伺服控制系统设计最关键的部分是控制算法的研发，他影响到系统的最终控制性能。控制算法中包括对各种器件接口的

传感信号，而且往往这些信号和电力电子电路连同器件密切耦合，而位置信号、速度信号连同电流信号都是实现反馈控

制的关键变量。

      在传统实现中，任何控制单元都通过在运动控制芯片DSP或MCU中的软件代码实现。在DSP及MCU的时时控制环境中，

电流环控制通过高优先权任务队列实现，需要精通实时控制方面的知识。在电机的控制中，任务进程的执行往往由专门的硬

件事件/中断驱动，需要连续的指令代码来时时精确控制硬件的执行。而且对于应用在伺服连同无传感器的磁场定向控制

(FOC)中，软件通常用汇编语言，以满足快速的计算和更新率等高动态性能增长的需要。有时需要采用专门的代码技术以

克服传统的计算滞后问题，如采用shift指令快速实现乘/除功能以完成快速的计算。软件中模块化的源代码被编译和连

接在一起，最后得到一个较大的可执行目标代码，包含闭环控制、用户接口时序连同网络通讯等。假如存在错误，必须

在源代码中进行重新编译和连接并产生修改后的可执行源代码，为了达到最终的产品阶段这个过程往往需要重复很多次。

因此，研发和实现一个高性能的伺服系统或无传感器的交流驱动系统，快速的运动控制算法是一项最具挑战性的任务。

     运动控制引擎(MCE)为了实现高性能的伺服应用和无传感器控制应用，IR最近研发了新型的——IRMCK201 和IRMCK203

数字运动控制芯片。其中IRMCK201采用100引脚的QFP封装，IRMCK203采用80引脚的QFP封装，而且仅需外部提供

33MHz的晶振。IRMCK201 主要针对于伺服驱动系统的设计，具备快速的高性能伺服驱动能力，而 IRMCK203主要针

对于永磁交流电机的正弦无传感器的高性能控制，电机控制参数的调整都是通过硬件实现。IRMCK201和传统的运动控

制用DSP芯片不同的是，他不但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，即运动控制引擎。

      MCE通过控制单元(如比例积分、矢量旋转、Clark变换等)来实现闭环控制、运动型的外围硬件控制(如空间矢量PWM、电

机电流反馈接口、解码器反馈)，使能并行多环控制的时序控制逻辑。闭环速度控制和闭环电流控制的同步执行机制都包

含在逻辑硬件中，因而无需多任务控制功能。


内部结构


      IRMCK201通过硬件逻辑实现伺服控制功能，因而为了实现不同的控制算法，芯片的接口能够零活配置，如图1所示。以矢

量控制的感应电机为例，在内部控制结构中有一个矢量角产生的前反馈滑模增益路径，所以能够通过关闭相关的开关来

实现这种类型的控制功能。PC仅需通过写入“1”或“0”到相关的寄存器中，以关闭开关就能够实现感应电机控制的使

能。IRMCK201也支持其他的结构，如除IR2175外的任何电流传感器接口芯片、电流控制中的前反馈增益路径使能/非使能

、闭环速度控制的使能和非使能连同速度命令的选择源。由于IRMCK201无需任何的编程和译码，所以根本无需任何PC接口

就能够容易地转化为一个固定功能的硬件逻辑IC。为了满足新的电机控制参数及其微调，他的硬件配置过程很简单。


计算速度和动态性能


      运动控制引擎的一个明显长处就是在确定的时间里能够完成闭环控制算法所需要的短时计算。计算速度直接影响到伺服

系统扭矩和速度的动态性能，闭环电流控制的更新率越快扭矩控制的带宽就越大，从而影响到系统中旋转机械的周期时

间。尽管DSP和MCU的伺服驱动控制应用灵活，但在宽带应用中由于需要一步一步的执行庞大的指令而产生瓶颈，他仍然不是

完全意义上的伺服驱动控制。利用有运动控制引擎的IRMCK201，系统能够突破了这个障碍，他能以40kHz的PWM更新率或

较大频率更新率运行。

     当使用IRMCK203来实现无传感器的闭环电流控制时，其计算时间能够大大缩短，例如家庭空调系统中压缩电机的无传感

控制。而在最新的家庭空调应用系统中，通常使用32位的高性能RISC微处理器，其计算能力达到50 MIPS，为了对无传感

器的的速度控制进行计算，所需要的时间大约为60ms。由于空调系统需要有无传感算法的电机控制、风扇电机控制连同

