基于MSP430F149的变频伺服系统的设计与研究

作者：时间：2012-05-21 来源：网络收藏

2.3变频器

变频器是整个伺服系统的主要执行元件。其工作原理是：在主电路中采用交直交变换方式将220V、50Hz的交流电通过整流器变成平滑直流，然后通过半导体IGBT组成的三相逆变器，将直流电变成可变电压、可变频率的交流电。其变频控制方式主要有V/F控制、空间矢量控制(VC)及直接转矩控制（DTC）方式。V/F变频控制方式在低速时因定子电阻和逆变器死区效应以及变频器低压导致的转矩受定子电阻压降影响较大等原因而使系统性能下降、稳定性变差，从而只适用于转速变化范围小机械特性要求不高的场合。空间矢量控制（VC）方式由于在实际应用中转子磁链难以准确观测，系统特性受电动机参数的影响较大导致实际的控制效果难以达到理想水平。而直接转矩控制（DTC）则摒弃了矢量控制中复杂的解耦运算，直接在定子坐标系下分析交流电动机的数学模型来控制电动机的磁链和转矩，简化了主电路、提高了系统的可靠性，从而适用于转速和负载变化范围较大的场合[4-5]。

　　综上，本伺服系统采用台达VFD-V型高频变频器。其内含PID反馈控制及V/F、向量控制和转矩控制等多种控制方式（系统采用转矩控制方式），并且零速转矩可达150%以上，保证了系统具有良好的静态性能。

　　3系统软件设计

　　为方便系统维护与升级，系统软件设计采用模块化程序结构，主要有主程序、电机伺服中断服务程序、测速服务子程序等组成。

　　3.1主程序

　　主程序在完成系统初始化后，进入上位机通信查询及显示子程序循环，等待中断的发生，电机速度采集采用定时中断方式来实现。主程序流程图如图3a所示。

　　3.2电动机伺服中断程序

　　变频电机伺服中断程序由MSP430F149内部定时器A完成中断并且执行，电机控制中断程序流程图如图3b所示。

　　图3程序流程图

　　3.3数字PID调节器设计

　　在数字PID调节控制系统中，加入积分校正后，系统会产生过大超调，这是伺服系统所不允许的[6-7]。为减少超调对控制系统动态性能的影响，需要在电机伺服过程中的启动、停车或大幅度偏离给定时采用积分分离PID控制算法，只加比例、微分运算取消积分校正。而当被控制量接近给定值时，才使用积分校正以消除静态误差。为减少超调量，提高系统的稳态控制精度，使系统拥有较高的控制品质本伺服系统引进积分分离PID控制算法。具体算法实现如下：

（1）根据实际情况，设定阀值ε>0。

　　（2）当

时，采PD控制，避免系统过大超调，同时使系统有较快响应速度。

　　（3）当

时，采用PID控制，可保证伺服控制的精度。

　　控制算法公式：

　　4结束语

　　本文设计的交流变频伺服系统将新一代高速单片机MSP430F149与台达转矩控制变频器VFD－V型相结合，基于上位机通讯方式进行控制，提高了系统的可控性能及稳定性，以单片机代替了传统的PLC控制，并与上位机联动进行系统参数调节，实现了良好的人机人机交互平台，同时降低了系统的开发成本以及周期，并在实际应用中取得良好的控制精度及可靠性能，为伺服系统设计开发提供了更好的系统解决方案。

　　参考文献：

　　[1]郗志刚,周宏甫.运动控制器的发展与现状[J].机床电器.2005,(4):5-10.

　　[2]薛小铃,刘志群,贾俊荣.单片机接口模块应用与开发实例详解[M].北京:北京航空航天出版社,2010.

　　[3]吴宏,蒋仕龙,龚小云等.运动控制器的现状与发展[J].制造技术与机床.2004,(1):24-27.

　　[4]韩安太,刘峙飞,黄海.DSP控制器原理及其在运动控制系统中的应用[M].北京:清华大学出版社,2003.

　　[5]MaoJia,YuanSenmiao.DesignofaservoembeddedcontrolsystembasedonDSP[J].YiQiYiBiaoXueBao/ChineseJournalofScientificInstrument.2003,24:392.

　　[6]刘兵,尤波,宋继良.基于DSP的伺服运动控制器[J].哈尔滨理工大学学报.2005，10(3):114-116.

　　[7]潘松,黄继业,曾毓等.SOPC技术实用教程[M].北京:清华大学出版社,2005.