基于F2808的永磁同步電機伺服系統(tǒng)設計

摘要：設計了一種基于DSF F2808的永磁同步電機(PMSM)伺服控制系統(tǒng)，系統(tǒng)基于轉子磁場定向矢量控制方法，結合工程實際，采用了直流母線電壓紋波補償、遇限削弱積分PI控制算法、防振蕩處理等控制策略，實現(xiàn)PMSM伺服控制，設計了交流伺服控制系統(tǒng)軟硬件，并得到了相應實驗結果，驗證了上述方法的有效性與合理性。
關鍵詞：同步電機；伺服控制；工程設計

1 引言
    與其他電機相比，PMSM構成的交流伺服系統(tǒng)具有明顯的優(yōu)勢，如效率高、低速性能好、轉子慣量小等，因此研究PMSM構成的高性能驅動和伺服控制系統(tǒng)，具有重要的理論意義和實用價值。針對PMSM控制的工程實際，設計了一種基于DSP F2808的數(shù)字伺服控制系統(tǒng)，采用直流母線電壓紋波補償、遇限削弱積分PI控制算法、防振蕩處理等控制策略，實現(xiàn)PMSM高性能伺服控制，給出了伺服控制系統(tǒng)相關原理、軟硬件設計和實驗結果?；谏鲜龇椒ㄩ_發(fā)的控制裝置具有良好的性能，已獲得實際應用。

2 交流伺服控制系統(tǒng)的相關控制方法
2．1 PMSM轉子磁場定向矢量控制
    在d，q旋轉坐標系下，轉子磁場定向矢量控制的PMSM電壓、磁鏈方程為：
    
    式中：Rs為定子繞組電阻；ω為磁場旋轉速度；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。
    當控制isd=0時，電機電磁轉矩方程為：
    Te=3npψMisq／2        (2)
    Te與isq成正比，控制isq可使PMSM獲得快速的轉矩響應。
2．2 直流母線電壓紋波補償
    實際系統(tǒng)中，輸入電壓的波動和電機負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行合適的紋波補償，具體方法是在定子參考電壓Usα，β方向分量各乘一個加權系數(shù)，計算方法如下：
    
    式中：index為調制系數(shù)，滿足0<index<1，其具體值取決于輸出電壓的調制方式；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對應直流母線電壓的0～100％。y=sign(x)為符號函數(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PI調節(jié)器進入飽和區(qū)后，不再進行積分項的累加，而執(zhí)行削弱積分運算，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u(k)>Umax，uo=Umax；當u(k)<Umin，uo=Umin，否則uo=u(k)。
2．4 防振蕩處理
    在伺服控制中，當轉子轉到給定位置時，電機轉矩還需給負載一個保持轉矩，該轉矩使電機轉子易發(fā)生振蕩，使轉子來回擺動無法快速定位。為達到快速、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。當位置誤差足夠大時(區(qū)域1和5)，進行快速調節(jié)，位置和速度PI調節(jié)器參數(shù)保持不變；當位置誤差足夠小時(區(qū)域2和4)，為防止超調，PI調節(jié)器參數(shù)逐漸變小；當轉子進入防擺動區(qū)域時(區(qū)域3)，PI調節(jié)器參數(shù)均設置為零，即保持位置不變。實驗表明，該方法能夠有效消除轉子到達預定位置時停機的振蕩現(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)結構：位置環(huán)為外環(huán)，以獲得準確的位置控制；速度環(huán)為中環(huán)，實現(xiàn)速度跟蹤；基于id=0磁場定向控制的電流環(huán)設置為內環(huán)，以獲得快速的轉矩響應。主要控制策略包括：轉子磁場定向矢量控制、空間矢量調制、直流母線電壓紋波補償、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)軟硬件結構及其設計
3．1 系統(tǒng)硬件設計
    基于DSP F2808的伺服控制系統(tǒng)硬件結構如圖3所示，主要包括F2808控制板、IGBT功率模塊和驅動電路、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伺服實驗電機。

    (1)F2808是一款高性價比的32位定點DSP控制器，運算速度高達100 MIPs，具有運算速度快，存儲容量大，采樣精度高，擴展能力強等特性，包含電機驅動的所有外設，無需擴展即可實現(xiàn)全部控制功能。在系統(tǒng)中，該DSP完成磁場定向矢量控制、空間矢量調制、直流母線電壓紋波補償、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信號，如欠壓、過壓、過流保護等。
    (3)電機增量式光電編碼器輸出的正交脈沖信號經抗干擾處理后，送至DSP正交編碼器QEP接口。DSP通過對輸入脈沖的計數(shù)，計算出電機轉子轉速和相對轉子位置。編碼器的index信號用于初始定位和轉子位置偏差的校正。
    (4)系統(tǒng)采用LCD顯示電機各運行狀態(tài)參數(shù)。同時通過RS232與PC連接，開發(fā)人機界面，對電機進行實時控制和狀態(tài)監(jiān)控。
3．2 伺服系統(tǒng)軟件設計
    系統(tǒng)在進行伺服控制時，由圖2可知，首先通過比較給定位置與編碼器實測位置得到位置誤差，該誤差經抗擾動處理后，由位置PI調節(jié)器得到一個速度給定。速度給定與實測轉速進行比較，經速度PI調節(jié)器得到轉矩電流參考。參考電流與實際電流進行比較，誤差經電流PI調節(jié)器得到電壓輸出向量。經直流母線電壓紋波補償后，通過SVPWM計算產生PWM控制信號，用以控制逆變器驅動伺服電機。

    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，即開關頻率為8 kHz。

4 實驗結果分析
    為實現(xiàn)上述控制，構建了實驗裝置，系統(tǒng)包括一塊F2808控制板和參數(shù)檢測驅動板，一臺功率為300 W帶增量式光電編碼器(2 048線／轉)的PMSM伺服電機。在此裝置上進行電流、轉速閉環(huán)和位置閉環(huán)實驗。實驗直流母線電壓為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。
    當電機穩(wěn)態(tài)運行過程中，突加、突卸負載時，id，iq的電流響應波形如圖5a所示，電流變化曲線表明該系統(tǒng)具有快速的轉矩響應，動態(tài)性能良好。

    進行了兩種位置實驗：①給定位置從0線到1 000線的位置響應波形如圖5b所示；②給定位置從0線到20 000線，再到-20 000線，最后到0線的位置響應波形如圖5c所示?？梢姡撍欧到y(tǒng)可以實現(xiàn)快速的正反轉運行，定位精度高且轉速跟蹤響應快，且消除了定位振蕩。

5 結論
    設計了一種基于DSP F2808的永磁同步電機伺服控制系統(tǒng)。針對工程實際，采用了直流母線電壓紋波補償、遇限削弱積分PI控制算法、防振蕩處理等控制策略，實現(xiàn)了數(shù)字伺服控制。實驗結果表明，該系統(tǒng)能夠滿足伺服控制的各項要求，并具有快速的轉矩響應，在實現(xiàn)位置控制和速度控制時具有較高的位置控制精度。