PFC控制，而为了满足微控制器系统紧凑的电源需要，这就需要缩短算法的计算时间。当使用IRMCK203时，其计算时间能

够缩短到11ms，从而增加了PWM载波频率的更新率。对于PWM载波频率达到或超过40kHz的应用来说，使用IRMCK203的永磁

电机能够获得很多好处，如高速锭子连同齿状钻孔机应用。


低损失和低EMI的空间矢量PWM


      由于IRMCK203使用低损失和低EMI的空间矢量PWM来开关IGBT功率器件，和传统的三相PWM相比，他能够降低20％甚至更多

的功耗损失和EMI 噪音。图2是典型的电压开关波形和电机电流波形图。

 

应用及研发工具


      把IRMCK201设计到实时的寿命电路中是一项具备挑战性的工作，但是为了实现完全意义上的伺服驱动系统，IR公司充分

考虑到从样品到产品发布的设计需要。功率电子电路的设计、模拟信号的处理、开关电源电路的设计连同传感接口电路

的设计都是为了实现完整意义伺服系统所必需的。尤其是对于设计具备高性能热管理的功率电子电路时，需要很高的硬

件设计技术知识和很强的技术经验，而这对于大多数的硬件设计师来说往往是最大的技术障碍。


     IRMCS2011/IRMCS2031实现1kW的设计平台


     使用IRMCK201芯片研发的IRMCS2011设计平台帮助设计者更加全面地设计系统，如图3所示。他实现了1kW伺服应用的设计

，包含散热片和连接件在内的任何硬件，由于整合了许多工业标准，很接近实际产品。在IRMCS2011中唯一缺少的是外壳

连同面板，所以使用者无需修改和增加电路就能够评估系统的性能。设计者也能够得到基于IRMCK203芯片的研发工具包

IRMCS2031。

     IRMCS2011 和 IRMCS2031硬件设计平台都采用IR公司的IGBT智能模块；其中IRMCS2011使用20A/600V的IRAM20U60A，而

IRMCS2031使用16A/600V的IRAMY16U60A。这两个功率智能模块都是基于IMS技术设计，内部集成有IR2136三相高压门驱动

IC，使用单稳高压的IR2175来实现电机电流传感。假如采用SO-8封装的IR2175芯片和IRMCK201来实现复杂闭环电机控制

，其体积将会很小，而且电流传感也很容易实现。在IRMCS2031系统中，也能够采用3脚的电流互感器以实现电流传感。

IRMCK201 和 IRMCK203运动控制芯片通过结合智能IGBT模块和IR2175电流传感芯片，不但简化了应用者的设计任务，而

且减少了元器件数、节约了电路板的空间。

      IRMCS2011包含过流/短路保护电路，还带有多输出的开关模式电源接口连同任何必须的传感接口电路。


      ServoDesigner工具


      ServoDesigner对寄存器进行读和写，来帮助设计者对参数进行相应的配置，如定义所需要访问的寄存器、改变寄存器的

名称、对读和写的寄存器组进行分组。使用者也能够自定义和增加新的功能来扩展运动控制的范围，连同验证专门的性

能。例如，使用者能够设计具备连续加速和减速构成的多步起停的速度特性曲线，并通过这种交互式的运动特性曲线快

速验证所需要的性能。

     ServoDesigner还带有故障诊断功能，无需任何配置就能够在运行过程中，将故障及运行状态显示在屏幕上。

     假如使用Excel软件，寄存器的配置能够进一步得到简化。ServoDesigner提供了一个辅助的Excel电子表作为模板，适合

于不同的新型电机。使用者只需把电机名牌参数如电机电流、转速、编码器行数写入表格之后，表格计算并产生写入到

专门寄存器里的数值，然后把数据表导入到ServoDesigner的寄存器里即可。工具中也包含可读和写EEPROM ，以方便使

用者存储微调参数，从而减少了反复配置的次数。当配置完成后，使用者能够选择ServoDesigner来启动运行，也能够使

用不带ServoDesigner的单独运行模式。

 

结语


      在未来的数字运动控制芯片中，运动控制引擎将会变成硬件计算的核心，主要应用于高性能的伺服驱动场合。针对家庭

空调连同洗衣机应用的低成本控制应用芯片也将有很好的应用前景。借助设计工具包，设计者就能够缩短研发周期。