計(jì)工作、快速實(shí)現(xiàn)高性能的伺服驅(qū)動系統(tǒng)而設(shè)計(jì)的，而IRMCK203是針對永磁交流電動機(jī)的高性能正弦波無傳感器控制而設(shè)計(jì)的。如果硬件采用集成電路 IRMCK201或者IRMCK203實(shí)現(xiàn)，不需要花費(fèi)很多的設(shè)計(jì)時(shí)間和編程工作量，就可以完成諸如電機(jī)的調(diào)整這樣的任務(wù)。硬件就可以實(shí)現(xiàn)所有的功能。 與傳統(tǒng)的運(yùn)動控制DSP不同，IRMCK201里面不僅有用于運(yùn)動控制的外圍部件（例如PWM，碼盤計(jì)數(shù)電路、電流測量接口等），而且包含全套的磁通控制算法和速度控制算法，這些是通過硬件實(shí)現(xiàn)的，即所謂的運(yùn)動控制引擎（Motion Control Engine  ，簡稱MCE）。

　　MCE包含閉環(huán)控制*的控制環(huán)節(jié)（例如比例積分環(huán)節(jié)、矢量旋轉(zhuǎn)、 Clark座標(biāo)變換器等）、運(yùn)動控制的硬件外圍部件（空間矢量PWM、電機(jī)電流反饋、碼盤信號反饋），以及進(jìn)行并行多環(huán)路控制的流程控制邏輯電路等組成，因此無需進(jìn)行多任務(wù)運(yùn)行。同步進(jìn)行閉環(huán)速度控制和閉環(huán)電流控制的架構(gòu)都已集成在邏輯電路硬件里面。
　　內(nèi)部結(jié)構(gòu)——硬件固定，但使用和配置都很靈活

　　IRMCK201是一種數(shù)字集成電路，用硬件邏輯電路集成了使用編碼器伺服控制的所有必需的功能。所以，它的結(jié)構(gòu)是事先配置好的，如圖2所示，但是它可以執(zhí)行不同結(jié)構(gòu)的控制算法。以感應(yīng)電機(jī)的矢量控制為例。它內(nèi)部有一個(gè)前饋滑差增益通道連接到矢量角度計(jì)算部分。閉合該通道上相應(yīng)的開關(guān)即可使該控制的配置生效。因此，只要將開關(guān)閉合或斷開，確切地說，即是通過計(jì)算機(jī)把“1”或者“0”寫到相應(yīng)的寄存器中，就可以選擇啟動或者禁止感應(yīng)電機(jī)的控制功能。IRMCK201支持其他不同的結(jié)構(gòu)配置（例如使用其他類型的電流傳感器接口，而不是使用電流測量集成電路IR2175），使用或禁用電流控制中的前饋增益通道，使用或禁用速度閉環(huán)控制，以及選擇速度指令的類型。

　　不需編程、易于診斷
　　IRMCK201不需進(jìn)行任何編碼或編程。因此，它可以很方便地組成一個(gè)功能固定、*硬件化的邏輯集成電路，作為單機(jī)伺服控制器，*不需與計(jì)算機(jī)接口。用于控制一個(gè)新電機(jī)時(shí)，配置的改變也很簡單。它的主寄存器可以用一臺電腦（PC）或者微處理器通過RS232C串行總線或者SPI串行接口或者并行接口讀寫。將特定的數(shù)值寫到相應(yīng)的寄存器中，就可以簡易快速地完成伺服驅(qū)動的配置，實(shí)現(xiàn)所需的性能和功能。例如，在逆變器的功率器件中，如果PWM的開關(guān)頻率選為10 kHz，那么用戶只需要把它對應(yīng)的數(shù)值寫到相應(yīng)的寄存器中就可以了。用戶不必寫代碼來實(shí)現(xiàn)PWM算法。一旦通過對主寄存器的寫操作完成驅(qū)動的配置之后，這個(gè)過程就完成了（不需再編譯和連接zui終的目標(biāo)程序）。
　　快速的計(jì)算和非凡的動態(tài)性能
　　運(yùn)動控制引擎的一個(gè)重要優(yōu)點(diǎn)是，以一個(gè)確定的時(shí)序，用非常短的時(shí)間完成所有閉環(huán)控制算法的計(jì)算。對于一個(gè)伺服系統(tǒng)來說，計(jì)算速度直接決定了伺服系統(tǒng)轉(zhuǎn)矩和速度的動態(tài)性能。閉環(huán)電流控制的速度越快，轉(zhuǎn)矩控制的頻帶就越寬，這又會影響系統(tǒng)的運(yùn)行時(shí)間或機(jī)器的循環(huán)周期。例如，表面貼裝元件貼片機(jī)要求極快的選片和貼片速度，以縮短組件裝配的整個(gè)運(yùn)行周期。
　　數(shù)字式伺服系統(tǒng)雖然很靈活，在頻帶寬度方面還不能達(dá)到模擬伺服驅(qū)動系統(tǒng)那樣的性能，尤其是轉(zhuǎn)矩控制的頻帶。主要原因是，計(jì)算時(shí)必須一條一條地順序執(zhí)行大量的指令，從而限制了DSP和微控制器的處理能力。
　　IRMCK201配置了運(yùn)動控制引擎，排除了這個(gè)障礙。IRMCK201在工作時(shí)，它的PWM刷新速率是 40kHz甚至更高，跟模擬伺服驅(qū)動系統(tǒng)的性能相似。

