基于F2808的永磁同步電機(jī)伺服系統(tǒng)設(shè)計(jì)

摘要：設(shè)計(jì)了一種基于DSF F2808的永磁同步電機(jī)(PMSM)伺服控制系統(tǒng)，系統(tǒng)基于轉(zhuǎn)子磁場(chǎng)定向矢量控制方法，結(jié)合工程實(shí)際，采用了直流母線電壓紋波補(bǔ)償、遇限削弱積分PI控制算法、防振蕩處理等控制策略，實(shí)現(xiàn)PMSM伺服控制，設(shè)計(jì)了交流伺服控制系統(tǒng)軟硬件，并得到了相應(yīng)實(shí)驗(yàn)結(jié)果，驗(yàn)證了上述方法的有效性與合理性。
關(guān)鍵詞：同步電機(jī)；伺服控制；工程設(shè)計(jì)

1 引言
    與其他電機(jī)相比，PMSM構(gòu)成的交流伺服系統(tǒng)具有明顯的優(yōu)勢(shì)，如效率高、低速性能好、轉(zhuǎn)子慣量小等，因此研究PMSM構(gòu)成的高性能驅(qū)動(dòng)和伺服控制系統(tǒng)，具有重要的理論意義和實(shí)用價(jià)值。針對(duì)PMSM控制的工程實(shí)際，設(shè)計(jì)了一種基于DSP F2808的數(shù)字伺服控制系統(tǒng)，采用直流母線電壓紋波補(bǔ)償、遇限削弱積分PI控制算法、防振蕩處理等控制策略，實(shí)現(xiàn)PMSM高性能伺服控制，給出了伺服控制系統(tǒng)相關(guān)原理、軟硬件設(shè)計(jì)和實(shí)驗(yàn)結(jié)果。基于上述方法開發(fā)的控制裝置具有良好的性能，已獲得實(shí)際應(yīng)用。

2 交流伺服控制系統(tǒng)的相關(guān)控制方法
2．1 PMSM轉(zhuǎn)子磁場(chǎng)定向矢量控制
    在d，q旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系下，轉(zhuǎn)子磁場(chǎng)定向矢量控制的PMSM電壓、磁鏈方程為：
    
    式中：Rs為定子繞組電阻；ω為磁場(chǎng)旋轉(zhuǎn)速度；ψsd，ψsq，Ld，Lq，id，iq分別為d，q軸方向上的磁鏈、電感和電流分量；ψM為永磁體磁鏈。
    當(dāng)控制isd=0時(shí)，電機(jī)電磁轉(zhuǎn)矩方程為：
    Te=3npψMisq／2        (2)
    Te與isq成正比，控制isq可使PMSM獲得快速的轉(zhuǎn)矩響應(yīng)。
2．2 直流母線電壓紋波補(bǔ)償
    實(shí)際系統(tǒng)中，輸入電壓的波動(dòng)和電機(jī)負(fù)載的擾動(dòng)會(huì)引起變頻器直流母線電壓波動(dòng)。為減少母線電壓紋波擾動(dòng)對(duì)PWM輸出電壓的影響，需對(duì)直流母線電壓進(jìn)行合適的紋波補(bǔ)償，具體方法是在定子參考電壓Usα，β方向分量各乘一個(gè)加權(quán)系數(shù)，計(jì)算方法如下：
    
    式中：index為調(diào)制系數(shù)，滿足0<index<1，其具體值取決于輸出電壓的調(diào)制方式；x為Us在α，β方向的向量輸入，x=α，β；α*，β*為α，β方向的向量輸出。
    在這里采用的SVPWM中，index=0．866，0<udcbus<1對(duì)應(yīng)直流母線電壓的0～100％。y=sign(x)為符號(hào)函數(shù)，定義如下：
    
