基于MSP430的變頻伺服系統(tǒng)設(shè)計(jì)

近年來(lái)，伺服系統(tǒng)的發(fā)展始終以穩(wěn)定性、響應(yīng)性與精度為發(fā)展主軸，這也是用戶(hù)在使用過(guò)程中最為看重的幾大因素。在機(jī)床伺服系統(tǒng)、機(jī)器人控制系統(tǒng)、雷達(dá)天線(xiàn)控制系統(tǒng)等場(chǎng)合大都由直流伺服電機(jī)和直流伺服控制器來(lái)完成控制。在這些控制領(lǐng)域中，主要以負(fù)載的位置或角度等為控制對(duì)象的伺服控制系統(tǒng)[1]。隨著變頻器技術(shù)的高速發(fā)展，在伺服系統(tǒng)中交流變頻傳動(dòng)因其功率因數(shù)高、反應(yīng)速度快、精度高、適合在惡劣環(huán)境中使用等優(yōu)點(diǎn)得到了越來(lái)越廣泛的應(yīng)用。本文提出一種基于高性能單片機(jī)MSP430F149、變頻器、變頻電機(jī)組成的數(shù)字式變頻伺服系統(tǒng)，并將數(shù)字PID算法引入到此系統(tǒng)中，使系統(tǒng)獲得了良好的系統(tǒng)靜、動(dòng)態(tài)性能。

　　1變頻伺服系統(tǒng)的功能

　　為達(dá)到變頻伺服系統(tǒng)的運(yùn)行可靠、良好的靜態(tài)以及動(dòng)態(tài)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(tǒng)的發(fā)展趨勢(shì)，系統(tǒng)采用高速單片機(jī)作為核心控制器，對(duì)變頻器進(jìn)行控制，使伺服系統(tǒng)的控制達(dá)到更高的精度。

　　2）通信功能

　　單片機(jī)與上位機(jī)之間必須確保通信的正常與正確，單片機(jī)將接收到來(lái)自上位機(jī)的控制命令與采樣到的反饋信號(hào)相比較得到偏移控制量，只有得到相應(yīng)的偏移量，單片機(jī)才對(duì)變頻器輸出相應(yīng)控制信號(hào)。

　　3）反饋量精確采集功能

　　反饋量采集的精確度直接關(guān)系到控制精度，系統(tǒng)采用變M/T方法對(duì)伺服電機(jī)進(jìn)行轉(zhuǎn)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(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

　　系統(tǒng)以單片機(jī)MSP430F149為核心控制器[2]，集成變頻器、變頻電機(jī)、采樣編碼器以及PC上位機(jī)組成。其系統(tǒng)原理框圖如圖1所示。

圖1系統(tǒng)框圖

其控制過(guò)程為：?jiǎn)纹瑱C(jī)MSP430F149控制協(xié)調(diào)系統(tǒng)各功能模塊工作；PC上位機(jī)通過(guò)串口UART0將控制信號(hào)傳輸給MSP430F149,單片機(jī)通過(guò)對(duì)反饋信號(hào)采樣后進(jìn)行處理，將處理后的數(shù)據(jù)與來(lái)自上位機(jī)的控制信號(hào)相互比較，得到誤差量，再將誤差量經(jīng)過(guò)相應(yīng)的運(yùn)算得到伺服系統(tǒng)控制量；MSP430F149將得到控制量通過(guò)串口UART1直接轉(zhuǎn)換成RS485信號(hào)輸出至變頻器，變頻器根據(jù)接收到的控制信號(hào)產(chǎn)生變頻變壓的電源信號(hào)以驅(qū)動(dòng)電機(jī)完成期望動(dòng)作；同時(shí)上位機(jī)通過(guò)MSP430F149的串口UART0獲取變頻電機(jī)的速度、系統(tǒng)參數(shù)等形成打印報(bào)表，為操作人員良好人機(jī)操作界面。

