運動控制專用集成電路及應用
譚建成 (廣州電器科學研究所)
【摘 要】本文為“運動控捌專用集成電路硬應用(續8) (見1994年《微電機》第2期)的續篇，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控制中的應用。
【敘詞】集成電路交流電動機控制原理應用
9 AD2s100交流矢量處理器
AD2S100集成電路可實現三相120�；騼上嗾唤涣餍盘柕氖噶啃D，它將這些輸入量轉換到由一數字輸入角φ控制的新參考
在本電路內包括有兩種變換(見圖1)，第一種是計算出三相輸入交流信號的正弦和余弦分量，即矢量的實部和虛部，或者其逆變換，把兩相信號轉換為三相信號。第二種變換是Park變換，將這兩個分量(用Vqs和Vds表系。這個矢量旋轉功能使AD2S100可用于交流異步電動機和直流永磁無刷電動機的控制，包括矢量控制。后者適用于各種應用場合，例如采暖空調、泵和風機控制、機器人、主軸驅動、電動汽車、洗衣機和干衣機驅動等。示)轉換為V’ds和V’qs，這個變換可表示為：
Vds=VdscOsφ-Vqssinφ
Vqs=Vdssinφ+Vqscosφ
這里的sinφ和cosφ是AD2S100由輸入12位并行二進制角φ從內部產生的信號。再由Vds、Vqs經第一種變換的逆變換，得到新的三相信號。 ．
本電路可接受三相信號輸入、三相系統中的兩相信號輸入或正交兩相信號輸入。HOMOPOLAR OUTPuT檢查三相輸入信號是否平衡，正常時它應為零。
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。表中未列的腳號為空腳。使用電源±5V，輸入信號正常電壓端****±3．3V，高電壓端****±4．25V，直流～50kHz。矢量變換后輸出三相信號模的誤差典型值O．35％，角度誤差典型值9(頻率小于600Hz時)。
在3腳接受一個輸入數據選通信號，使位置數據同步化并送入內部計數器。第44腳的BUSY高電平時間代表了矢量旋轉的變換時間，其典型值為2μs。23、24_腳狀態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表示為：
在交流電機矢量控制中，ids稱為磁通電流分量，iqs為轉矩電流分量。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。
定子電流兩個分量的定向控制，需要將它們變換到轉子參考系上去，這需要進行復數運算，它由AD2S100實現。在轉子參考系上的定子電流兩個分量表示為ids和iqs，它們有：
這里ejφ是核心算子。φ代表運動轉子的角位置(數字)，有：
上述矢量旋轉運算由AD2S100內幾個乘法器完成。在方框圖右邊再進行一次2φ一3φ變換。
9．3應用
AD2S100在交流電機控制中的應用舉例如下。
9．3．1交流異步電動機滑差控制
在這種調頻控制中，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，在微處器產生兩個正交信號  這里θ=ω2。數字軸位置角φ是由旋轉變壓器和RDC(旋轉變壓器／數字轉換器)得到。 位置角也可以由增量編碼器和計數器獲得。由上述信號，在AD2S100產生給逆變器的工作指令：三相電流信號，包括相角、幅值和頻率等參數。這種恒滑差頻率控制有良好的轉矩控制能力和高效率，它適合于對動態響應要求不高的場合，如泵、風機、壓縮機的控制。
9．3．2永磁交流伺服電機磁場定向控制
采用磁場定向控制的永磁交流伺服電動機驅動(見圖4)適用于數控機床進給、工業機器人關節控制、主軸控制。這種伺服控制有大的轉矩／慣量比、高峰值轉矩、快速加減變速、高剛度。
伺服電機軸上的旋轉變壓器輸出經AD2S82變換為數字軸角位置φ和轉速ω信號。轉速指令ωret與反饋ω比較，經PI調節產生轉矩電流Iqref信號。系統設有兩個AD2S100，實現磁通電流和轉矩電流獨立控制，并且包括弱磁控制，維持較高功率因數。
9．3．3異步電動機直接磁場定向速度控制
如圖5所示，虛線框圖內為矢量控制分。這個異步電機調頻控制的轉子磁通位置P(對應于工作原理中的痧是從軸位置傳感器和轉子滑差頻率得到的。轉子磁通角速度矢量ωp是電機角速度ωm和滑差角速度ωs之和：
在磁通模型產生轉子電流imx和轉矩電流分量iqs。它們進入乘法器得到實際的電機  機控制性能達到直流電機水平。目前大多數都采用微處理機(MP)或DSP(數字信號處理器)以軟件來實現。如果采用AD2S100硬件來代替軟件處理中的轉子一定子和定子一 轉子座標變換，處理時間由典型的100μs轉矩T，再與指令轉矩T“比較。并由imr反饋至弱磁控制。這種弱磁控制技術是利用減小轉子激磁電流方法使電機在恒轉矩區以外獲得更高的運行速度。
異步電動機磁場定向控制可以使異步電 (MP)或40μs(DsP)降低到2μs，它不但使系統帶寬增加，而且使CPU可附加更多性能。在這個先進運動控制系統中(見圖6)，用兩個AD2S10O作矢量協處理器，完成兩次矢量轉運算。
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