基于F2808的永磁同步电机伺服系统设计

基于F2808的永磁同步电机伺服系统设计1引言与其他电机相比，PMSM构成的交流伺服系统具有明显的优势，如效率高、低速性能好、转子惯量小等，因此研究PMSM构成的高性能驱动和伺服控制系统，具有重要的理论意义和实用价值。针对PMSM控制的工程实际，设计了一种基于DSPF2808的数字伺服控制系统，采用直流母线电压纹波补偿、遇限削弱积分PI控制算法、防振荡处理等控制策略，实现PMSM高性能伺服控制，给出了伺服控制系统相关原理、软硬件设计和实验结果。基于上述方法开发的控制装置具有良好的性能，已获得实际应用。2交流伺服控制系统的相关控制方法2．1PMSM转子磁场定向矢量控制在d，q旋转坐标系下，转子磁场定向矢量控制的PMSM电压、磁链方程为：式中：Rs为定子绕组电阻；ω为磁场旋转速度；ψsd，ψsq，Ld，Lq，id，iq分别为d，q轴方向上的磁链、电感和电流分量；ψM为永磁体磁链。当控制isd=0时，电机电磁转矩方程为：Te=3npψMisq／2(2)Te与isq成正比，控制isq可使PMSM获得快速的转矩响应。2．2直流母线电压纹波补偿实际系统中，输入电压的波动和电机负载的扰动会引起变频器直流母线电压波动。为减少母线电压纹波扰动对PWM输出电压的影响，需对直流母线电压进行合适的纹波补偿，具体方法是在定子参考电压Usα，β方向分量各乘一个加权系数，计算方法如下：式中：index为调制系数，满足0index1，其具体值取决于输出电压的调制方式；x为Us在α，β方向的向量输入，x=α，β；α*，β*为α，β方向的向量输出。在这里采用的SVPWM中，index=0．866，0udcbus1对应直流母线电压的0～100％。y=sign(x)为符号函数，定义如下：2．3遇限削弱积分PI控制算法传统数字PI调节器的增量式模型可写为：△u(k)=u(k)-u(k-1)=Kp[e(k)-e(k-1)]+Kie(k)(5)式中：k为采样次序；u(k)为k时刻PI调节器输出；e(k)为k时刻输入误差信号；Kp为比例增益；Ki为积分增益，Ki=KpT／TI，T为采样周期，Ti为积分时间常数。为防止PI调节器积分溢出和输出饱和，系统采用了遇限削弱积分的退饱和PI控制算法。当PI调节器进入饱和区后，不再进行积分项的累加，而执行削弱积分运算，可快速退出饱和。其具体控制算法为：e(k)=r(k)-y(k)，u(k)=x(k-1)+Kpe(k)，x(k)=x(k-1)+Kie(k)+KcorEpi，其中Kcor为校正增益因子，Kcor=Ki／Kp，Epi=uo-u(k)，当u(k)Umax，uo=Umax；当u(k)Umin，uo=Umin，否则uo=u(k)。2．4防振荡处理在伺服控制中，当转子转到给定位置时，电机转矩还需给负载一个保持转矩，该转矩使电机转子易发生振荡，使转子来回摆动无法快速定位。为达到快速、精确的定位功能，系统采用变PI系数的控制方法，其原理如图1所示。当位置误差足够大时(区域1和5)，进行快速调节，位置和速度PI调节器参数保持不变；当位置误差足够小时(区域2和4)，为防止超调，PI调节器参数逐渐变小；当转子进入防摆动区域时(区域3)，PI调节器参数均设置为零，即保持位置不变。实验表明，该方法能够有效消除转子到达预定位置时停机的振荡现象。基于矢量控制的PMSM伺服控制系统框图如图2所示。系统采用三环结构：位置环为外环，以获得准确的位置控制；速度环为中环，实现速度跟踪；基于id=0磁场定向控制的电流环设置为内环，以获得快速的转矩响应。