　　2.1單片機(jī)單元

　　MSP430F149是變頻交流伺服系統(tǒng)的核心控制器，完成系統(tǒng)控制信號(hào)與測(cè)量信號(hào)的傳遞及復(fù)雜的控制決策，協(xié)調(diào)各模塊進(jìn)行工作，操作控制指令的接收與識(shí)別。此單片機(jī)是一種超低功耗微控器，采用16位的體系結(jié)構(gòu)，16位的CPU集成寄存器和常數(shù)發(fā)生器，實(shí)現(xiàn)了最大化的代碼效率。包括2個(gè)內(nèi)置16位的定時(shí)器、一個(gè)快速12位A/D轉(zhuǎn)換器，兩個(gè)通用串行同步異步通訊接口和48個(gè)I/O端口，片內(nèi)包含60KFLASHROM和2KBRAM。本設(shè)計(jì)是實(shí)時(shí)控制系統(tǒng)，需對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行實(shí)時(shí)采集和傳輸。MSP430F149中60KFLASH存儲(chǔ)器可滿(mǎn)足系統(tǒng)程序?qū)洿鎯?chǔ)空間的需要，內(nèi)部數(shù)據(jù)RAM（2K）保證了數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)采集、處理和傳輸，48個(gè)數(shù)字外設(shè)端口方便地實(shí)現(xiàn)了與外圍器件的數(shù)據(jù)傳輸與控制，16位的體系結(jié)構(gòu)保證了系統(tǒng)能夠完成復(fù)雜的控制決策，而雙串口UART則滿(mǎn)足了控制器與上位機(jī)及變頻器的實(shí)時(shí)通信需要。

　　2.2光電編碼器及變M/T測(cè)速M(fèi)SP430F149內(nèi)部實(shí)現(xiàn)

　　伺服系統(tǒng)的精度控制主要取決于電機(jī)轉(zhuǎn)速信號(hào)的測(cè)量精度，本系統(tǒng)采用增量式光電編碼器作為電機(jī)轉(zhuǎn)速為檢測(cè)元件。比較常見(jiàn)的電編碼器測(cè)速方法有M法、T法和M/T法。M法是在規(guī)定時(shí)間間隔內(nèi)，測(cè)量光電編碼器輸出的脈沖數(shù)量來(lái)獲得被測(cè)電機(jī)轉(zhuǎn)速的速度值，適合高速測(cè)量場(chǎng)合。T法測(cè)量是測(cè)量相鄰兩個(gè)脈沖間隔時(shí)間來(lái)確定被測(cè)電機(jī)的轉(zhuǎn)速速度的方法，此方法在高速場(chǎng)合測(cè)量時(shí)精確度性較差，因此一般只適用于低速測(cè)量的場(chǎng)合。M/T法是通過(guò)同時(shí)測(cè)量檢測(cè)時(shí)間和在此檢測(cè)時(shí)間內(nèi)所發(fā)生的脈沖數(shù)來(lái)確定轉(zhuǎn)速。在整個(gè)速度范圍內(nèi)有著較好的測(cè)速精度，但在低速時(shí)隨著頻率的降低，需要較長(zhǎng)的測(cè)量時(shí)間，無(wú)法滿(mǎn)足伺服系統(tǒng)的快速動(dòng)態(tài)響應(yīng)性能指標(biāo)[2]。近年來(lái)變M/T測(cè)速方法逐漸被使用，是指在測(cè)速過(guò)程中，不僅檢測(cè)光電編碼器脈沖M1和高頻時(shí)鐘脈沖M2隨電機(jī)轉(zhuǎn)速不同而變化,而且檢測(cè)時(shí)間Tg也在變化，它始終等于光電編碼器M1個(gè)脈沖周期之和（測(cè)速原理如圖2所示）。Tg的大小由高頻時(shí)鐘脈沖M2計(jì)取，則電機(jī)速度計(jì)可由以下公式確定[3]。

式中：M1為預(yù)置脈沖數(shù)；M2為高頻時(shí)鐘脈沖數(shù)；fc為高頻時(shí)鐘頻率；λ為光電編碼器倍頻系數(shù)；P為光電編碼器線(xiàn)數(shù)。

圖2變M/T法測(cè)速原理

　　在電機(jī)低速運(yùn)行時(shí)變M/T法的檢測(cè)時(shí)間Tg明顯比M/T法檢測(cè)時(shí)間要短，由此可見(jiàn)用變M/T法轉(zhuǎn)速測(cè)量能夠滿(mǎn)足控制系統(tǒng)對(duì)轉(zhuǎn)速測(cè)量的精度及實(shí)時(shí)性的要求。

