低成本低设计风险的高性能数字电机控制 - 文章

低成本低设计风险的高性能数字电机控制

作者：Toshio Takahashi

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一种新的、面向基于逆变技术的数字控制集成设计平台为寻求在更大范围内提升电机驱动产品性能和效率的开发人员展现了一种简捷、合算、而且低风险的设计方法。

数字电机控制器

据统计，各类电动机消耗了全球总电能的40%以上，然而目前正在使用的那些电机中只有不到20%配备了基于逆变技术的数字控制装置，众所周知，数字控制能够最大限度地提高效率和性能。如此巨大的缺口恰恰源于数字控制技术的复杂性，因而有可能从设计阶段开始就导致额外的成本和风险，并进而阻碍了该技术在诸如电冰箱和洗衣机等家用领域甚至牙钻等专业设备中的推广普及。

由International Rectifier公司推出的一种全新方法为电机控制器展现了一个集成设计平台，从简捷的元器件选型过程到数字控制芯片的定制配置等都可以利用基于PC的图形化工具以简化设计流程。该平台包括相互兼容的IGBT和功率开关电路，数字控制硬件，以及电流传感元件，由于该元件采用了高压集成电路（HVIC）技术，因而比霍尔效应或磁阻传感器小巧而且简单。另外，将功率级和模拟控制电路以及保护等集成起来就产生了一种集成功率模块，因此允许新型控制器以相同甚至更小的外形尺寸取代传统驱动器。图1展示了这种新型设计平台所提供解决方案的主要功能模块。

图1：数字电机控制的主要功能模块

集成功率模块

集成功率模块（IPM）能够与运动控制设计平台中的其他元件直接匹配，其功率级、栅极驱动和过温保护都整合在一个单一的单列直插SIP封装中，电流等级为6～20A。如图2所示，IPM模块中包含六只非穿通型（NPT）IGBT管芯及其各自的分立栅极电阻，六个续流二极管管芯，一个三相单片控制器，栅极驱动芯片，三个自举二极管及其限流电阻，以及一对用于过温保护的负温度系数（NTC）热敏电阻和比对电阻。正如图2所示，上述全部元件都安装在绝缘金属基板（IMS）上，并灌封于事先成型的塑料封装之内，较大封装规格的模块功率等级可以高达3kW。

IMS技术可以为高功率密度应用提供高性能和高可靠性。铝基板的顶面与高压电介质以及类似于传统印刷线路板那样刻蚀有电路的铜覆盖层等共同形成了夹层结构。该技术利用了金属铝导热率高和可加工性好这两项主要特性，以确保混合集成芯片能够在相对狭小的面积内同时具备非常高的电特性和热特性。

图2：集成功率模块（IPM）在一个单一封装中整合了功率级和模拟控制

图2中也包含了可供简化外部电路设计的热敏电阻及其相关元件。自举电路中包括了一枚小电阻，可以在采用较大自举电容值时限制流经自举二极管的峰值电流，该举措在某些操作条件下很有必要。现有IPM的电流等级范围为6A（采用SIP1封装的IRAMS06UP60）到20A(采用SIP3封装的IRAMY20UP60)。

IMS结构中的铝层也是良好的导体，通过压焊引线连接，可以作为内部接地层使用，并进而构成一个等电势地线层（EGP）。EGP与正极输入干线相结合可以形成位于功率模块内部的分布式高频电容，该电容与主滤波电容相并联，可以为逆变器产生的高频电流形成低阻抗通道，而且有助于衰减差模射频干扰以降低电机驱动的传导噪声。尽管开关速度很快，然而在低于1MHz的范围内，具有上述地层连接结构的IPM所产生的噪声强度约为5dB，低于无IMS结构的模块所产生的噪声。

