摘要：IRMCK203是IR公司推出的一款高性能無傳感器永磁同步電機單片控制IC。它采用純硬件電路來執(zhí)行永磁同步電機的轉子磁場定向控制算法，因而具有良好的動態(tài)性能，同時也具有高度靈活的可配置性能。文中介紹了IRMCK203芯片的結構特點，給出了基于IRMCK203的無傳感器永磁同步電機的控制系統(tǒng)設計方法。

關鍵詞：永磁同步電機 無傳感器 轉子磁場定向控制 IRMCK203

1 引言

永磁同步電機具有體積小、結構簡單、重量輕、損耗小、效率高以及控制性能好等諸多優(yōu)點，近年來在國防工業(yè)、農業(yè)生產和日常生活等方面獲得越來越廣泛的應用。

控制永磁同步電機常用的轉子磁場定向控制算法，在該算法中，除了要進行多次的坐標變換與反變換外，還要進行電流及速度的閉環(huán)控制，因而實現(xiàn)比較復雜且實時性要求較高。為此，工程應用中一般采用DSP技術并以軟件方式來實現(xiàn)，這種方法的優(yōu)點是比較靈活，但系統(tǒng)開發(fā)周期比較長，開發(fā)人員需深入了解諸多相關領域的知識（如：功率電子技術、電機特性及控制、軟件算法、通訊以及硬件集成等），而且該算法占用的處理器時間比較多，在某些情況下甚至不得不采用雙DSP，這就使得系統(tǒng)的整體性價比不高；另外，軟件方式的通用性也存在問題，不同廠家的產品甚至同一廠家不同系統(tǒng)的DSP，其指令系統(tǒng)也可能不一樣，因此，用戶代碼一般不可重用。上述諸多因素使得開發(fā)高性能的電機伺服系統(tǒng)變得比較復雜且困難很多。目前高性能電機伺服系統(tǒng)的發(fā)展趨勢之一是逐漸擺脫軟件的束縛而策純硬件方向發(fā)展，即使用基于FPGA或A-SIC的方案。IRMCK20x系列電機驅動IC就是美國國際整流器公司推出的基于純硬件控制的電機閉環(huán)控制ASIC。
2 IRMCK203的原理及特性

IRMCK203是無傳感器表面式永磁同步電機閉環(huán)控制IC，與傳統(tǒng)的MCU或DSP方案不同的是，IRMCK203完全不需要編程，而是使用基于電機控制引擎（Motion Control Engine,MCE）的硬件電路來實現(xiàn)閉環(huán)的無線傳感器磁場定向控制算法。MCE包括有PI調節(jié)器、矢量運算、Clark變換等閉環(huán)控制所需的所有功能單元，所有功能完全由硬件電路來實現(xiàn)，因此具有快速計算能力和的動態(tài)性能。除了電流閉環(huán)和基于速度估計的速度閉環(huán)控制功能外，IRMCK203還具有自動得啟、失相檢測、帶母線電壓監(jiān)測的制動控制以及各種驅動保護功能，其模擬I/O和部分數(shù)字I/O都是可配置的，所有通訊端口都可以對內部寄存器進行操作。用戶可以依據(jù)自己的實際情況（所使用電機及負載情況）來配置各種驅動參數(shù)（如：PI調節(jié)器參數(shù)、電流反饋范圍、PWM載頻等等）和監(jiān)視系統(tǒng)狀態(tài)。

2．1 IRMCK203結構特點

IRMCK203的內部結構及其與IR公司iMOTION系列外圍器件所構成的電機控制系統(tǒng)如所示。IRMCK203有兩種工作模式：一種是與MCU或PC配合的從模式，其運行完全完全主機的指令；另一種是自主工作模式，此時只要從AD輸入0～5V的電壓信號做速度參考值，外加一片1Kbit（128×8）的串行EEPROM（AT24C01）來存儲電機應用的相關配置信息，系統(tǒng)上電后便可自行讀取數(shù)據(jù)到內部寄存器，并根據(jù)相關I/O口線的邏輯狀態(tài)對電機進行控制。

IRMCK203的一個電流采樣/閉環(huán)控制周期的工作大致可分為電流檢測、速度/位置估計、電流及速度閉環(huán)控制以及SVPWM產生四個過程，當時鐘頻率為33MHz時，典型閉環(huán)控制周期為14.6μs。其運行狀態(tài)機如所示。

IRMCK203的時鐘為33.3MHz,閉環(huán)轉速為100 000RPM，典型的高速范圍為5%～100%，速度控制為15bit，電流檢測為10/12bit，PWM載頻可自行設定。IRMCK203采用QFP80封裝，引腳可依其功能分為時鐘接口、鎖相環(huán)控制、SPI接口、RS232接口、并行接口、EEPROM接口、PWM驅動信號、IR2175電流檢測接口、AD接口、基于PWM的4路DA輸出接口、LED狀態(tài)指示、復位以及離散控制輸入輸出（起/停、正/反轉、故障指示、同步信號等）13個功能組，能提供全面的永磁同步電機控制解決方案。

2．2 IRMCK203的寄存器

永磁同步電機（PMSM）的矢量控制算法需要電機電流限制、壓頻曲線、速度設定值以及其它相關的控制參數(shù)。IRMCK203省去了算法的編程，取而代之的是豐富的接口和大量可供用戶進行參數(shù)配置的片內寄存器，其寄存器分為可讀和可寫兩種，其中可讀寄存器用于監(jiān)視系統(tǒng)狀態(tài)，而可寫寄存器則用來進行用戶參數(shù)設定。主要的可寫寄存器（組）如下：

