永磁同步交流伺服電機(jī)
電機(jī)控制
2019-11-11 10:54:00
RT1052
永磁同步交流伺服電機(jī)方案
運(yùn)動(dòng)控制、精密控制是目前眾多行業(yè)設(shè)備的新增需求，為了使這些設(shè)備能以最佳的性能去工作，采用改良的新型馬達(dá)控制技術(shù)是關(guān)鍵所在。能效的提高是趨勢(shì)所向，新技術(shù)同時(shí)還能帶來(lái)更多的優(yōu)勢(shì)，如實(shí)現(xiàn)更加平穩(wěn)的工作，大幅度降低噪聲水平。眾多制造商正在應(yīng)對(duì)這些挑戰(zhàn)，馬達(dá)市場(chǎng)正在被更加高效的方案替代，如直流無(wú)刷(BLDC)和永磁同步電機(jī)(PMSM)。
近年來(lái)，采用全數(shù)字控制方法，以永磁交流電機(jī)為控制對(duì)象的全數(shù)字交流伺服系統(tǒng)，正在逐漸取代以直流電機(jī)為控制對(duì)象的直流伺服系統(tǒng)和采用模擬控制技術(shù)的模擬式交流伺服系統(tǒng)。全數(shù)字交流伺服系統(tǒng)采用矢量控制方法，可實(shí)現(xiàn)優(yōu)良的控制品質(zhì)。
利用NXP最新發(fā)布的i.MXRT1052高性能處理器，可實(shí)現(xiàn)對(duì)交流電機(jī)運(yùn)行的位置、速度和電機(jī)電樞電流的高精度控制，該產(chǎn)品完美融合了低功耗應(yīng)用處理器和高性能微控制器的優(yōu)勢(shì)。i.MXRT系列是業(yè)界首款跨界處理器，以實(shí)惠的價(jià)格提供超高性能Arm? Cortex?-M內(nèi)核、實(shí)時(shí)功能和MCU可用性。
1、i.MXRT1052特點(diǎn)
運(yùn)行更快，響應(yīng)更快
■ 采用Cortex-M7架構(gòu)，主頻528MHz，CoreMark 3020 /1284 DMIPS；
■ 512KB緊耦合內(nèi)存，中斷延遲低至20ns；
■ 行業(yè)最低的動(dòng)態(tài)功耗，帶集成DC-DC轉(zhuǎn)換器。
擴(kuò)展更強(qiáng)，接口更多
■ 核心板引出多達(dá)124個(gè)GPIO，原生支持LCD、Camera、USB、UART、CAN、Ethernet、 PWM等功能接口。
數(shù)據(jù)加密，工業(yè)品質(zhì)
■ 高可靠性引導(dǎo)(HAB)，帶實(shí)時(shí)QSPIFlash解密，128位AES加密和真隨機(jī)數(shù)生成 器，板卡設(shè)計(jì)充分考慮信號(hào)完整性，保證最佳的電氣性能，-40-85℃溫度標(biāo)準(zhǔn) 保證在嚴(yán)酷環(huán)境中穩(wěn)定運(yùn)行。
二、飛凌FET1052-C方案展示
方案整體框圖
■ RS232通訊接口電路用于PC機(jī)與FET1052-C核心板通訊的電平轉(zhuǎn)換；
■ 速度模擬控制輸入接口電路用于速度控制信號(hào)，以模擬的方式輸入；
■ LCD顯示電路用于LCD顯示速度、人機(jī)交互等信息；
■ 光電碼盤接口電路用于光電碼盤與i.MXRT1052的連接；
■ 電流檢測(cè)電路用于U和V相電流的檢測(cè)；
■ 驅(qū)動(dòng)、隔離電路用于隔離驅(qū)動(dòng)逆變電路。
電流檢測(cè)電路
i.MXRT1052支持兩個(gè)高精度AD轉(zhuǎn)換控制器，每個(gè)控制器支持16個(gè)通道。