控制算法

从根本上讲，实现调速驱动的数字控制器需要开发人员编制磁场定向控制（FOC）算法，该算法由矢量旋转、Clarke变换和比例积分算法等多个控制模块构成。在基于逆变控制的传统设计中，以上控制功能由运行在运动控制DSP或MCU中的软件代码实现。构建这样一个控制器绝非易事，不仅需要高水准的实时设计技巧，而且为满足运算速度和数据刷新率等要求还必须用汇编言语编制程序。其代码量可能会多达数千行，而且必需在源代码阶段进行多轮反复调试和修改，才能最终获得完备的可执行目标代码。

IR公司的运动控制引擎（Motion Control Engine，简称MCE）可以避免复杂的软件设计和充满挑战的实时控制，转而由硬件方法实现所需的控制模块，并能以单一的控制逻辑流程取代对复杂多任务操作系统的需求。与基于DSP或MCU的传统解决方案相比，MCE的硬件加速技术显然还能支持更高的控制带宽。针对特殊应用，目前IR公司正在开发一系列可实现完整闭环电流控制和速度控制的MCE集成芯片，并专门为伺服驱动系统和永磁电机的正弦无刷控制等进行优化处理。利用其可配置寄存器，设计人员可以利用基于PC的ServoDesigner工具软件轻松地为目标应用设置控制器，该软件是运动控制设计平台的一部分，且随其一起提供。MCE集成芯片还可以实现片上PWM和电流传感功能。

电流传感

在电流闭环控制中，精确的相电流信息往往由电流互感器、霍尔效应传感器或磁阻传感器等提供，可是这些元件既笨重，又昂贵，而且不适于自动装配。在低功率电机控制中可以使用简单的分流电阻，并测量电阻两端的压降，不过这也需要复杂而精密的信号处理电路将典型电压范围仅为(200mV的微小压降转化为数字控制器可用的形式，该电路中最为困难的部分是对高达600V到1200V的共模偏置以及由相输出节点处高dv/dt引起的开关噪声环境的耐受能力。

一种精巧的解决方案是利用HVIC技术整合差分测量电路、模拟数字转换器、具有共模噪声和dv/dt噪声抑制芰Φ母哐沟缙阶频缏芬约氨阌诤褪挚刂破髦苯咏涌诘男藕胖毓沟缏返取Ｈ缤?所示的IR2175就是一例相电流传感芯片。IR2175的输入为具有(260mV线性范围的差分电压，且共模偏置电压可以高达600V，dv/dt可以高达50V/ns。IR2175的输出为低压侧PWM信号，其载波频率为130kHz，占空比与差分电压水平成比例。当输入超出线性范围限制时，可以通过一个附加引脚输出过流信号，过流信号延迟只有2毫秒，从而提供了一条相对快捷的关断通道以保护IGBT防止出现短路状况。

图3：高压集成芯片技术造就了空间节省的电流传感芯片IR2175

IR2175可以和数字控制芯片直接对接，通过数字控制芯片的直接计算使IR2175的PWM输出转化为10位分辨率的数字量。

集成设计平台

综合MCE在数字控制方面、HVIC在模拟电路方面以及IPM在功率模块方面的各项优势就能以更低的成本实现更高性能的新型电机控制集成设计平台。由于集成度大幅提高，因而元器件数量得以缩减，且有助于简化制造工艺，尤其可以简化功率器件装配和散热问题等。开发支持包括ServoDesigner配置工具和在单一电路板上集合了全部芯片组的评估系统，因而可以通过降低软件开发任务量，并发挥MCE控制引擎的确定性优势，以及可统一设计和测试的数字、模拟及功率芯片的相互兼容性等优势，构建出一种低风险的设计环境。

更为重要的是，以专用硬件资源执行运算密集型算法还能够使上述解决方案获取额外的性能。如果再借助一个外部MCU来执行应用层任务，那么该集成设计平台就足以支持一套完整的系统控制实现方案。

Toshio Takahashi是IR公司系统架构研发部工程总监，查询本文的更多相关信息，请发电子邮件至irasia@irf.com。

原载DESIGN NEWS China（设计创新）杂志网址：http://www.designnews.com.cn (end)

文章内容仅供参考 (投稿) (2/5/2006)


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