基于MSP430F149的變頻伺服系統的設計與研究

　近年來(lái)，伺服系統的發(fā)展始終以穩定性、響應性與精度為發(fā)展主軸，這也是用戶(hù)在使用過(guò)程中最為看重的幾大因素。在機床伺服系統、機器人控制系統、雷達天線(xiàn)控制系統等場(chǎng)合大都由直流伺服電機和直流伺服控制器來(lái)完成控制。在這些控制領(lǐng)域中，主要以負載的位置或角度等為控制對象的伺服控制系統[1]。隨著(zhù)變頻器技術(shù)的高速發(fā)展，在伺服系統中交流變頻傳動(dòng)因其功率因數高、反應速度快、精度高、適合在惡劣環(huán)境中使用等優(yōu)點(diǎn)得到了越來(lái)越廣泛的應用。本文提出一種基于高性能單片機MSP430F149、變頻器、變頻電機組成的數字式變頻伺服系統，并將數字PID算法引入到此系統中，使系統獲得了良好的系統靜、動(dòng)態(tài)性能。

　　1變頻伺服系統的功能

　　為達到變頻伺服系統的運行可靠、良好的靜態(tài)以及動(dòng)態(tài)的性能要求，其功能如下：

　　1）精確的伺服控制功能

　　高精度、高速度、大功率是伺服系統的發(fā)展趨勢，系統采用高速單片機作為核心控制器，對變頻器進(jìn)行控制，使伺服系統的控制達到更高的精度。

　　2）通信功能

　　單片機與上位機之間必須確保通信的正常與正確，單片機將接收到來(lái)自上位機的控制命令與采樣到的反饋信號相比較得到偏移控制量，只有得到相應的偏移量，單片機才對變頻器輸出相應控制信號。

　　3）反饋量精確采集功能

　　反饋量采集的精確度直接關(guān)系到控制精度，系統采用變M/T方法對伺服電機進(jìn)行轉速采樣，采樣精度較M法、T法更加精確，從而確保了更加精確的控制。

　　2系統硬件設計

　　系統以單片機MSP430F149為核心控制器[2]，集成變頻器、變頻電機、采樣編碼器以及PC上位機組成。其系統原理框圖如圖1所示。



　　圖1系統框圖

其控制過(guò)程為：?jiǎn)纹瑱CMSP430F149控制協(xié)調系統各功能模塊工作；PC上位機通過(guò)串口UART0將控制信號傳輸給MSP430F149,單片機通過(guò)對反饋信號采樣后進(jìn)行處理，將處理后的數據與來(lái)自上位機的控制信號相互比較，得到誤差量，再將誤差量經(jīng)過(guò)相應的運算得到伺服系統控制量；MSP430F149將得到控制量通過(guò)串口UART1直接轉換成RS485信號輸出至變頻器，變頻器根據接收到的控制信號產(chǎn)生變頻變壓的電源信號以驅動(dòng)電機完成期望動(dòng)作；同時(shí)上位機通過(guò)MSP430F149的串口UART0獲取變頻電機的速度、系統參數等形成打印報表，為操作人員良好人機操作界面。

　　2.1單片機單元

　　MSP430F149是變頻交流伺服系統的核心控制器，完成系統控制信號與測量信號的傳遞及復雜的控制決策，協(xié)調各模塊進(jìn)行工作，操作控制指令的接收與識別。此單片機是一種超低功耗微控器，采用16位的體系結構，16位的CPU集成寄存器和常數發(fā)生器，實(shí)現了最大化的代碼效率。包括2個(gè)內置16位的定時(shí)器、一個(gè)快速12位A/D轉換器，兩個(gè)通用串行同步異步通訊接口和48個(gè)I/O端口，片內包含60KFLASHROM和2KBRAM。本設計是實(shí)時(shí)控制系統，需對數據進(jìn)行實(shí)時(shí)采集和傳輸。MSP430F149中60KFLASH存儲器可滿(mǎn)足系統程序對燒錄存儲空間的需要，內部數據RAM（2K）保證了數據實(shí)時(shí)采集、處理和傳輸，48個(gè)數字外設端口方便地實(shí)現了與外圍器件的數據傳輸與控制，16位的體系結構保證了系統能夠完成復雜的控制決策，而雙串口UART則滿(mǎn)足了控制器與上位機及變頻器的實(shí)時(shí)通信需要。

　　2.2光電編碼器及變M/T測速MSP430F149內部實(shí)現

　　伺服系統的精度控制主要取決于電機轉速信號的測量精度，本系統采用增量式光電編碼器作為電機轉速為檢測元件。比較常見(jiàn)的電編碼器測速方法有M法、T法和M/T法。M法是在規定時(shí)間間隔內，測量光電編碼器輸出的脈沖數量來(lái)獲得被測電機轉速的速度值，適合高速測量場(chǎng)合。T法測量是測量相鄰兩個(gè)脈沖間隔時(shí)間來(lái)確定被測電機的轉速速度的方法，此方法在高速場(chǎng)合測量時(shí)精確度性較差，因此一般只適用于低速測量的場(chǎng)合。M/T法是通過(guò)同時(shí)測量檢測時(shí)間和在此檢測時(shí)間內所發(fā)生的脈沖數來(lái)確定轉速。在整個(gè)速度范圍內有著(zhù)較好的測速精度，但在低速時(shí)隨著(zhù)頻率的降低，需要較長(cháng)的測量時(shí)間，無(wú)法滿(mǎn)足伺服系統的快速動(dòng)態(tài)響應性能指標[2]。近年來(lái)變M/T測速方法逐漸被使用，是指在測速過(guò)程中，不僅檢測光電編碼器脈沖M1和高頻時(shí)鐘脈沖M2隨電機轉速不同而變化,而且檢測時(shí)間Tg也在變化，它始終等于光電編碼器M1個(gè)脈沖周期之和（測速原理如圖2所示）。Tg的大小由高頻時(shí)鐘脈沖M2計取，則電機速度計可由以下公式確定[3]。



式中：M₁為預置脈沖數；M₂為高頻時(shí)鐘脈沖數；f_c為高頻時(shí)鐘頻率；λ為光電編碼器倍頻系數；P為光電編碼器線(xiàn)數。



　　圖2變M/T法測速原理

　　在電機低速運行時(shí)變M/T法的檢測時(shí)間Tg明顯比M/T法檢測時(shí)間要短，由此可見(jiàn)用變M/T法轉速測量能夠滿(mǎn)足控制系統對轉速測量的精度及實(shí)時(shí)性的要求。

　　利用MSP430F149內部定時(shí)器A和B可以完成對電機轉速的變M/T法的測量，可以簡(jiǎn)化外圍電路的設計，減小了系統功耗。定時(shí)器A對外部光電編碼器脈沖進(jìn)行計數，定時(shí)器B對系統內部高頻時(shí)鐘進(jìn)行計數；定時(shí)器A工作于16位計數方式，將測量值M1裝入定時(shí)器A的寄存器內，在定時(shí)器A計數達到M1個(gè)脈沖時(shí)，定時(shí)器產(chǎn)生中斷，程序讀取定時(shí)器B的計數值M2，由于M1已知依據式（1）可快速而準確計算出電機轉速。