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近年來，伺服系統的發展始終以穩定性、響應性與精度為發展主軸，這也是用戶在使用過程中最為看重的幾大因素。在機床伺服系統、機器人控制系統、雷達天線控制系統等場合大都由直流伺服電機和直流伺服控制器來完成控制。在這些控制領域中，主要以負載的位置或角度等為控制對象的伺服控制系統[1]。隨著變頻器技術的高速發展，在伺服系統中交流變頻傳動因其功率因數高、反應速度快、精度高、適合在惡劣環境中使用等優點得到了越來越廣泛的應用。本文提出一種基于高性能單片機MSP430F149、變頻器、變頻電機組成的數字式變頻伺服系統，并將數字PID算法引入到此系統中，使系統獲得了良好的系統靜、動態性能。 1變頻伺服系統的功能 為達到變頻伺服系統的運行可靠、良好的靜態以及動態的性能要求，其功能如下： 1)精確的伺服控制功能 高精度、高速度、大功率是伺服系統的發展趨勢，系統采用高速單片機作為核心控制器，對變頻器進行控制，使伺服系統的控制達到更高的精度。 2)通信功能 單片機與上位機之間必須確保通信的正常與正確，單片機將接收到來自上位機的控制命令與采樣到的反饋信號相比較得到偏移控制量，只有得到相應的偏移量，單片機才對變頻器輸出相應控制信號。 3)反饋量精確采集功能 反饋量采集的精確度直接關系到控制精度，系統采用變M/T方法對伺服電機進行轉速采樣，采樣精度較M法、T法更加精確，從而確保了更加精確的控制。 2系統硬件設計 系統以單片機MSP430F149為核心控制器[2]，集成變頻器、變頻電機、采樣編碼器以及PC上位機組成。其系統原理框圖如圖1所示。 圖1系統框圖 其控制過程為：單片機MSP430F149控制協調系統各功能模塊工作  C上位機通過串口UART0將控制信號傳輸給MSP430F149,單片機通過對反饋信號采樣后進行處理，將處理后的數據與來自上位機的控制信號相互比較，得到誤差量，再將誤差量經過相應的運算得到伺服系統控制量;MSP430F149將得到控制量通過串口UART1直接轉換成RS485信號輸出至變頻器，變頻器根據接收到的控制信號產生變頻變壓的電源信號以驅動電機完成期望動作;同時上位機通過MSP430F149的串口UART0獲取變頻電機的速度、系統參數等形成打印報表，為操作人員良好人機操作界面。2.1單片機單元 MSP430F149是變頻交流伺服系統的核心控制器，完成系統控制信號與測量信號的傳遞及復雜的控制決策，協調各模塊進行工作，操作控制指令的接收與識別。此單片機是一種超低功耗微控器，采用16位的體系結構，16位的CPU集成寄存器和常數發生器，實現了最大化的代碼效率。包括2個內置16位的定時器、一個快速12位A/D轉換器，兩個通用串行同步異步通訊接口和48個I/O端口，片內包含60KFLASHROM和2KBRAM。本設計是實時控制系統，需對數據進行實時采集和傳輸。MSP430F149中60KFLASH存儲器可滿足系統程序對燒錄存儲空間的需要，內部數據RAM(2K)保證了數據實時采集、處理和傳輸，48個數字外設端口方便地實現了與外圍器件的數據傳輸與控制，16位的體系結構保證了系統能夠完成復雜的控制決策，而雙串口UART則滿足了控制器與上位機及變頻器的實時通信需要。 2.2光電編碼器及變M/T測速MSP430F149內部實現 伺服系統的精度控制主要取決于電機轉速信號的測量精度，本系統采用增量式光電編碼器作為電機轉速為檢測元件。比較常見的電編碼器測速方法有M法、T法和M/T法。M法是在規定時間間隔內，測量光電編碼器輸出的脈沖數量來獲得被測電機轉速的速度值，適合高速測量場合。T法測量是測量相鄰兩個脈沖間隔時間來確定被測電機的轉速速度的方法，此方法在高速場合測量時精確度性較差，因此一般只適用于低速測量的場合。M/T法是通過同時測量檢測時間和在此檢測時間內所發生的脈沖數來確定轉速。在整個速度范圍內有著較好的測速精度，但在低速時隨著頻率的降低，需要較長的測量時間，無法滿足伺服系統的快速動態響應性能指標[2]。