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具有明顯的優勢，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，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的數字伺服控制系統，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PMSM高性能伺服控制，給出了伺服控制系統相關原理、軟硬件設計和實驗結果。基于上述方法開發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，計算方法如下：

式中：index為調制系數，滿足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。
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調節器進入飽和區后，不再進行積分項的累加，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，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(區域1和5)，進行快速調節，位置和速度PI調節器參數保持不變；當位置誤差足夠小時(區域2和4)，為防止超調，PI調節器參數逐漸變小；當轉子進入防擺動區域時(區域3)，PI調節器參數均設置為零，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。

系統采用三環結構：位置環為外環，以獲得準確的位置控制；速度環為中環，實現速度跟蹤；基于id=0磁場定向控制的電流環設置為內環，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，無需擴展即可實現全部控制功能。在系統中，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，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參數。同時通過RS232與PC連接，開發人機界面，對電機進行實時控制和狀態監控。
3．2 伺服系統軟件設計
系統在進行伺服控制時，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、位置閉環伺服控制和速度閉環控制等，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
為實現上述控制，構建了實驗裝置，系統包括一塊F2808控制板和參數檢測驅動板，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、轉速閉環和位置閉環實驗。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。
當電機穩態運行過程中，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具有快速的轉矩響應，動態性能良好。

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。可見，該伺服系統可以實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，實現了數字伺服控制。實驗結果表明，該系統能夠滿足伺服控制的各項要求，并具有快速的轉矩響應，在實現位置控制和速度控制時具有較高的位置控制精度。