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0 引言
在電力傳動系統(tǒng)中，矢量控制作為一種高性能控制方式，已成功地應(yīng)用于交流傳動的各個領(lǐng)域之中。但由于矢量控制本身是基于坐標(biāo)變換的基礎(chǔ)之上，這樣就導(dǎo)致無論采用哪種系統(tǒng)都無法回避的問題：要進(jìn)行復(fù)雜的坐標(biāo)變換計算。對于這種繁重的計算，普通微處理器需要耗時100μs左右，而數(shù)字信號處理器(DSP)也需要30～40μs左右的時間，由此產(chǎn)生的延時將影響控制效果。由于矢量控制對實時性要求極高，而坐標(biāo)變換花去較多時間，因此使得一些復(fù)雜的控制算法難以采用，微處理器在控制上的靈活性不能發(fā)揮出來
AD2S100則是針對這一矛盾，專門設(shè)計的以硬件電路實現(xiàn)坐標(biāo)變換功能的集成電路。AD2S100集成電路可以實現(xiàn)三相 或兩相正交交流信號的矢量變換，它將這些輸入量轉(zhuǎn)換到由一數(shù)字輸入角 控制的新參考系中。它完成一次變換僅需2μs的時間，可以用于感應(yīng)電動機(jī)及永磁同步電機(jī)矢量控制中。
圖1 AD2S100內(nèi)部結(jié)構(gòu)框圖
1 AD2S100的內(nèi)部結(jié)構(gòu)與原理
AD2S100的內(nèi)部結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示。它主要包括3部分：三相／兩相變換、矢量旋轉(zhuǎn)變換和兩相／三相變換。另外還有一個三相平衡檢測及指示功能塊。
圖2 坐標(biāo)系轉(zhuǎn)換圖
下面以電流矢量 為例，簡要說明AD2S100內(nèi)部坐標(biāo)之間的轉(zhuǎn)換關(guān)系。如圖2，a、b、c 軸為三相繞組的軸線，αβ是兩相坐標(biāo)系中的兩個正交軸線，將αβ軸逆時針旋轉(zhuǎn)φ角度得到dq 軸坐標(biāo)系。則三相坐標(biāo)abc與靜止兩相坐標(biāo)αβ之間的關(guān)系矩陣為：
（1）
兩相旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系 與靜止坐標(biāo)系 之間的變換關(guān)系矩陣為：
（2）
（2）式中的φ是外部輸入的12位數(shù)字信號。
在交流電機(jī)矢量控制中id稱為磁通電流分量，iq稱為轉(zhuǎn)距電流矢量。上述矢量旋轉(zhuǎn)運(yùn)算是由AD2S100內(nèi)的幾個乘法器來實現(xiàn)的。
另外，AD2S100還可以檢測三相輸入信號是否平衡。它利用引腳HOMOPOLAR OUTPUT 來判定，在正常時此引腳應(yīng)保持低電平。
2 AD2S100引腳說明
圖3 AD2S100引腳配置圖
2.1 AD2S100引腳配置
AD2S100引腳如圖3。它采用44引腳PLCC封裝，圖中未列出的引腳未空腳。AD2S100采用 ±雙電源供電，工作時AGND與DGND短接。其φ角輸入是數(shù)字信號，信號電平與標(biāo)準(zhǔn)TTL電平兼容。現(xiàn)對配置圖作如下說明：
(1)900正交兩相信號輸入。sinθ、cosθ從PH/IP4、PH/IPl輸入。
(2)三相信號cosθ 、cos(θ-1200)、cos（θ+1200 ）。正常電平輸入腳是PH/IPl、PH/IP2、PH/IP3，高電平信號輸入是PH/IPHl、PH/IPH2、PH/IPH3。
(3)三相信號只輸入兩相時，是cos(θ+1200)和cos(θ-1200) 。分別從PH/IP2和PH/IP3輸入。
(4)任何情況下，11～17腳中未用引腳，一律懸空。
2.2 輸入輸出信號
