運(yùn)動(dòng)控制專用集成電路及應(yīng)用
譚建成 (廣州電器科學(xué)研究所)
【摘 要】本文為“運(yùn)動(dòng)控捌專用集成電路硬應(yīng)用(續(xù)8) (見1994年《微電機(jī)》第2期)的續(xù)篇，介紹AD2Sl0O交流矢量處理器的用途、組成部分、工作原理及在交流電機(jī)控制中的應(yīng)用。
【敘詞】集成電路交流電動(dòng)機(jī)控制原理應(yīng)用
9 AD2s100交流矢量處理器
AD2S100集成電路可實(shí)現(xiàn)三相120。或兩相正交交流信號(hào)的矢量旋轉(zhuǎn)，它將這些輸入量轉(zhuǎn)換到由一數(shù)字輸入角φ控制的新參考
在本電路內(nèi)包括有兩種變換(見圖1)，第一種是計(jì)算出三相輸入交流信號(hào)的正弦和余弦分量，即矢量的實(shí)部和虛部，或者其逆變換，把兩相信號(hào)轉(zhuǎn)換為三相信號(hào)。第二種變換是Park變換，將這兩個(gè)分量(用Vqs和Vds表系。這個(gè)矢量旋轉(zhuǎn)功能使AD2S100可用于交流異步電動(dòng)機(jī)和直流永磁無(wú)刷電動(dòng)機(jī)的控制，包括矢量控制。后者適用于各種應(yīng)用場(chǎng)合，例如采暖空調(diào)、泵和風(fēng)機(jī)控制、機(jī)器人、主軸驅(qū)動(dòng)、電動(dòng)汽車、洗衣機(jī)和干衣機(jī)驅(qū)動(dòng)等。示)轉(zhuǎn)換為V’ds和V’qs，這個(gè)變換可表示為：
Vds=VdscOsφ-Vqssinφ
Vqs=Vdssinφ+Vqscosφ
這里的sinφ和cosφ是AD2S100由輸入12位并行二進(jìn)制角φ從內(nèi)部產(chǎn)生的信號(hào)。再由Vds、Vqs經(jīng)第一種變換的逆變換，得到新的三相信號(hào)。 ．
本電路可接受三相信號(hào)輸入、三相系統(tǒng)中的兩相信號(hào)輸入或正交兩相信號(hào)輸入。HOMOPOLAR OUTPuT檢查三相輸入信號(hào)是否平衡，正常時(shí)它應(yīng)為零。
9．1封裝與引腳說明
本電路采用44腳塑封(P一44A)。引腳(見圖2)說明見表1。表中未列的腳號(hào)為空腳。使用電源±5V，輸入信號(hào)正常電壓端****±3．3V，高電壓端****±4．25V，直流～50kHz。矢量變換后輸出三相信號(hào)模的誤差典型值O．35％，角度誤差典型值9(頻率小于600Hz時(shí))。
在3腳接受一個(gè)輸入數(shù)據(jù)選通信號(hào)，使位置數(shù)據(jù)同步化并送入內(nèi)部計(jì)數(shù)器。第44腳的BUSY高電平時(shí)間代表了矢量旋轉(zhuǎn)的變換時(shí)間，其典型值為2μs。23、24_腳狀態(tài)組合決定了輸入方式的三種選擇(見表2)。
9．2工作原理
交流電機(jī)牽子電流矢量is可以用三相電源ias、ibs、ics如表示為：
它也可以由直角坐標(biāo)表示為：
在交流電機(jī)矢量控制中，ids稱為磁通電流分量，iqs為轉(zhuǎn)矩電流分量。上式表示了三相一兩相變換，它是由AD2Sloo方框圖左邊的3φ一2φ變換部分完成的。
定子電流兩個(gè)分量的定向控制，需要將它們變換到轉(zhuǎn)子參考系上去，這需要進(jìn)行復(fù)數(shù)運(yùn)算，它由AD2S100實(shí)現(xiàn)。在轉(zhuǎn)子參考系上的定子電流兩個(gè)分量表示為ids和iqs，它們有：
這里ejφ是核心算子。φ代表運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)子的角位置(數(shù)字)，有：
上述矢量旋轉(zhuǎn)運(yùn)算由AD2S100內(nèi)幾個(gè)乘法器完成。在方框圖右邊再進(jìn)行一次2φ一3φ變換。
