Конфігуровані контролери електроприводу серії IRMCK

Про компанію Int. Rectifier

Для створення регульованого електроприводу доступна широка номенклатура мікроконтролерів від різних виробників: Texas Instruments, Freescale, Microchip, Atmel, Intel, Fuji, Infineon і ін. Контролери різняться розрядністю (8 ... 32-бітові), архітектурою (RISK, DSP, CISC), продуктивністю , наявністю спеціалізованого блоку управління ШІМ деяких інших характеристик. Практика показала успішність застосування як спеціалізованих мікроконтролерів електроприводу, так і мікроконтролерів загального призначення.

Однак каменем спотикання на шляху розробки регульованого електроприводу є розробка спеціалізованого програмного забезпечення, що вимагає великих знань теорії електроприводу. Застосування готових бібліотек, набору програм і рішень від виробників мікроконтролерів в якійсь мірі спростило завдання розробника і програміста. Але використання в серійному виробництві показало обмеженість готових рішень від виробника, складність внесення змін і адаптації електроприводу до вимог замовника. Внесення змін в існуючу програму перетворюється для розробника в «підстановку милиць» і незмінно закінчується глибокою переробкою вже існуючих програм. Невисока якість реалізації прикладів векторного управління також обмежує застосування електроприводу.

Поява в останнє десятиліття економічно і енергетично привабливих синхронних електродвигунів з постійними магнітами призвело до загострення перерахованих вище проблем, оскільки такі двигуни можуть працювати тільки з зовнішньою системою управління.

З успішних апаратних реалізацій управління приводом можна виділити мікроконтролер MC3PHAC компанії Freescale Semiconductor зі скалярним керуванням асинхронним електроприводом. Незважаючи на те, що MC3PHAC випущений досить давно, даний контролер успішно застосовується в рішеннях типових задач з невисокими вимогами до якості управління - насоси, вентилятори і т.д.

Аналіз ринку електроприводу і напрямків його розвитку привів International Rectifier до розробки спеціалізованих конфігуруються контролерів для синхронних машин з постійними магнітами і трифазним синусоїдальним струмом з бездатчикового управлінням. У 2004 році компанія представила спеціалізовану платформу для електроприводу - iMotion. Ядром платформи стали конфігуруються контролери електроприводу. До складу платформи також увійшли окремі компоненти силової електроніки - інтелектуальні силові модулі, датчики струму, драйвери.

Важливою особливістю конфігуруються контролерів International Rectifier є те, що вперше векторне керування електроприводом стало складовою частиною ядра контролера. Реалізація високоякісного бездатчикового векторного управління безпосередньо в ядрі мікроконтролера визначила успіх і подальший розвиток такого підходу в системах з регульованим електроприводом. У всіх конфігурованих контролерів International Rectifier реалізований шестиканальний векторний ШІМ-генератор.

Перше покоління конфігуруються контролерів представлено контролерами IRMCK201 і IRMCK203, друге покоління - суттєво більш різноманітною за функціоналом серією IRMCK / IRMCF3xx.

Контролери IRMCKxxx орієнтовані на застосування в складі електроприводу трифазних синхронних машин з синусоїдальним струмом. Для застосування з асинхронним приводом призначені рішення на IRMCK201 і IRMCK341.

Апаратна реалізація векторного управління дозволила отримати поєднання високої швидкодії, точності, стійкості алгоритмів управління та низької вартості контролера. Продуктивність IRMCK201 і IRMCK203 в чотири рази перевищує продуктивність спеціалізованих DSP для електроприводу (рис. 1).

Мал. 1. Порівняння програмної і апаратної реалізації часу розрахунку повного циклу управління по струму і швидкості

Перше покоління конфігуруються контролерів IRMCK201 і IRMCK203

Конфігуровані контролери електроприводу IRMCK201 (рис. 2) і IRMCK203 (рис. 3) стали першими, в ядрі яких вперше було успішно реалізовано векторне керування електроприводом. Параметри їх наведені в таблиці 1.