高達(dá)12bit分辨率的線性逐次逼近算法，1MS/S的采樣速率，支持中斷與輪訓(xùn)方式采樣，可實(shí)現(xiàn)對(duì)電機(jī)的三相電壓采樣，無(wú)需進(jìn)行相位補(bǔ)償。但由于是單極性，所以對(duì)交流采樣時(shí)要加提升電路，使交流信號(hào)電壓范圍在0V～3.3V之間。本方案中使用了3路A/D轉(zhuǎn)換輸入，分別為2路電流檢測(cè)和1路模擬信號(hào)輸入采樣。電流檢測(cè)就是把交流電機(jī)的兩相定子電流轉(zhuǎn)換成相應(yīng)的二進(jìn)制代碼，以方便處理。因?yàn)楸鞠到y(tǒng)是三相平衡系統(tǒng)IA+IB+IC=0，因此只要檢測(cè)其中兩路電流，就可以得到三相電流。由于霍爾元件輸出的是弱電流信號(hào)，因此，應(yīng)將該電流信號(hào)轉(zhuǎn)換成電壓信號(hào)，然后經(jīng)過(guò)濾波加法處理，由于霍爾電流傳感器的輸出的是有正負(fù)方向的電流信號(hào)，而i.MXRT1052片內(nèi)A／D轉(zhuǎn)換器為單極性輸入為0～3.3V的電壓信號(hào)，因此要有電壓偏移電路。
光電碼盤接口電路
i.MXRT1052支持四路正交解碼器（ENC），利用來(lái)自位置/速度傳感器的5個(gè)輸入信號(hào)（PHASEA，PHASEB，INDEX，TRIGGER和HOME），正交解碼器模塊對(duì)軸位置，轉(zhuǎn)數(shù)和速度進(jìn)行解碼，正交編碼脈沖電路可用于連接光電編碼器，以獲得旋轉(zhuǎn)機(jī)械的位置和速率等信息。
驅(qū)動(dòng)隔離電路
可使用由IR公司所生產(chǎn)的IR2132來(lái)驅(qū)動(dòng)G4PH50UD-E(IGBT)，構(gòu)建成三相逆變器。因?yàn)閕.MXRT1052所產(chǎn)生的PWM波形頻率比較高，用一般的低速光耦會(huì)使得驅(qū)動(dòng)電路的開關(guān)時(shí)間變長(zhǎng)，在低速，小負(fù)載時(shí)會(huì)嚴(yán)重影響到電機(jī)的低速性能，所以可選用高速光耦，有效提高逆變器的快速性。
i.MXRT1052最高支持32路PWM輸出，包含PWM子模塊，每個(gè)子模塊都設(shè)計(jì)為控制單個(gè)半橋功率級(jí)。提供故障通道支持。該P(yáng)WM模塊可以產(chǎn)生各種開關(guān)模式，包括高度的復(fù)雜的波形。支持控制所有已知的電機(jī)類型，也是控制不同開關(guān)模式電源（SMPS）拓?fù)涞睦硐脒x擇。
RS232通訊、顯示電路
i.MXRT1052最高支持8路UART、2路CAN接口，方便擴(kuò)展其他功能應(yīng)用；支持8/16/24位LCD接口，支持最大1366×768分辨率，支持4.3、7寸電阻觸摸，支持8/16-bitMPU/8080接口。支持2D圖形加速引擎，支持emWIN圖形界面；飛凌嵌入式OK1052-C開發(fā)板支持裸機(jī)、FreeRTOS、ucLinux操作系統(tǒng)開發(fā)，方便客戶不同場(chǎng)合的產(chǎn)品應(yīng)用。
MCU模式支持Keil、IAR、ARM-GCC等編譯器，同時(shí)還支持Amazon FreeRTOS、SDK、ARM mbed以及軟件庫(kù)、在線工具和相應(yīng)支持的全球ARM生態(tài)系統(tǒng)來(lái)實(shí)現(xiàn)快速原型制作和開發(fā)。 MPU模式依然采用工程師最為熟悉的Ubuntu+GCC開發(fā)方式。
三、FET1052-C核心板分為兩種配置
本次方案充分展示了FET1052-C在電機(jī)控制方面突出的性能優(yōu)勢(shì)以及接口豐富程度，兩個(gè)PMSM電機(jī)控制方案可以參考發(fā)布在NXP官網(wǎng)的應(yīng)用筆記AN12200（Dual FOC Servo Motor Control on i.MXRT）。
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