9．3應(yīng)用
AD2S100在交流電機(jī)控制中的應(yīng)用舉例如下。
9．3．1交流異步電動(dòng)機(jī)滑差控制
在這種調(diào)頻控制中，其控制策略是保持較小的滑差，以得到較高的功率因數(shù)和較小的電流。如圖3所示，以滑差頻率ω2和電流幅值為控制指令，在微處器產(chǎn)生兩個(gè)正交信號(hào)  這里θ=ω2。數(shù)字軸位置角φ是由旋轉(zhuǎn)變壓器和RDC(旋轉(zhuǎn)變壓器／數(shù)字轉(zhuǎn)換器)得到。 位置角也可以由增量編碼器和計(jì)數(shù)器獲得。由上述信號(hào)，在AD2S100產(chǎn)生給逆變器的工作指令：三相電流信號(hào)，包括相角、幅值和頻率等參數(shù)。這種恒滑差頻率控制有良好的轉(zhuǎn)矩控制能力和高效率，它適合于對(duì)動(dòng)態(tài)響應(yīng)要求不高的場(chǎng)合，如泵、風(fēng)機(jī)、壓縮機(jī)的控制。
9．3．2永磁交流伺服電機(jī)磁場(chǎng)定向控制
采用磁場(chǎng)定向控制的永磁交流伺服電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)(見圖4)適用于數(shù)控機(jī)床進(jìn)給、工業(yè)機(jī)器人關(guān)節(jié)控制、主軸控制。這種伺服控制有大的轉(zhuǎn)矩／慣量比、高峰值轉(zhuǎn)矩、快速加減變速、高剛度。
伺服電機(jī)軸上的旋轉(zhuǎn)變壓器輸出經(jīng)AD2S82變換為數(shù)字軸角位置φ和轉(zhuǎn)速ω信號(hào)。轉(zhuǎn)速指令ωret與反饋ω比較，經(jīng)PI調(diào)節(jié)產(chǎn)生轉(zhuǎn)矩電流Iqref信號(hào)。系統(tǒng)設(shè)有兩個(gè)AD2S100，實(shí)現(xiàn)磁通電流和轉(zhuǎn)矩電流獨(dú)立控制，并且包括弱磁控制，維持較高功率因數(shù)。
9．3．3異步電動(dòng)機(jī)直接磁場(chǎng)定向速度控制
如圖5所示，虛線框圖內(nèi)為矢量控制分。這個(gè)異步電機(jī)調(diào)頻控制的轉(zhuǎn)子磁通位置P(對(duì)應(yīng)于工作原理中的痧是從軸位置傳感器和轉(zhuǎn)子滑差頻率得到的。轉(zhuǎn)子磁通角速度矢量ωp是電機(jī)角速度ωm和滑差角速度ωs之和：
在磁通模型產(chǎn)生轉(zhuǎn)子電流imx和轉(zhuǎn)矩電流分量iqs。它們進(jìn)入乘法器得到實(shí)際的電機(jī)  機(jī)控制性能達(dá)到直流電機(jī)水平。目前大多數(shù)都采用微處理機(jī)(MP)或DSP(數(shù)字信號(hào)處理器)以軟件來(lái)實(shí)現(xiàn)。如果采用AD2S100硬件來(lái)代替軟件處理中的轉(zhuǎn)子一定子和定子一 轉(zhuǎn)子座標(biāo)變換，處理時(shí)間由典型的100μs轉(zhuǎn)矩T，再與指令轉(zhuǎn)矩T“比較。并由imr反饋至弱磁控制。這種弱磁控制技術(shù)是利用減小轉(zhuǎn)子激磁電流方法使電機(jī)在恒轉(zhuǎn)矩區(qū)以外獲得更高的運(yùn)行速度。
異步電動(dòng)機(jī)磁場(chǎng)定向控制可以使異步電 (MP)或40μs(DsP)降低到2μs，它不但使系統(tǒng)帶寬增加，而且使CPU可附加更多性能。在這個(gè)先進(jìn)運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)中(見圖6)，用兩個(gè)AD2S10O作矢量協(xié)處理器，完成兩次矢量轉(zhuǎn)運(yùn)算。
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