·PWM配置寄存器組：可對PWM的周期、死區(qū)、SVPWM調制系統(tǒng)、PWM關閉以及是否采用SVPWM等進行設置。

·電流反饋配置寄存器組：用于id和iq控制環(huán)路比例因子等參數(shù)設定。

·系統(tǒng)控制寄存器組：用于設定正反轉、啟動/停止以及緊急制動三種狀態(tài)參數(shù)，該寄存器的作用與器件相關引腳的作用相同。

·力矩環(huán)配置寄存器組：可對電流控制環(huán)路的比例/積分參數(shù)、id和iq電流以及電壓限制等參數(shù)進行設定。

·速度環(huán)控制寄存器組：可對速度控制環(huán)的比例/積分參數(shù)、速度限制、力矩電流限制、速度變化范圍、速度指定、加減速以及啟動電流限制值等參數(shù)進行設置。

·故障控制寄存器組：用于直流母線電壓監(jiān)視以及故障狀態(tài)清除等。

·系統(tǒng)控制寄存器組：用于設置電流檢測方式（橋臂電阻或IR2175）、停機方式（直接/減速），以及是否由外圍引腳來控制電機的正反轉、啟動/停止、緊急制動等。

·EEPROM控制寄存器組：若系統(tǒng)中使用了EEPROM來存儲相關參數(shù)，那么此寄存器可對EEPROM的復位、讀寫狀態(tài)以及數(shù)據(jù)和地址初始值進行設定。

·角度/位置估計閉環(huán)控制寄存器組：可以對電機繞組電阻和電感值、角度估計器相位補償增益、磁通相位鎖定環(huán)路的比例/積分參數(shù)、磁通初始值等參數(shù)進行設定。

·角度開環(huán)控制寄存器：設置電機轉矩常數(shù)以及壓頻曲線的斜率。

·啟動初始角度估計寄存器：設置各種與啟動有關的診斷模式、啟動過程中的停頓時間以及失相檢測使能。

·啟動重試參數(shù)寄存器：對自動重啟次數(shù)以及啟動電流限制值進行設定。

·失相檢測寄存器：可對失相檢測誤差門限等與失相檢測相關的參數(shù)進行設定。

·DA輸出控制寄存器：對四路DAC輸出信號進行指定。

IRMCK203的只讀寄存器包括：指示系統(tǒng)的PWM、FOC設置以及起停、正反轉等狀態(tài)的系統(tǒng)狀態(tài)寄存器；指示母線電壓值及制動狀態(tài)的直流母線電壓寄存器；指示當前速度的速度寄存器；FOC診斷數(shù)據(jù)寄存器、故障狀態(tài)寄存器、電流反饋偏置寄存器和EEPROM狀態(tài)指示寄存器等，詳細信息可參閱IRMCK203數(shù)據(jù)手冊。
3 基于IRMCK203的電機控制系統(tǒng)

是IRMCK203的典型應用原理框圖，其中AD轉換器選用TI公司的12位串行AD芯片ADS7818，電流檢測可使用IR公司的HVIC電流傳感器IR2175來檢測電機的相電流，也可以使用橋臂電阻來檢測逆變橋的橋臂電流。

用IRMCK203設計電機控制系統(tǒng)可分為硬件設計和參數(shù)配置兩步。

硬件設計主要是根據(jù)應用的實際情況選用功率驅動及電流檢測器件。為獲得性能并減少器件數(shù)量，可以用IR公司推薦的iMOTION系列器件，如集成了門極驅動及功率保護功能的IRAM系列智能IGBT模塊和電流傳感芯片IR2175。然后根據(jù)IRMCK203的主從工作模式選擇EEPROM或MCU來完成全部電路設計。

參數(shù)配置方法如下：啟動IR所提供的電機驅動參數(shù)轉換表格（Excel TM Spread Sheet），輸入電機的相關信息，如運放速度、電流及電流調整范圍等用戶參數(shù)，該Excel表格會將用戶參數(shù)轉換成符合IRMCK203控制需要的工程參數(shù)。然后啟動圖形化的電機控制調試工具軟件ServoDesigner RM，并載入ExcelTM Spread Sheet生成的數(shù)據(jù)，將其到IRMCK203內或EEPROM內，接著便可啟動電機控制系統(tǒng)，以驗證系統(tǒng)性能是否滿足需要，再根據(jù)實際情況對有著參數(shù)進行適當調整，這樣就完全了高性能閉環(huán)無傳感器永磁同步電機驅動器的全部設計。

可以看出，與傳統(tǒng)的基于DSP（如TI的嵌入式電機DSP芯片TMS320LF2401A）以及MCU（如東芝的TMP88CK49/CM49和Motorola的MC68HC708MP16等8位單片機系列）方案的電機伺服系統(tǒng)設計相比，復雜的軟件設計和調試工作在這里被簡化成了少量的參數(shù)設置，而且大多數(shù)工作由電機驅動參數(shù)轉換表格（ExcelTM Spread Sheet）和電機控制調試工具軟件ServoDesignerTM來完成，大大減輕了設計調試的工作量，縮短了項目周期并降低了項目風險，從而降低了整個項目的成本。

4 小結

在對高動態(tài)性能、高以及小體積伺服驅動需求日益增長的今天，永磁同步電機數(shù)字控制系統(tǒng)正逐漸取代直接伺服電機控制系統(tǒng)而成為主流。IRMCK203使用純硬件來實現(xiàn)基于速度估計的閉環(huán)無傳感器永磁同步電機驅動，具有的動態(tài)性能、非常靈活的配置能力和方便的通訊接口，可大大簡化永磁同步電機驅動系統(tǒng)的設計，為開發(fā)新一代高性能電機驅動系統(tǒng)創(chuàng)造了較為有利的條件，同時也將電機伺服控制應用技術提高到一個新的水平。