　　圖3是轉(zhuǎn)矩控制環(huán)的階躍響應(yīng)。圖中的兩條曲線分別是轉(zhuǎn)矩電流給定參考值（藍(lán)線的是“Iq參考值”） 和轉(zhuǎn)矩電流反饋值（紅線的是“Iq反饋值”）。這些數(shù)據(jù)是在轉(zhuǎn)子堵轉(zhuǎn)、PWM頻率為40kHz、電流控制環(huán)刷新速度為40kHz的情況下測得的。參考信號的幅值是電動機(jī)額定電流的50%。如圖所示，轉(zhuǎn)矩電流只用了大約350微秒就跟隨到參考信號值。
　　在使用 IRMCK203后，無速度傳感器閉環(huán)電流控制的計(jì)算時(shí)間可以大大縮短。對于需要采用正弦無速度傳感器控制的場合，例如家用空調(diào)系統(tǒng)壓縮機(jī)的電動機(jī)驅(qū)動，這一點(diǎn)能帶來很多好處。例如，在的家用空調(diào)系統(tǒng)中，就使用了一種高性能的32位RISC微處理器。這種微處理器的計(jì)算速度可達(dá)到50 MIPS。但是，完成復(fù)雜的無速度傳感器的控制算法，仍需耗費(fèi)60微秒的時(shí)間。由于空調(diào)機(jī)不僅需要對壓縮機(jī)電機(jī)進(jìn)行無速度傳感器控制，還需要額外以無速度傳感器控制來控制冷卻風(fēng)扇以及實(shí)現(xiàn)功率因數(shù)校正（PFC），以上計(jì)算時(shí)間仍需進(jìn)一步的縮小，以滿足微處理器功率的需求。
　　同樣，由于指令是基于32位的，存儲器的使用也增加了。指令存儲器的容量要求達(dá)到128 kB。
　　如果使用IRMCK203，計(jì)算時(shí)間將減少到11 微秒，而不是60 微秒。這樣就有更多的余地來采用更高的PWM載波頻率，提高刷新速度。IRMCK203對于使用永磁電動機(jī)的超高速控制系統(tǒng)是很有利的，要做的只是把PWM載波的頻率調(diào)節(jié)到40 kHz或者更高一些。高速主軸和牙科鉆電機(jī)控制，就是使用IRMCK203的高載波頻率PWM的典型例子。
　　損耗小、電磁干擾（EMI）低的空間矢量PWM可以減少散熱器的尺寸，避免使用EMI濾波器
　　IRMCK203使用損耗小、電磁干擾小的空間矢量PWM的方法，將驅(qū)動信號送到IGBT功率器件上。與傳統(tǒng)的三相PWM方式相比，功率損耗和EMI噪音可以減少大約20 %甚至更多。圖4是典型的電壓脈沖波形和電機(jī)電流波形。

　　高性能模擬“轉(zhuǎn)矩驅(qū)動”升級的理想方案
　　IRMCK201可以單獨(dú)使用，不需主控制器。一般用串行的EEPROM把負(fù)載電機(jī)的特定參數(shù)加載到集成電路中。也可以把集成電路直接連接到普通的串行12位A/D轉(zhuǎn)換器上，這樣使用IRMCK201的系統(tǒng)就可以接收工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)的±10 V輸入作為速度或者轉(zhuǎn)矩的給定信號。IRMCK201采用100引腳QFP封裝，尺寸很小，與采用 SO-8封裝的電流測量集成電路IR2175 一起使用，可以大大減少伺服放大器的尺寸，用于對成本很敏感的應(yīng)用場合。
　　應(yīng)用與支持工具

