基于F2808的永磁同步电机伺服系统设计

摘要：设计了一种基于DSF F2808的永磁同步电机(PMSM)伺服控制系统，系统基于转子磁场定向矢量控制方法，结合工程实际，采用了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伺服控制，设计了交流伺服控制系统软硬件，并得到了相应实验结果，验证了上述方法的有效性与合理性。
关键词：同步电机；伺服控制；工程设计

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
2．1 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；ω为磁场旋转速度；ψsd，ψsq，Ld，Lq，id，iq分别为d，q轴方向上的磁链、电感和电流分量；ψM为永磁体磁链。
    当控制isd=0时，电机电磁转矩方程为：
    Te=3npψMisq／2        (2)
    Te与isq成正比，控制isq可使PMSM获得快速的转矩响应。
2．2 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Usα，β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0<index<1，其具体值取决于输出电压的调制方式；x为Us在α，β方向的向量输入，x=α，β；α*，β*为α，β方向的向量输出。
    在这里采用的SVPWM中，index=0．866，0<udcbus<1对应直流母线电压的0～100％。y=sign(x)为符号函数，定义如下：
    
2．3 遇限削弱积分PI控制算法
    传统数字PI调节器的增量式模型可写为：
     △u(k)=u(k)-u(k-1)=Kp[e(k)-e(k-1)]+Kie(k)      (5)
    式中：k为采样次序；u(k)为k时刻PI调节器输出；e(k)为k时刻输入误差信号；Kp为比例增益；Ki为积分增益，Ki=KpT／TI，T为采样周期，Ti为积分时间常数。
    为防止PI调节器积分溢出和输出饱和，系统采用了遇限削弱积分的退饱和PI控制算法。当PI调节器进入饱和区后，不再进行积分项的累加，而执行削弱积分运算，可快速退出饱和。其具体控制算法为：e(k)=r(k)-y(k)，u(k)=x(k-1)+Kpe(k)，x(k)=x(k-1)+Kie(k)+KcorEpi，其中Kcor为校正增益因子，Kcor=Ki／Kp，Epi=uo-u(k)，当u(k)>Umax，uo=Umax；当u(k)<Umin，uo=Umin，否则uo=u(k)。
2．4 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
3．1 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A／D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。
3．2 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125μs，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125μs，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：①给定位置从0线到1 000线的位置响应波形如图5b所示；②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，实现了数字伺服控制。实验结果表明，该系统能够满足伺服控制的各项要求，并具有快速的转矩响应，在实现位置控制和速度控制时具有较高的位置控制精度。