基于F2808的永磁同步电机伺服系统设计.doc

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DSP F2808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21 PMSM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；为磁场旋转速度；sd，sq，Ld，Lq，id，iq分别为d，q轴方向上的磁链、电感和电流分量；M为永磁体磁链。 当控制isd=0时，电机电磁转矩方程为： Te=3npMisq2 (2) Te与isq成正比，控制isq可使PMSM获得快速的转矩响应。22 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Us，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，方向的向量输入，x=，；*，*为，方向的向量输出。 在这里采用的SVPWM中，index=0866，0udcbusUmax，uo=Umax；当u(k)Umin，uo=Umin，否则uo=u(k)。24 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31 系统硬件设计 基于DSP F2808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100 MIPs，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AD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。32 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1 ms；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125s，即开关频率为8 kHz。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300 W带增量式光电编码器(2 048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72 V，PWM频率8 kHz，电压、电流的采样周期为125s，位置和速度的采样周期为1 ms。 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：给定位置从0线到1 000线的位置响应波形如图5b所示；给定位置从0线到20 000线，再到-20 000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DSP F2808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