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AD2S100在永磁同步電機矢量控制中的應用
  • 企業(yè):控制網(wǎng)     領域:儀器儀表     行業(yè):市政工程    
  • 點擊數(shù):3618     發(fā)布時間:2005-05-31 15:13:14
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本文主要介紹了交流矢量處理器AD2S100的工作原理和使用方法。AD2S100特別適用于交流電機的矢量控制系統(tǒng)中,它可以避免微處理器在軟件上對坐標進行變換,從而節(jié)約了微處理器的時間,這樣就為系統(tǒng)的精確控制提供了可能。本文還給出了AD2S100在永磁同步電機控制中的一種應用方案并簡單介紹了整個系統(tǒng)的控制原理。

 

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,已成功地應用于交流傳動的各個領域之中。但由于矢量控制本身是基于坐標變換的基礎之上,這樣就導致無論采用哪種系統(tǒng)都無法回避的問題:要進行復雜的坐標變換計算。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,而坐標變換花去較多時間,因此使得一些復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,專門設計的以硬件電路實現(xiàn)坐標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,可以用于感應電動機及永磁同步電機矢量控制中。
 

                        圖1  AD2S100內部結構框圖

1 AD2S100的內部結構與原理
    AD2S100的內部結構框圖如圖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  坐標系轉換圖

    下面以電流矢量 為例,簡要說明AD2S100內部坐標之間的轉換關系。如圖2,a、b、c   軸為三相繞組的軸線,αβ是兩相坐標系中的兩個正交軸線,將αβ軸逆時針旋轉φ角度得到dq 軸坐標系。則三相坐標abc與靜止兩相坐標αβ之間的關系矩陣為:
                 (1)
兩相旋轉坐標系 與靜止坐標系 之間的變換關系矩陣為:
                             (2)
 
(2)式中的φ是外部輸入的12位數(shù)字信號。
    在交流電機矢量控制中id稱為磁通電流分量,iq稱為轉距電流矢量。上述矢量旋轉運算是由AD2S100內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,信號電平與標準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正、負電源電壓。采用何種方式,由后述輸入方式選擇決定。當用高電平輸入時,電壓信號先經(jīng)過系數(shù)為0.56的衰減后再進行變換,輸出電壓信號范圍是+3.3V,輸出端最小負載阻抗2KΩ 。當STROBE出現(xiàn)正脈沖后,即啟動一次轉換過程,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 典型應用電路
  在具體應用中,應在Vdd與AGND、Vss與AGND之間應并上100 陶瓷電容和10 電解電容,這樣可增強芯片的抗干擾能力,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部產生。在這種方式下不平衡檢測功能失效。

3 AD2S100在永磁同步電機控制中的應用實例
  由于AD2S100具有矢量運算功能,因此它可以用在永磁同步電機的矢量控制系統(tǒng)中,本系統(tǒng)中永磁同步電機采用自控式變頻調速方法,采用TMS320F240作為主CPU。電機軸上安裝旋轉變壓器,可以檢測永磁體的磁極位置。控制定子電流即可控制轉子磁鏈,從而產生恒定的轉距。其矢量控制框圖見圖4。其控制過程如下:

1.通過旋轉變壓器測得電機轉子位置的模擬信號,經(jīng)分解器數(shù)字轉換器AD2S83轉換為數(shù)字信號,同時可以計算出轉子的速度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.檢測到的電機實際轉速和給定的轉速相比較,經(jīng)PI調節(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調節(jié)器,輸出交直軸電壓值ud和uq ,再經(jīng)過坐標變換,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,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中的相關寄存器賦值,輸出逆變器所需的PWM信號。

                    圖4 永磁同步電機(PMSM)矢量控制框圖

4  結論
    經(jīng)過實際運行證明,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,調速性能良好,達到了設計的要求。

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