AD2S100的輸入電壓信號有兩種電壓范圍：正常時電壓是±3.3V，高電平輸入時電壓可達(dá)正、負(fù)電源電壓。采用何種方式，由后述輸入方式選擇決定。當(dāng)用高電平輸入時，電壓信號先經(jīng)過系數(shù)為0.56的衰減后再進(jìn)行變換，輸出電壓信號范圍是+3.3V，輸出端最小負(fù)載阻抗2KΩ 。當(dāng)STROBE出現(xiàn)正脈沖后，即啟動一次轉(zhuǎn)換過程，STROBE最高脈沖頻率為300kHz。BUSY在STROBE有效后即成高電平，并維持2μS ，然后變低，直到下一次STROBE到來。STROBE脈寬必須太于100ns。
2.3 典型應(yīng)用電路
在具體應(yīng)用中，應(yīng)在Vdd與AGND、Vss與AGND之間應(yīng)并上100 陶瓷電容和10 電解電容，這樣可增強(qiáng)芯片的抗干擾能力,且每用一片AD2S100，電容都要單獨加。另外，AD2S100易受靜電損傷，使用時應(yīng)注意。
2.4 輸入方式選擇
AD2S100輸入方式由CONVl和CONV2腳上邏輯電平?jīng)Q定。
方式l：CONVl懸空，CONV2接地。此方式下輸入兩相正交信號，由PH/IPl和PH/IP4輸入。
方式2：CONVl接地，CONV2接正電源。這時輸入三相信號，高電平輸入時只能工作于方式2，該方式也適用于正常電平輸入。
方式3：CONVl與CONV2均接正電源。這時從PH/IP2和PH/IP3輸入三相中的兩相信號，另一相信號由芯片內(nèi)部產(chǎn)生。在這種方式下不平衡檢測功能失效。
3 AD2S100在永磁同步電機(jī)控制中的應(yīng)用實例
由于AD2S100具有矢量運(yùn)算功能，因此它可以用在永磁同步電機(jī)的矢量控制系統(tǒng)中，本系統(tǒng)中永磁同步電機(jī)采用自控式變頻調(diào)速方法，采用TMS320F240作為主CPU。電機(jī)軸上安裝旋轉(zhuǎn)變壓器，可以檢測永磁體的磁極位置。控制定子電流即可控制轉(zhuǎn)子磁鏈，從而產(chǎn)生恒定的轉(zhuǎn)距。其矢量控制框圖見圖4。其控制過程如下：
1.通過旋轉(zhuǎn)變壓器測得電機(jī)轉(zhuǎn)子位置的模擬信號，經(jīng)分解器數(shù)字轉(zhuǎn)換器AD2S83轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號，同時可以計算出轉(zhuǎn)子的速度ω。
2.檢測定子兩相電流ia ，ib ，經(jīng)abc軸系到dq軸系的矢量變換后，便得到檢測值id ，iq 。
3.檢測到的電機(jī)實際轉(zhuǎn)速和給定的轉(zhuǎn)速相比較，經(jīng)PI調(diào)節(jié)器輸出交軸電流給定值iq*。
4.控制直軸電流給定值id=0 ，把交直軸電流給定值分別與實際值相比較，然后分別經(jīng)電流PI調(diào)節(jié)器，輸出交直軸電壓值ud和uq ，再經(jīng)過坐標(biāo)變換，生成αβ軸系上的電壓值uα和uβ 。
5.確定uα和uβ的合成矢量位于空間電壓矢量所圍成6個扇區(qū)中的哪個扇區(qū)之內(nèi)，并且計算該扇區(qū)兩相鄰電壓矢量以及零矢量各自所占的時間，最后給80C196MC中的相關(guān)寄存器賦值，輸出逆變器所需的PWM信號。
圖4 永磁同步電機(jī)(PMSM)矢量控制框圖
4 結(jié)論
經(jīng)過實際運(yùn)行證明，AD2S100的使用使整個系統(tǒng)的控制精度得到了保障，實時性好，定子電流波形非常接近給定波形，且系統(tǒng)硬件電路簡單，調(diào)速性能良好，達(dá)到了設(shè)計的要求。
北京市公安局海淀分局備案號：11010802023656號