近年來變M/T測速方法逐漸被使用，是指在測速過程中，不僅檢測光電編碼器脈沖M1和高頻時鐘脈沖M2隨電機轉速不同而變化,而且檢測時間Tg也在變化，它始終等于光電編碼器M1個脈沖周期之和(測速原理如圖2所示)。Tg的大小由高頻時鐘脈沖M2計取，則電機速度計可由以下公式確定[3]。 式中：M1為預置脈沖數;M2為高頻時鐘脈沖數;fc為高頻時鐘頻率;λ為光電編碼器倍頻系數 為光電編碼器線數。圖2變M/T法測速原理 在電機低速運行時變M/T法的檢測時間Tg明顯比M/T法檢測時間要短，由此可見用變M/T法轉速測量能夠滿足控制系統對轉速測量的精度及實時性的要求。 利用MSP430F149內部定時器A和B可以完成對電機轉速的變M/T法的測量，可以簡化外圍電路的設計，減小了系統功耗。定時器A對外部光電編碼器脈沖進行計數，定時器B對系統內部高頻時鐘進行計數;定時器A工作于16位計數方式，將測量值M1裝入定時器A的寄存器內，在定時器A計數達到M1個脈沖時，定時器產生中斷，程序讀取定時器B的計數值M2，由于M1已知依據式(1)可快速而準確計算出電機轉速。 2.3變頻器 變頻器是整個伺服系統的主要執行元件。其工作原理是：在主電路中采用交直交變換方式將220V、50Hz的交流電通過整流器變成平滑直流，然后通過半導體IGBT組成的三相逆變器，將直流電變成可變電壓、可變頻率的交流電。其變頻控制方式主要有V/F控制、空間矢量控制(VC)及直接轉矩控制(DTC)方式。V/F變頻控制方式在低速時因定子電阻和逆變器死區效應以及變頻器低壓導致的轉矩受定子電阻壓降影響較大等原因而使系統性能下降、穩定性變差，從而只適用于轉速變化范圍小機械特性要求不高的場合。空間矢量控制(VC)方式由于在實際應用中轉子磁鏈難以準確觀測，系統特性受電動機參數的影響較大導致實際的控制效果難以達到理想水平。而直接轉矩控制(DTC)則摒棄了矢量控制中復雜的解耦運算，直接在定子坐標系下分析交流電動機的數學模型來控制電動機的磁鏈和轉矩，簡化了主電路、提高了系統的可靠性，從而適用于轉速和負載變化范圍較大的場合[4-5]。 綜上，本伺服系統采用臺達VFD-V型高頻變頻器。其內含PID反饋控制及V/F、向量控制和轉矩控制等多種控制方式(系統采用轉矩控制方式)，并且零速轉矩可達150%以上，保證了系統具有良好的靜態性能。 3系統軟件設計 為方便系統維護與升級，系統軟件設計采用模塊化程序結構，主要有主程序、電機伺服中斷服務程序、測速服務子程序等組成。 3.1主程序 主程序在完成系統初始化后，進入上位機通信查詢及顯示子程序循環，等待中斷的發生，電機速度采集采用定時中斷方式來實現。主程序流程圖如圖3a所示。 3.2電動機伺服中斷程序 變頻電機伺服中斷程序由MSP430F149內部定時器A完成中斷并且執行，電機控制中斷程序流程圖如圖3b所示。 圖3程序流程圖 3.3數字PID調節器設計 在數字PID調節控制系統中，加入積分校正后，系統會產生過大超調，這是伺服系統所不允許的[6-7]。為減少超調對控制系統動態性能的影響，需要在電機伺服過程中的啟動、停車或大幅度偏離給定時采用積分分離PID控制算法，只加比例、微分運算取消積分校正。而當被控制量接近給定值時，才使用積分校正以消除靜態誤差。為減少超調量，提高系統的穩態控制精度，使系統擁有較高的控制品質本伺服系統引進積分分離PID控制算法。具體算法實現如下： (1)根據實際情況，設定閥值ε>0。 (2)當 時，采PD控制，避免系統過大超調，同時使系統有較快響應速度。 (3)當 時，采用PID控制，可保證伺服控制的精度。 控制算法公式： 4結束語 本文設計的交流變頻伺服系統將新一代高速單片機MSP430F149與臺達轉矩控制變頻器VFD-V型相結合，基于上位機通訊方式進行控制，提高了系統的可控性能及穩定性，以單片機代替了傳統的PLC控制，并與上位機聯動進行系統參數調節，實現了良好的人機人機交互平臺，同時降低了系統的開發成本以及周期，并在實際應用中取得良好的控制精度及可靠性能，為伺服系統設計開發提供了更好的系統解決方案。 |