　　把IRMCK201用到實(shí)際的電路中，這方面的設(shè)計(jì)仍然是一項(xiàng)富于挑戰(zhàn)性的工作。整流器公司認(rèn)識到，整個(gè)伺服驅(qū)動系統(tǒng)從樣機(jī)開發(fā)到變成成品，是需要做很多工作的。電力電子電路、模擬信號轉(zhuǎn)換電路、電源 target=_blank>開關(guān)電源電路、傳感器接口電路的設(shè)計(jì)都是必須的，這些電路是整個(gè)伺服驅(qū)動器的重要組成部分。要特別注意的是，電力電子電路與熱設(shè)計(jì)總是不可分割的，這很大程度上依賴于設(shè)計(jì)者的經(jīng)驗(yàn)，從而加大了硬件系統(tǒng)設(shè)計(jì)的難度。
　　完整的1 kW設(shè)計(jì)平臺IRMCS2011 / IRMCS2031

　　為了幫助用戶開展各種方式的設(shè)計(jì)，整流器公司在推出集成電路IRMCK201的同時(shí)，還推出了設(shè)計(jì)平臺IRMCS2011（圖5和圖6）。IRMCS2011與以前的設(shè)計(jì)工具不同，它是用于設(shè)計(jì)1 kW的伺服驅(qū)動裝置的一整套完整的設(shè)計(jì)系統(tǒng)。它包含了一切必需的硬件，其中包括散熱器和連接器。由于遵循了許多工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，這個(gè)硬件平臺其實(shí)已經(jīng)很接近實(shí)際的zui終產(chǎn)品。例如，印刷電路板（PCB）的設(shè)計(jì)是按照UL508C進(jìn)行的。按照UL508C，在印刷電路板上的高壓走線間保留了足夠的爬電距離，防止漏電。在設(shè)計(jì)平臺IRMCS2011中*缺少的東西是面板和機(jī)殼。

　　用戶可以立即用它來評估IRMCK201的系統(tǒng)性能，不必增加或者修改電路。
　　我們還可以提供基于IRMCK203 集成電路的IRMCS2031設(shè)計(jì)平臺。
　　IRMCS2011 和IRMCS2031的硬件都使用整流器公司的IGBT智能模塊。 IRAMY20U60A，它的額定電流是20A，額定電壓是600 V，用于IRMCS2011；而IRAMY16U60A的額定電流是16A，額定電壓是600V，用于IRMCS2031。IGBT智能模塊使用*的IMS技術(shù)，其中包含三相高壓柵極驅(qū)動集成電路IR2136。單片高壓集成電路IR2175 完成電機(jī)電流的測量。這種集成電路可以直接接到集成電路IRMCK201上去，它采用尺寸很小的SO-8封裝，可以緊湊簡單的實(shí)現(xiàn)電機(jī)電流測量，用于復(fù)雜的電機(jī)閉環(huán)控制系統(tǒng)。 在IRMCS2031 系統(tǒng)中，可以選擇使用另外的電流測量電路，該電路在三相橋的低邊接地端分別并接有一個(gè)分流電阻。
　　運(yùn)動控制集成電路IRMCK201和IRMCK203與整流器公司的IGBT智能模塊及電流測量集成電路IR2175結(jié)合起來使用時(shí)，可以大大地簡化用戶電力電子電路的設(shè)計(jì)工作，并且減少器件數(shù)量，節(jié)約印刷電路板上的占用空間。圖6是 IRMCS2011/IRMCS2031的印刷電路板，它的尺寸很緊湊，只有3英寸 x 5英寸。
　　IRMCS2011里面還有過流/ 短路保護(hù)電路，用以防止任何種類的驅(qū)動電流過大而引起的故障。在電路板上還配有多路輸出的電源 target=_blank>開關(guān)電源和各種必需的傳感器接口電路。
　　ServoDesigner (伺服設(shè)計(jì)）軟件工具
　　雖然主寄存器的配置很簡單，不需任何編碼和編程，仍然需要把特定的數(shù)值寫到對應(yīng)的寄存器中。ServoDesigner  是基于Windows的計(jì)算機(jī)軟件工具，它不需借助別的軟件手段或者準(zhǔn)備工作，就可以方便的把數(shù)據(jù)從主寄存器中讀出或者寫入。 只要是使用集成電路IRMCK201，任何平臺都可以使用這套工具。因此，用戶也可以利用這個(gè)軟件工具做出廠參數(shù)設(shè)定。