Мал. 2. Спрощена структура і схема застосування IRMCK201

Мал. 3. Спрощена структура і схема застосування IRMCK203

Таблиця 1. Основні параметри IRMCK201 і IRMCK203

Тактова частота генератора, МГц 33,3 Внутрішня тактова частота контролера, МГц 133,3 Час розрахунку замкнутого контуру управління, мкс не більше 6 Смуга пропускання замкнутого контуру по току (-3 dB), кГц 5,5 Вихідна частота ШІМ, кГц до 83 , 3 Дозвіл таймер-лічильників ШІМ, біт 12 Тактова частота SPI-інтерфейсу, МГц до 8

Для обох мікроконтролерів загальної є підтримка декількох типів інтерфейсів: RS232C / RS422, SPI (до 8 МГц), 8-бітний паралельний інтерфейс. Завантаження налаштувань конфігурації контролерів здійснюється з зовнішньої EEPROM. В обох контролерах реалізований апаратний модуль просторової векторної модуляції трифазного ШІМ. Вимірювання струму проходить по двох фаз, з відновленням струму в третій фазі. Модуль вимірювання струму в першу чергу орієнтований на пряме підключення мікросхем вимірювання струму IR2175 і подібних до них.

У IRMCK201 і IRMCK203 є і відмінності.

IRMCK201 є найбільш функціональним контролером: він може працювати як в замкнутій по швидкості системі управління, так і в розімкнутої. Даний контролер може застосовуватися як в синхронному електроприводі з постійними магнітами, так і в асинхронному приводі. Замкнута система управління дозволяє отримати високоточний привод з діапазоном регулювання до 1: 5000. IRMCK201 знаходить застосування в різних системах, що стежать, сервоприводах роботів-маніпуляторів, високоточному електроприводі.

У IRMCK203 реалізована разомкнутая за швидкістю система управління, орієнтована на застосування тільки з синхронними трифазними електродвигунами з постійними магнітами. Проте, векторне управління дозволило реалізувати стійке регулювання швидкості в діапазоні 1:50.

Висока продуктивність контролерів дозволяє реалізувати як привід для типових застосувань (промисловий привід, насосне обладнання, вентиляція, привід засувок і т.п.), так і спеціалізований високооборотний привід (до 100000 об / хв). Приклади успішного застосування в високооборотному приводі: турбомолекулярні вакуумні насоси, високопродуктивний електроінструмент, високообортние бормашини, турбодетендори.

Друге покоління конфігуруються контролерів IRMCK / IRMCF 3xx

Конфігуровані контролери серії IRMCK2xx і IRMCK / IRMCF3xx мають ряд важливих відмінностей. Головні з них - поява у другому поколінні вдосконаленого ядра мікроконтролера 8051, модуля MCETM (Motion Control Engine) і версії з вбудованою флеш-пам'яттю програм. Друге покоління конфігуруються контролерів пішло по шляху реалізації бездатчикового векторного управління. Тут компанія International Rectifier відмовилася від ідеї одного універсального контролера, випустивши кілька типів контролерів з конфігурацією, орієнтованої на додатки. Слід зазначити, що у всіх контролерах ядро електроприводу не зазнало будь-яких спрощень або скорочення функціоналу.

Таблиця 2. Основні характеристики IRMCK / IRMCF 3xx

Найменування (Корпус) Функції Аналоговий
Введення / висновок Цифрові порти
введення / виведення Інтерфейси IRMCF312 IRMCK312 (QFP100) 2 двигуна
1 ККМ 12-бітний АЦП 11 каналів АЦП POR UVLO Аналоговий сторожовий таймер 36 портів в / в 1 порт захоплення 4 таймера RS232 x 2 I2C / SPI IRMCF311 IRMCK311 (QFP64) 2 двигуна
1 ККМ 12-бітний АЦП 6 каналів АЦП POR UVLO Аналоговий сторожовий таймер 14 портів в / в 1 порт захоплення 4 таймера RS232 x 2 I2C / SPI IRMCF343 IRMCK343 (QFP64) 2 двигуна
1 ККМ 12-бітний АЦП 5 каналів АЦП POR UVLO Аналоговий сторожовий таймер 23 порту в / в 1 порт захоплення 4 таймера RS232 I2C / SPI IRMCF341 IRMCK341 (QFP64) 1 двигун 12-бітний АЦП 8 каналів АЦП POR UVLO Аналоговий сторожовий таймер 24 порти в / в 1 порт захоплення 4 таймера RS232 I2C / SPI IRMCF371 IRMCK371 (QFP48) 1 двигун 12-бітний АЦП 4 канали АЦП POR UVLO Аналоговий сторожовий таймер 13 портів в / в 1 порт захоплення 4 таймера RS232 I2C / SPI ККМ - коректор коефіцієнта потужності IRMCF - програмна пам'ять 48 кбайт, пам'ять даних 8 кбайт IRMCK - програмна пам'ять 56 кбайт, пам'ять даних 8 кбайт POR - скидання по харчуванню;
UVLO - захист від низької напруги;

