基于F2808的永磁同步電機伺服系統設計

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，系統基于轉子磁場(chǎng)定向矢量控制方法，結合工程實(shí)際，采用了直流母線(xiàn)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(shí)現PMSM伺服控制，設計了交流伺服控制系統軟硬件，并得到了相應實(shí)驗結果，驗證了上述方法的有效性與合理性。
關(guān)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(dòng)和伺服控制系統，具有重要的理論意義和實(shí)用價(jià)值。針對PMSM控制的工程實(shí)際，設計了一種基于DSP F2808的數字伺服控制系統，采用直流母線(xiàn)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(shí)現PMSM高性能伺服控制，給出了伺服控制系統相關(guān)原理、軟硬件設計和實(shí)驗結果?；谏鲜龇椒ㄩ_(kāi)發(fā)的控制裝置具有良好的性能，已獲得實(shí)際應用。

2 交流伺服控制系統的相關(guān)控制方法
2．1 PMSM轉子磁場(chǎng)定向矢量控制
在d，q旋轉坐標系下，轉子磁場(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(shí)，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(xiàn)電壓紋波補償
實(shí)際系統中，輸入電壓的波動(dòng)和電機負載的擾動(dòng)會(huì )引起變頻器直流母線(xiàn)電壓波動(dòng)。為減少母線(xiàn)電壓紋波擾動(dòng)對PWM輸出電壓的影響，需對直流母線(xiàn)電壓進(jìn)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(gè)加權系數，計算方法如下：

式中：index為調制系數，滿(mǎn)足0index1，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=0．866，0udcbus1對應直流母線(xiàn)電壓的0～100％。y=sign(x)為符號函數，定義如下：

2．3 遇限削弱積分PI控制算法
傳統數字PI調節器的增量式模型可寫(xiě)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調節器輸出；e(k)為k時(shí)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(shí)間常數。
為防止PI調節器積分溢出和輸出飽和，系統采用了遇限削弱積分的退飽和PI控制算法。當PI調節器進(jìn)入飽和區后，不再進(jìn)行積分項的累加，而執行削弱積分運算，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(shí)，電機轉矩還需給負載一個(gè)保持轉矩，該轉矩使電機轉子易發(fā)生振蕩，使轉子來(lái)回擺動(dòng)無(wú)法快速定位。為達到快速、精確的定位功能，系統采用變PI系數的控制方法，其原理如圖1所示。當位置誤差足夠大時(shí)(區域1和5)，進(jìn)行快速調節，位置和速度PI調節器參數保持不變；當位置誤差足夠小時(shí)(區域2和4)，為防止超調，PI調節器參數逐漸變??；當轉子進(jìn)入防擺動(dòng)區域時(shí)(區域3)，PI調節器參數均設置為零，即保持位置不變。實(shí)驗表明，該方法能夠有效消除轉子到達預定位置時(shí)停機的振蕩現象。

基于矢量控制的PMSM伺服控制系統框圖如圖2所示。

系統采用三環(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(shí)現速度跟蹤；基于id=0磁場(chǎng)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(chǎng)定向矢量控制、空間矢量調制、直流母線(xiàn)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 伺服控制系統軟硬件結構及其設計
3．1 系統硬件設計
基于DSP F2808的伺服控制系統硬件結構如圖3所示，主要包括F2808控制板、IGBT功率模塊和驅動(dòng)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。

(1)F2808是一款高性?xún)r(jià)比的32位定點(diǎn)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(dòng)的所有外設，無(wú)需擴展即可實(shí)現全部控制功能。在系統中，該DSP完成磁場(chǎng)定向矢量控制、空間矢量調制、直流母線(xiàn)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)系統采用電阻分壓法采樣檢測直流母線(xiàn)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(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)采樣信號通過(guò)比較電路還用作軟硬件保護信號，如欠壓、過(guò)壓、過(guò)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(jīng)抗干擾處理后，送至DSP正交編碼器QEP接口。DSP通過(guò)對輸入脈沖的計數，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)系統采用LCD顯示電機各運行狀態(tài)參數。同時(shí)通過(guò)RS232與PC連接，開(kāi)發(fā)人機界面，對電機進(jìn)行實(shí)時(shí)控制和狀態(tài)監控。
3．2 伺服系統軟件設計
系統在進(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調節器得到一個(gè)速度給定。速度給定與實(shí)測轉速進(jìn)行比較，經(jīng)速度PI調節器得到轉矩電流參考。參考電流與實(shí)際電流進(jìn)行比較，誤差經(jīng)電流PI調節器得到電壓輸出向量。經(jīng)直流母線(xiàn)電壓紋波補償后，通過(guò)SVPWM計算產(chǎn)生PWM控制信號，用以控制逆變器驅動(dòng)伺服電機。

系統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(kāi)關(guān)頻率為8 kHz。

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

進(jìn)行了兩種位置實(shí)驗：①給定位置從0線(xiàn)到1 000線(xiàn)的位置響應波形如圖5b所示；②給定位置從0線(xiàn)到20 000線(xiàn)，再到-20 000線(xiàn)，最后到0線(xiàn)的位置響應波形如圖5c所示?？梢?jiàn)，該伺服系統可以實(shí)現快速的正反轉運行，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。針對工程實(shí)際，采用了直流母線(xiàn)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(shí)現了數字伺服控制。實(shí)驗結果表明，該系統能夠滿(mǎn)足伺服控制的各項要求，并具有快速的轉矩響應，在實(shí)現位置控制和速度控制時(shí)具有較高的位置控制精度。