　　這個(gè)工具十分靈活。用戶可以自行定義操作哪些寄存器，改變寄存器的名字，按照自己的要求把讀寫的寄存器進(jìn)一步分組。
　　用戶通過確定和增加新的功能，可以實(shí)現(xiàn)功能擴(kuò)展或者某些特定功能。例如，用戶可以很容易地建立運(yùn)動序列，這些運(yùn)動序列是由許多個(gè)啟動－停車的變速曲線組成，這些變速曲線又由不同的加速/減速運(yùn)動構(gòu)成。這種交互式的運(yùn)動序列提供了一種快速準(zhǔn)確的手段，實(shí)現(xiàn)預(yù)定的系統(tǒng)性能，簡化開發(fā)過程，縮短開發(fā)時(shí)間。
　　ServoDesigner   便于實(shí)現(xiàn)診斷功能。驅(qū)動系統(tǒng)的故障及狀態(tài)信息，標(biāo)志著驅(qū)動系統(tǒng)是處在運(yùn)行狀態(tài)還是處于停止?fàn)顟B(tài)，或者出現(xiàn)故障，都可以直接在顯示屏上顯示出來，不需借助任何別的配置。
　　ServoDesigner  里面還有一個(gè)交互式的“HELP（幫助）菜單，以及各個(gè)主寄存器的配置說明，這些是指導(dǎo)用戶進(jìn)行配置的有效手段。
　　利用Excel電子數(shù)據(jù)表，還可以進(jìn)一步簡化寄存器的配置。ServoDesigner  提供一個(gè)輔助的Excel  電子數(shù)據(jù)表格，當(dāng)采用和配置一臺新電機(jī)時(shí)作為模板使用。用戶需要做的事情只是把電機(jī)銘牌上的數(shù)據(jù)（電動機(jī)的電流、轉(zhuǎn)速、編碼器線數(shù)）寫到電子數(shù)據(jù)表格中。然后電子數(shù)據(jù)表格自動計(jì)算并得到需要寫入到主寄存器中的具體數(shù)值。這樣用戶就可以把電子數(shù)據(jù)表格的數(shù)據(jù)“導(dǎo)入” ServoDesigner  的寄存器中。
　　這套工具中有 EEPROM 的讀/寫設(shè)備，這樣用戶可以把調(diào)整好的參數(shù)存進(jìn)去，避免了重復(fù)的配置工作。
　　在完成配置之后，用戶仍然可以選擇是否使用ServoDesigner  啟動系統(tǒng)，或者采用獨(dú)立的運(yùn)作方式，不再使用ServoDesigner  工具。
　　未來的發(fā)展趨勢

　　在簡化運(yùn)動控制設(shè)計(jì)、實(shí)現(xiàn)高性能運(yùn)動控制解決方案方面，IRMCK201和IRMCK203

只是個(gè)開端。整流器公司將繼續(xù)研究和提供運(yùn)動控制的解決方案。在未來的數(shù)字運(yùn)動控制集成電路中，運(yùn)動控制引擎仍然是核心的計(jì)算硬件。
　　其他的運(yùn)動控制集成電路也將相繼問世?；谛兊耐暾欧刂萍呻娐稩RMCK202的開發(fā)工作已經(jīng)步入正軌。它集成了一個(gè)12位的旋變接口來實(shí)現(xiàn)高分辨率的位置反饋和速度反饋。整流器公司將這個(gè)集成電路定位為IRMCK201的姊妹產(chǎn)品，應(yīng)用于高性能伺服控制系統(tǒng)場合。
　　另外，再過不久，用于家電的一種低成本運(yùn)動控制集成電路將公諸于世。這種集成電路將用于家電產(chǎn)品中的運(yùn)動控制，其中包括家用空調(diào)和洗衣機(jī)。
　　為了便于用戶把這些集成電路用到他們的產(chǎn)品中，整流器公司將推出相應(yīng)的硬件設(shè)計(jì)平臺，而且，每當(dāng)推出新的集成電路時(shí)，將同時(shí)推出用于這個(gè)集成電路的計(jì)算機(jī)軟件工具。有了這些設(shè)計(jì)工具，用戶可以縮短產(chǎn)品的開發(fā)周期，更快地把產(chǎn)品推入市場。