У таблиці 2 наведені основні особливості контролерів серії IRMCK / IRMCF3xx:

Апаратний модуль Motion Control Engine (MCETM). Конфігурується модуль з налаштованим алгоритмом приводу з швидкодією перевищує DSP-мікроконтролери. Просте конфігурація MCE через графічний інтерфейс.
Інтегрований 8-бітний мікроконтролер серії 8051. Не потрібно застосування зовнішніх мікроконтролерів.
Апаратний аналоговий сторожовий таймер для безпечного відключення інвертора.
Монітор контролю напруги живлення.
Версії для управління одним і двома електродвигунами, інтегрований коректор коефіцієнта потужності.
Бездатчикового векторне управління синхронними машинами постійного струму.

Функціонально контролер серії IRMCK3xx (рис. 4) складається з двох блоків: Motion Control Engine, що відповідає за векторне управління приводом, і ядра мікроконтролера 8051.

Мал. 4. Внутрішня структура контролера серії IRMCK / IRMCF 341

Motion Control Engine (MCETM) - апаратно реалізований модуль, який дозволяє разработчку через візуальне середовище проектування конфігурувати контролер під вимоги приводу без написання окремої програми. Motion Control Engine (MCETM) складається з набору компонентів системи автоматичного управління. У нього входять:

Пропорційно-інтегральний ланка;
низькочастотний фільтр;
диференціальне ланка;
обмежувач;
розрахунок кута положення ротора (для бездатчикового управління);
зворотне перетворення Кларка;
поворот вектора;
піковий детектор;
множення-ділення (знакова, беззнаковое);
розподіл (знакова, беззнаковое);
суматор;
вичітатель;
компаратор;
лічильник;
акумулятор;
перемикач;
сдвігатель;
ATAN (арктангенс);
функціональні блоки (згладжує фільтр, нелінійні функції);
16-бітові логічні операції (AND, OR, XOR, NOT, NEGATE);
MCETM пам'ять програм і даних (6 кбайт);
MCETM управління виконанням послідовності команд.

Другою важливою складовою частиною IRMCK / IRMCF3xx є ядро восьмирозрядного мікроконтролера 8051. Поява мікроконтролера в складі конфигурируемого контролера істотно спрощує і розширює можливості IRMCK / IRMCF3xx. Основні особливості ядра 8051 в складі IRMCK / IRMCF3xx:

Три 16-бітних таймера / лічильника;
16-бітний таймер;
16-бітний сторожовий таймер;
16-бітний таймер захоплення;
до 24 дискретних портів введення-виведення;
8-канальний 12-бітний АЦП

- один буферізірованний канал для вимірювання струму (0 ... 1,2 В вхід)

- сім небуферізірованних каналів (0 ... 1,2 В вхід);

JTAG-інтерфейс;
до трьох аналогових виходів (8-бітний ШІМ);
інтерфейси: UART, I2C / SPI;
48 кбайт пам'яті програм, що завантажується з зовнішньої EEPROM;
2 кбайт пам'яті даних.

Конфігуровані контролери керування електроприводом від International Rectifier за рахунок апаратно реалізованого векторного керування електроприводом, конфігурація через візуальне середовище і наявність популярного ядра мікроконтролера 8051 дозволяють за два-три місяці освоїти і розробити діючий зразок електроприводу (рис. 5), переступити до серійного виробництва.

Мал. 5. Приклад рішення на контролері IRMCF312 з двома модулями ШІМ

Відповідальний за напрям в Компел - Людмила Горєва

Отримання технічної інформації, замовлення зразків, поставка -
e-mail: [email protected]

Про компанію Int. Rectifier

У 2015 році компанія Infineon придбала компанію International Rectifier, тим самим значно посиливши свої лідируючі позиції в області силової електроніки. ...Читати далі