2．3 遇限削弱積分PI控制算法
    傳統(tǒng)數(shù)字PI調(diào)節(jié)器的增量式模型可寫為：
     △u(k)=u(k)-u(k-1)=Kp[e(k)-e(k-1)]+Kie(k)      (5)
    式中：k為采樣次序；u(k)為k時(shí)刻PI調(diào)節(jié)器輸出；e(k)為k時(shí)刻輸入誤差信號(hào)；Kp為比例增益；Ki為積分增益，Ki=KpT／TI，T為采樣周期，Ti為積分時(shí)間常數(shù)。
    為防止PI調(diào)節(jié)器積分溢出和輸出飽和，系統(tǒng)采用了遇限削弱積分的退飽和PI控制算法。當(dāng)PI調(diào)節(jié)器進(jìn)入飽和區(qū)后，不再進(jìn)行積分項(xiàng)的累加，而執(zhí)行削弱積分運(yùn)算，可快速退出飽和。其具體控制算法為：e(k)=r(k)-y(k)，u(k)=x(k-1)+Kpe(k)，x(k)=x(k-1)+Kie(k)+KcorEpi，其中Kcor為校正增益因子，Kcor=Ki／Kp，Epi=uo-u(k)，當(dāng)u(k)>Umax，uo=Umax；當(dāng)u(k)<Umin，uo=Umin，否則uo=u(k)。
2．4 防振蕩處理
    在伺服控制中，當(dāng)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)到給定位置時(shí)，電機(jī)轉(zhuǎn)矩還需給負(fù)載一個(gè)保持轉(zhuǎn)矩，該轉(zhuǎn)矩使電機(jī)轉(zhuǎn)子易發(fā)生振蕩，使轉(zhuǎn)子來(lái)回?cái)[動(dòng)無(wú)法快速定位。為達(dá)到快速、精確的定位功能，系統(tǒng)采用變PI系數(shù)的控制方法，其原理如圖1所示。當(dāng)位置誤差足夠大時(shí)(區(qū)域1和5)，進(jìn)行快速調(diào)節(jié)，位置和速度PI調(diào)節(jié)器參數(shù)保持不變；當(dāng)位置誤差足夠小時(shí)(區(qū)域2和4)，為防止超調(diào)，PI調(diào)節(jié)器參數(shù)逐漸變??；當(dāng)轉(zhuǎn)子進(jìn)入防擺動(dòng)區(qū)域時(shí)(區(qū)域3)，PI調(diào)節(jié)器參數(shù)均設(shè)置為零，即保持位置不變。實(shí)驗(yàn)表明，該方法能夠有效消除轉(zhuǎn)子到達(dá)預(yù)定位置時(shí)停機(jī)的振蕩現(xiàn)象。

    基于矢量控制的PMSM伺服控制系統(tǒng)框圖如圖2所示。

    系統(tǒng)采用三環(huán)結(jié)構(gòu)：位置環(huán)為外環(huán)，以獲得準(zhǔn)確的位置控制；速度環(huán)為中環(huán)，實(shí)現(xiàn)速度跟蹤；基于id=0磁場(chǎng)定向控制的電流環(huán)設(shè)置為內(nèi)環(huán)，以獲得快速的轉(zhuǎn)矩響應(yīng)。主要控制策略包括：轉(zhuǎn)子磁場(chǎng)定向矢量控制、空間矢量調(diào)制、直流母線電壓紋波補(bǔ)償、遇限削弱積分PI控制算法及防振蕩處理等。

3 伺服控制系統(tǒng)軟硬件結(jié)構(gòu)及其設(shè)計(jì)
3．1 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)
    基于DSP F2808的伺服控制系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)如圖3所示，主要包括F2808控制板、IGBT功率模塊和驅(qū)動(dòng)電路、電壓電流檢測(cè)電路、光電編碼器位置檢測(cè)電路、LCD顯示電路、輔助電源及一臺(tái)帶增量式光電編碼器的PMSM伺服實(shí)驗(yàn)電機(jī)。

