《電子技術(shù)應(yīng)用》
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基于F2808的永磁同步電機(jī)伺服系統(tǒng)設(shè)計
電子設(shè)計工程
摘要: 設(shè)計了一種基于DSFF2808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)計了交流伺服控制系統(tǒng)軟硬件,并得到了相應(yīng)實(shí)驗結(jié)果,驗證了上述方法的有效性與合理性。
Abstract:
Key words :

作者:柏淑紅

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,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)動和伺服控制系統(tǒng),具有重要的理論意義和實(shí)用價值。針對PMSM控制的工程實(shí)際,設(shè)計了一種基于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)計和實(shí)驗結(jié)果?;谏鲜龇椒ㄩ_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)子磁場定向矢量控制

    在d,q旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系下,轉(zhuǎn)子磁場定向矢量控制的PMSM電壓、磁鏈方程為:

    a.JPG

    式中:Rs為定子繞組電阻;ω為磁場旋轉(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,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,輸入電壓的波動和電機(jī)負(fù)載的擾動會引起變頻器直流母線電壓波動。為減少母線電壓紋波擾動對PWM輸出電壓的影響,需對直流母線電壓進(jìn)行合適的紋波補(bǔ)償,具體方法是在定子參考電壓Usα,β方向分量各乘一個加權(quán)系數(shù),計算方法如下:

    c1.jpg

    式中:index為調(diào)制系數(shù),滿足0
    在這里采用的SVPWM中,index=0.866,0
    c.JPG

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時刻PI調(diào)節(jié)器輸出;e(k)為k時刻輸入誤差信號;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)
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,電機(jī)轉(zhuǎn)矩還需給負(fù)載一個保持轉(zhuǎn)矩,該轉(zhuǎn)矩使電機(jī)轉(zhuǎn)子易發(fā)生振蕩,使轉(zhuǎn)子來回擺動無法快速定位。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(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(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)入防擺動區(qū)域時(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)驗表明,該方法能夠有效消除轉(zhuǎn)子到達(dá)預(yù)定位置時停機(jī)的振蕩現(xiàn)象。

f.JPG

    基于矢量控制的PMSM伺服控制系統(tǒng)框圖如圖2所示。g.JPG

    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

3.1 系統(tǒng)硬件設(shè)計

    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)動電路、電壓電流檢測電路、光電編碼器位置檢測電路、LCD顯示電路、輔助電源及一臺帶增量式光電編碼器的PMSM伺服實(shí)驗電機(jī)。

h.JPG

    (1)F2808是一款高性價比的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)動的所有外設(shè),無需擴(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直流母線電壓,電機(jī)兩相輸入電流用電流霍爾LV28-NP檢測,得到的電流采樣信號經(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。同時采樣信號通過比較電路還用作軟硬件保護(hù)信號,如欠壓、過壓、過流保護(hù)等。

    (3)電機(jī)增量式光電編碼器輸出的正交脈沖信號經(jīng)抗干擾處理后,送至DSP正交編碼器QEP接口。DSP通過對輸入脈沖的計數(shù),計算出電機(jī)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速和相對轉(zhuǎn)子位置。編碼器的index信號用于初始定位和轉(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)。同時通過RS232與PC連接,開發(fā)人機(jī)界面,對電機(jī)進(jìn)行實(shí)時控制和狀態(tài)監(jiān)控。

3.2 伺服系統(tǒng)軟件設(shè)計

    系統(tǒng)在進(jìn)行伺服控制時,由圖2可知,首先通過比較給定位置與編碼器實(shí)測位置得到位置誤差,該誤差經(jīng)抗擾動處理后,由位置PI調(diào)節(jié)器得到一個速度給定。速度給定與實(shí)測轉(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SVPWM計算產(chǎn)生PWM控制信號,用以控制逆變器驅(qū)動伺服電機(jī)。

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    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控制;位置中斷程序主要包括位置/速度的檢測與計算、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檢測,正余弦計算,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)驗結(jié)果分析

    為實(shí)現(xiàn)上述控制,構(gòu)建了實(shí)驗裝置,系統(tǒng)包括一塊F2808控制板和參數(shù)檢測驅(qū)動板,一臺功率為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。實(shí)驗直流母線電壓為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)行過程中,突加、突卸負(fù)載時,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),動態(tài)性能良好。

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    進(jìn)行了兩種位置實(shí)驗: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)計了一種基于DSP F2808的永磁同步電機(jī)伺服控制系統(tǒng)。針對工程實(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)驗結(jié)果表明,該系統(tǒng)能夠滿足伺服控制的各項要求,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具有較高的位置控制精度。

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