作者：柏淑紅

1 引言

    與其他電機相比,，PMSM構成的交流伺服系統(tǒng)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構成的高性能驅動和伺服控制系統(tǒng),，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(tǒng),，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(tǒng)相關原理、軟硬件設計和實驗結果,?；谏鲜龇椒ㄩ_發(fā)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(tǒng)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(tǒng)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0
    在這里采用的SVPWM中,，index=0．866，0
    

2．3 遇限削弱積分PI控制算法

    傳統(tǒng)數字PI調節(jié)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(jié)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(jié)器積分溢出和輸出飽和,，系統(tǒng)采用了遇限削弱積分的退飽和PI控制算法,。當PI調節(jié)器進入飽和區(qū)后，不再進行積分項的累加,，而執(zhí)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)
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(fā)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(tǒng)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(qū)域1和5)，進行快速調節(jié),，位置和速度PI調節(jié)器參數保持不變；當位置誤差足夠小時(區(qū)域2和4),，為防止超調,，PI調節(jié)器參數逐漸變小,；當轉子進入防擺動區(qū)域時(區(qū)域3),，PI調節(jié)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(tǒng)框圖如圖2所示。

    系統(tǒng)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)，實現速度跟蹤,；基于id=0磁場定向控制的電流環(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(tǒng)軟硬件結構及其設計

3．1 系統(tǒng)硬件設計

    基于DSP F2808的伺服控制系統(tǒng)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(tǒng)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(tǒng)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(tǒng)采用LCD顯示電機各運行狀態(tài)參數,。同時通過RS232與PC連接,，開發(fā)人機界面，對電機進行實時控制和狀態(tài)監(jiān)控,。

3．2 伺服系統(tǒng)軟件設計

    系統(tǒng)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(jié)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(jié)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(jié)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(tǒng)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(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(tǒng)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(huán)和位置閉環(huán)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(wěn)態(tài)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(tǒng)具有快速的轉矩響應，動態(tài)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(tǒng)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(tǒng),。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(tǒng)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,。