新型永磁同步电机控制芯片IRMCK203及其应用
摘要：IRMCK203是IR公司最新推出的一款高性能无传感器永磁同步电机单片控制IC。它采用纯硬件电路来执行永磁同步电机的转子磁场定向控制算法，因而具有良好的动态性能，同时也具有高度灵活的可配置性能。文中介绍了IRMCK203芯片的结构特点，给出了基于IRMCK203的无传感器永磁同步电机的控制系统设计方法。
关键词：永磁同步电机 无传感器 转子磁场定向控制 IRMCK203
1 引言
永磁同步电机具有体积小、结构简单、重量轻、损耗小、效率高以及控制性能好等诸多优点，近年来在国防工业、农业生产和日常生活等方面获得越来越广泛的应用。
控制永磁同步电机最常用的最转子磁场定向控制算法，在该算法中，除了要进行多次的坐标变换与反变换外，还要进行电流及速度的闭环控制，因而实现比较复杂且实时性要求较高。为此，工程应用中一一体电感器般采用DSP技术并以软件方式来实现，这种方法的优点是比较灵活，但系统开发周期比较长，开发人员需深入了解诸多相关领域的知识（如：功率电子技术、电机特性及控制、软件算法、通讯以及硬件集成等），而且该算法占用的处理器时间比较多，在某些情况下甚至不得不采用双DSP，这就使得系统的整体性价比不高；另外，软件方式的通用性也存在问题，不同插件电感器厂家的产品甚至同一厂家不同系统的DSP，其指令系统也可能不一样，因此，用户代码一般不可重用。上述诸多因素使得开发高性能的电机伺服系统变得比较复杂且困难很多。目前高性能电机伺服系统的发展趋势之一是逐渐摆脱软件的束缚而策纯硬件方向发展，即使用基于FPGA或A-SIC的方案。IRMCK2功率电感0x系列电机驱动IC就是美国国际整流器公司推出的基于纯硬件控制的电机闭环控制ASIC。
图1
2 IRMCK203的原理及特性
IRMCK203是无传感器表面式永磁同步电机闭环控制IC，与传统的MCU或DSP方案不同的是，IRMCK203完全不需要编程，而是使用基于电机控制引擎（Motion Control Engine,MCE）的硬件电路来实现闭环的无线传感器磁场定向控制算法。MCE包括有PI调节器、矢量运算、Clark变换等闭环控制所需的所有功能单元，所有功能完全由硬件电路来实现，因此具有快速计算能力和极佳的动态性能。除了电流闭环和基于速度估计的速度闭环控制功能外，IRMCK203还具有自动得启、失相检测、带母线电压监测的制动控制以及各种驱动保护功能，其模拟I/O和部分数字I/O都是可配置的，所有通讯端口都可以对内部寄存器进行操作。用户可以依据自己的实际情况（所使用电机及负载情况）来配置各种驱动参数（如：PI调节器参数、电流反馈范围、PWM载频等等）和监视系统状态。
2．1 IRMCK203结构特点
IRMCK203的内部结构及其与IR公司iMOTION系列外围器件所构成的电机控制系统如图1所示。IRMCK203有两种工作模式：一种是与MCU或PC配合的从模式，其运行完全完全主机的指令；另一种是自主工作模式，此时只要从AD输入0～5V的电压信号做速度参考值，外加一片1Kbit（128×8）的串行EEPROM（AT24C01）来存储电机应用的相关配置信息，系统上电后便可自行读取数据到内部寄存器，并根据相关I/O口线的逻辑状态对电机进行控制。
IRMCK203的一个电流采样/闭环贴片绕线电感控制周期的工作大致可分为电流检测、速度/位置估计、电流及速度闭环控制以及SVPWM产生四个过程，当时钟频率为33MHz时，典型闭环控制周期为14.6μs。其运行状态机如图2所示。
IRMCK203的最大时钟为33.3MHz,最高闭环转速为100 000RPM，典型的高速范围为5%～100%，速度控制精度为15bit，电流检测精度为10/12bit，PWM载频可自行设定。IRMCK203采用QFP80封装，引脚可依其功能分为时钟接口、锁相环控制、SPI接口、RS232接口、并行接口、EEPROM接口、PWM驱动信号、IR2175电流检测接口、AD接口、基于PWM的4路DA输出接口、LED状态指示、复位以及离散控制输入输电感厂家出（起/停、正/反转、故障指示、同步信号等）13个功能组，能提供全面的永磁同步电机控制解决方案。 平面变压器厂家 | 平面电感厂家
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