运动控制专用集成电路及应用
谭建成 (广州电器科学研究所)
【摘 要】本文为“运动控捌专用集成电路硬应用(续8) (见1994年《微电机》第2期)的续篇，介绍AD2Sl0O交流矢量处理器的用途、组成部分、工作原理及在交流电机控制中的应用。
【叙词】集成电路交流电动机控制原理应用
9 AD2s100交流矢量处理器
AD2S100集成电路可实现三相120。或两相正交交流信号的矢量旋转，它将这些输入量转换到由一数字输入角φ控制的新参考
在本电路内包括有两种变换(见图1)，第一种是计算出三相输入交流信号的正弦和余弦分量，即矢量的实部和虚部，或者其逆变换，把两相信号转换为三相信号。第二种变换是Park变换，将这两个分量(用Vqs和Vds表系。这个矢量旋转功能使AD2S100可用于交流异步电动机和直流永磁无刷电动机的控制，包括矢量控制。后者适用于各种应用场合，例如采暖空调、泵和风机控制、机器人、主轴驱动、电动汽车、洗衣机和干衣机驱动等。示)转换为V’ds和V’qs，这个变换可表示为：
Vds=VdscOsφ-Vqssinφ
Vqs=Vdssinφ+Vqscosφ
这里的sinφ和cosφ是AD2S100由输入12位并行二进制角φ从内部产生的信号。再由Vds、Vqs经第一种变换的逆变换，得到新的三相信号。 ．
本电路可接受三相信号输入、三相系统中的两相信号输入或正交两相信号输入。HOMOPOLAR OUTPuT检查三相输入信号是否平衡，正常时它应为零。
9．1封装与引脚说明
本电路采用44脚塑封(P一44A)。引脚(见图2)说明见表1。表中未列的脚号为空脚。使用电源±5V，输入信号正常电压端****±3．3V，高电压端****±4．25V，直流～50kHz。矢量变换后输出三相信号模的误差典型值O．35％，角度误差典型值9(频率小于600Hz时)。
在3脚接受一个输入数据选通信号，使位置数据同步化并送入内部计数器。第44脚的BUSY高电平时间代表了矢量旋转的变换时间，其典型值为2μs。23、24_脚状态组合决定了输入方式的三种选择(见表2)。
9．2工作原理
交流电机牵子电流矢量is可以用三相电源ias、ibs、ics如表示为：
它也可以由直角坐标表示为：
在交流电机矢量控制中，ids称为磁通电流分量，iqs为转矩电流分量。上式表示了三相一两相变换，它是由AD2Sloo方框图左边的3φ一2φ变换部分完成的。
定子电流两个分量的定向控制，需要将它们变换到转子参考系上去，这需要进行复数运算，它由AD2S100实现。在转子参考系上的定子电流两个分量表示为ids和iqs，它们有：
这里ejφ是核心算子。φ代表运动转子的角位置(数字)，有：
上述矢量旋转运算由AD2S100内几个乘法器完成。在方框图右边再进行一次2φ一3φ变换。
9．3应用
AD2S100在交流电机控制中的应用举例如下。
9．3．1交流异步电动机滑差控制
在这种调频控制中，其控制策略是保持较小的滑差，以得到较高的功率因数和较小的电流。如图3所示，以滑差频率ω2和电流幅值为控制指令，在微处器产生两个正交信号  这里θ=ω2。数字轴位置角φ是由旋转变压器和RDC(旋转变压器／数字转换器)得到。 位置角也可以由增量编码器和计数器获得。由上述信号，在AD2S100产生给逆变器的工作指令：三相电流信号，包括相角、幅值和频率等参数。这种恒滑差频率控制有良好的转矩控制能力和高效率，它适合于对动态响应要求不高的场合，如泵、风机、压缩机的控制。
9．3．2永磁交流伺服电机磁场定向控制
采用磁场定向控制的永磁交流伺服电动机驱动(见图4)适用于数控机床进给、工业机器人关节控制、主轴控制。这种伺服控制有大的转矩／惯量比、高峰值转矩、快速加减变速、高刚度。
伺服电机轴上的旋转变压器输出经AD2S82变换为数字轴角位置φ和转速ω信号。转速指令ωret与反馈ω比较，经PI调节产生转矩电流Iqref信号。系统设有两个AD2S100，实现磁通电流和转矩电流独立控制，并且包括弱磁控制，维持较高功率因数。
9．3．3异步电动机直接磁场定向速度控制
如图5所示，虚线框图内为矢量控制分。这个异步电机调频控制的转子磁通位置P(对应于工作原理中的痧是从轴位置传感器和转子滑差频率得到的。转子磁通角速度矢量ωp是电机角速度ωm和滑差角速度ωs之和：
在磁通模型产生转子电流imx和转矩电流分量iqs。它们进入乘法器得到实际的电机  机控制性能达到直流电机水平。目前大多数都采用微处理机(MP)或DSP(数字信号处理器)以软件来实现。如果采用AD2S100硬件来代替软件处理中的转子一定子和定子一 转子座标变换，处理时间由典型的100μs转矩T，再与指令转矩T“比较。并由imr反馈至弱磁控制。这种弱磁控制技术是利用减小转子激磁电流方法使电机在恒转矩区以外获得更高的运行速度。
异步电动机磁场定向控制可以使异步电 (MP)或40μs(DsP)降低到2μs，它不但使系统带宽增加，而且使CPU可附加更多性能。在这个先进运动控制系统中(见图6)，用两个AD2S10O作矢量协处理器，完成两次矢量转运算。
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