主要控制策略包括：转子磁场定向矢量控制、空间矢量调制、直流母线电压纹波补偿、遇限削弱积分PI控制算法及防振荡处理等。3伺服控制系统软硬件结构及其设计3．1系统硬件设计基于DSPF2808的伺服控制系统硬件结构如图3所示，主要包括F2808控制板、IGBT功率模块和驱动电路、电压电流检测电路、光电编码器位置检测电路、LCD显示电路、辅助电源及一台带增量式光电编码器的PMSM伺服实验电机。(1)F2808是一款高性价比的32位定点DSP控制器，运算速度高达100MIPs，具有运算速度快，存储容量大，采样精度高，扩展能力强等特性，包含电机驱动的所有外设，无需扩展即可实现全部控制功能。在系统中，该DSP完成磁场定向矢量控制、空间矢量调制、直流母线电压纹波补偿、遇限削弱积分PI控制算法等的全部控制算法。(2)系统采用电阻分压法采样检测直流母线电压，电机两相输入电流用电流霍尔LV28-NP检测，得到的电流采样信号经滤波处理、比例放大和电平提升后送入DSP的A／D采样模块。同时采样信号通过比较电路还用作软硬件保护信号，如欠压、过压、过流保护等。(3)电机增量式光电编码器输出的正交脉冲信号经抗干扰处理后，送至DSP正交编码器QEP接口。DSP通过对输入脉冲的计数，计算出电机转子转速和相对转子位置。编码器的index信号用于初始定位和转子位置偏差的校正。(4)系统采用LCD显示电机各运行状态参数。同时通过RS232与PC连接，开发人机界面，对电机进行实时控制和状态监控。3．2伺服系统软件设计系统在进行伺服控制时，由图2可知，首先通过比较给定位置与编码器实测位置得到位置误差，该误差经抗扰动处理后，由位置PI调节器得到一个速度给定。速度给定与实测转速进行比较，经速度PI调节器得到转矩电流参考。参考电流与实际电流进行比较，误差经电流PI调节器得到电压输出向量。经直流母线电压纹波补偿后，通过SVPWM计算产生PWM控制信号，用以控制逆变器驱动伺服电机。系统控制程序流程图如图4所示，包括主程序、位置中断程序和PWM周期定时中断程序。主程序主要完成DSP的初始化、故障控制、应用程序控制切换和制动控制；位置中断程序主要包括位置／速度的检测与计算、定位控制、位置闭环伺服控制和速度闭环控制等，中断周期为1ms；PWM周期中断程序主要包括模拟信号检测，正余弦计算，电流环控制及PWM输出控制，中断周期为125μs，即开关频率为8kHz。4实验结果分析为实现上述控制，构建了实验装置，系统包括一块F2808控制板和参数检测驱动板，一台功率为300W带增量式光电编码器(2048线／转)的PMSM伺服电机。在此装置上进行电流、转速闭环和位置闭环实验。实验直流母线电压为72V，PWM频率8kHz，电压、电流的采样周期为125μs，位置和速度的采样周期为1ms。当电机稳态运行过程中，突加、突卸负载时，id，iq的电流响应波形如图5a所示，电流变化曲线表明该系统具有快速的转矩响应，动态性能良好。进行了两种位置实验：①给定位置从0线到1000线的位置响应波形如图5b所示；②给定位置从0线到20000线，再到-20000线，最后到0线的位置响应波形如图5c所示。可见，该伺服系统可以实现快速的正反转运行，定位精度高且转速跟踪响应快，且消除了定位振荡。5结论设计了一种基于DSPF2808的永磁同步电机伺服控制系统。针对工程实际，采用了直流母线电压纹波补偿、遇限削弱积分PI控制算法、防振荡处理等控制策略，实现了数字伺服控制。实验结果表明，该系统能够满足伺服控制的各项要求，并具有快速的转矩响应，在实现位置控制和速度控制时具有较高的位置控制精度。本文来源：转载需注明出处