    (1)F2808是一款高性價(jià)比的32位定點(diǎn)DSP控制器，運(yùn)算速度高達(dá)100 MIPs，具有運(yùn)算速度快，存儲(chǔ)容量大，采樣精度高，擴(kuò)展能力強(qiáng)等特性，包含電機(jī)驅(qū)動(dòng)的所有外設(shè)，無(wú)需擴(kuò)展即可實(shí)現(xiàn)全部控制功能。在系統(tǒng)中，該DSP完成磁場(chǎng)定向矢量控制、空間矢量調(diào)制、直流母線電壓紋波補(bǔ)償、遇限削弱積分PI控制算法等的全部控制算法。
    (2)系統(tǒng)采用電阻分壓法采樣檢測(cè)直流母線電壓，電機(jī)兩相輸入電流用電流霍爾LV28-NP檢測(cè)，得到的電流采樣信號(hào)經(jīng)濾波處理、比例放大和電平提升后送入DSP的A／D采樣模塊。同時(shí)采樣信號(hào)通過(guò)比較電路還用作軟硬件保護(hù)信號(hào)，如欠壓、過(guò)壓、過(guò)流保護(hù)等。
    (3)電機(jī)增量式光電編碼器輸出的正交脈沖信號(hào)經(jīng)抗干擾處理后，送至DSP正交編碼器QEP接口。DSP通過(guò)對(duì)輸入脈沖的計(jì)數(shù)，計(jì)算出電機(jī)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速和相對(duì)轉(zhuǎn)子位置。編碼器的index信號(hào)用于初始定位和轉(zhuǎn)子位置偏差的校正。
    (4)系統(tǒng)采用LCD顯示電機(jī)各運(yùn)行狀態(tài)參數(shù)。同時(shí)通過(guò)RS232與PC連接，開發(fā)人機(jī)界面，對(duì)電機(jī)進(jìn)行實(shí)時(shí)控制和狀態(tài)監(jiān)控。
3．2 伺服系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)
    系統(tǒng)在進(jìn)行伺服控制時(shí)，由圖2可知，首先通過(guò)比較給定位置與編碼器實(shí)測(cè)位置得到位置誤差，該誤差經(jīng)抗擾動(dòng)處理后，由位置PI調(diào)節(jié)器得到一個(gè)速度給定。速度給定與實(shí)測(cè)轉(zhuǎn)速進(jìn)行比較，經(jīng)速度PI調(diào)節(jié)器得到轉(zhuǎn)矩電流參考。參考電流與實(shí)際電流進(jìn)行比較，誤差經(jīng)電流PI調(diào)節(jié)器得到電壓輸出向量。經(jīng)直流母線電壓紋波補(bǔ)償后，通過(guò)SVPWM計(jì)算產(chǎn)生PWM控制信號(hào)，用以控制逆變器驅(qū)動(dòng)伺服電機(jī)。

    系統(tǒng)控制程序流程圖如圖4所示，包括主程序、位置中斷程序和PWM周期定時(shí)中斷程序。主程序主要完成DSP的初始化、故障控制、應(yīng)用程序控制切換和制動(dòng)控制；位置中斷程序主要包括位置／速度的檢測(cè)與計(jì)算、定位控制、位置閉環(huán)伺服控制和速度閉環(huán)控制等，中斷周期為1 ms；PWM周期中斷程序主要包括模擬信號(hào)檢測(cè)，正余弦計(jì)算，電流環(huán)控制及PWM輸出控制，中斷周期為125μs，即開關(guān)頻率為8 kHz。

4 實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析
    為實(shí)現(xiàn)上述控制，構(gòu)建了實(shí)驗(yàn)裝置，系統(tǒng)包括一塊F2808控制板和參數(shù)檢測(cè)驅(qū)動(dòng)板，一臺(tái)功率為300 W帶增量式光電編碼器(2 048線／轉(zhuǎn))的PMSM伺服電機(jī)。在此裝置上進(jìn)行電流、轉(zhuǎn)速閉環(huán)和位置閉環(huán)實(shí)驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)直流母線電壓為72 V，PWM頻率8 kHz，電壓、電流的采樣周期為125μs，位置和速度的采樣周期為1 ms。
    當(dāng)電機(jī)穩(wěn)態(tài)運(yùn)行過(guò)程中，突加、突卸負(fù)載時(shí)，id，iq的電流響應(yīng)波形如圖5a所示，電流變化曲線表明該系統(tǒng)具有快速的轉(zhuǎn)矩響應(yīng)，動(dòng)態(tài)性能良好。

    進(jìn)行了兩種位置實(shí)驗(yàn)：①給定位置從0線到1 000線的位置響應(yīng)波形如圖5b所示；②給定位置從0線到20 000線，再到-20 000線，最后到0線的位置響應(yīng)波形如圖5c所示。可見，該伺服系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)快速的正反轉(zhuǎn)運(yùn)行，定位精度高且轉(zhuǎn)速跟蹤響應(yīng)快，且消除了定位振蕩。

5 結(jié)論
    設(shè)計(jì)了一種基于DSP F2808的永磁同步電機(jī)伺服控制系統(tǒng)。針對(duì)工程實(shí)際，采用了直流母線電壓紋波補(bǔ)償、遇限削弱積分PI控制算法、防振蕩處理等控制策略，實(shí)現(xiàn)了數(shù)字伺服控制。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，該系統(tǒng)能夠滿足伺服控制的各項(xiàng)要求，并具有快速的轉(zhuǎn)矩響應(yīng)，在實(shí)現(xiàn)位置控制和速度控制時(shí)具有較高的位置控制精度。