　　利用MSP430F149內(nèi)部定時(shí)器A和B可以完成對(duì)電機(jī)轉(zhuǎn)速的變M/T法的測(cè)量，可以簡(jiǎn)化外圍電路的設(shè)計(jì)，減小了系統(tǒng)功耗。定時(shí)器A對(duì)外部光電編碼器脈沖進(jìn)行計(jì)數(shù)，定時(shí)器B對(duì)系統(tǒng)內(nèi)部高頻時(shí)鐘進(jìn)行計(jì)數(shù)；定時(shí)器A工作于16位計(jì)數(shù)方式，將測(cè)量值M1裝入定時(shí)器A的寄存器內(nèi)，在定時(shí)器A計(jì)數(shù)達(dá)到M1個(gè)脈沖時(shí)，定時(shí)器產(chǎn)生中斷，程序讀取定時(shí)器B的計(jì)數(shù)值M2，由于M1已知依據(jù)式（1）可快速而準(zhǔn)確計(jì)算出電機(jī)轉(zhuǎn)速。

2.3變頻器

　　變頻器是整個(gè)伺服系統(tǒng)的主要執(zhí)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(guò)整流器變成平滑直流，然后通過(guò)半導(dǎo)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(zhuǎn)矩控制（DTC）方式。V/F變頻控制方式在低速時(shí)因定子電阻和逆變器死區(qū)效應(yīng)以及變頻器低壓導(dǎo)致的轉(zhuǎn)矩受定子電阻壓降影響較大等原因而使系統(tǒng)性能下降、穩(wěn)定性變差，從而只適用于轉(zhuǎn)速變化范圍小機(jī)械特性要求不高的場(chǎng)合?？臻g矢量控制（VC）方式由于在實(shí)際應(yīng)用中轉(zhuǎn)子磁鏈難以準(zhǔn)確觀測(cè)，系統(tǒng)特性受電動(dòng)機(jī)參數(shù)的影響較大導(dǎo)致實(shí)際的控制效果難以達(dá)到理想水平。而直接轉(zhuǎn)矩控制（DTC）則摒棄了矢量控制中復(fù)雜的解耦運(yùn)算，直接在定子坐標(biāo)系下分析交流電動(dòng)機(jī)的數(shù)學(xué)模型來(lái)控制電動(dòng)機(jī)的磁鏈和轉(zhuǎn)矩，簡(jiǎn)化了主電路、提高了系統(tǒng)的可靠性，從而適用于轉(zhuǎn)速和負(fù)載變化范圍較大的場(chǎng)合[4-5]。

　　綜上，本伺服系統(tǒng)采用臺(tái)達(dá)VFD-V型高頻變頻器。其內(nèi)含PID反饋控制及V/F、向量控制和轉(zhuǎn)矩控制等多種控制方式（系統(tǒng)采用轉(zhuǎn)矩控制方式），并且零速轉(zhuǎn)矩可達(dá)150%以上，保證了系統(tǒng)具有良好的靜態(tài)性能。

　　3系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

　　為方便系統(tǒng)維護(hù)與升級(jí)，系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)采用模塊化程序結(jié)構(gòu)，主要有主程序、電機(jī)伺服中斷服務(wù)程序、測(cè)速服務(wù)子程序等組成。

　　3.1主程序

　　主程序在完成系統(tǒng)初始化后，進(jìn)入上位機(jī)通信查詢(xún)及顯示子程序循環(huán)，等待中斷的發(fā)生，電機(jī)速度采集采用定時(shí)中斷方式來(lái)實(shí)現(xiàn)。主程序流程圖如圖3a所示。

　　3.2電動(dòng)機(jī)伺服中斷程序

　　變頻電機(jī)伺服中斷程序由MSP430F149內(nèi)部定時(shí)器A完成中斷并且執(zhí)行，電機(jī)控制中斷程序流程圖如圖3b所示。

圖3程序流程圖

　　3.3數(shù)字PID調(diào)節(jié)器設(shè)計(jì)

　　在數(shù)字PID調(diào)節(jié)控制系統(tǒng)中，加入積分校正后，系統(tǒng)會(huì)產(chǎn)生過(guò)大超調(diào)，這是伺服系統(tǒng)所不允許的[6-7]。為減少超調(diào)對(duì)控制系統(tǒng)動(dòng)態(tài)性能的影響，需要在電機(jī)伺服過(guò)程中的啟動(dòng)、停車(chē)或大幅度偏離給定時(shí)采用積分分離PID控制算法，只加比例、微分運(yùn)算取消積分校正。而當(dāng)被控制量接近給定值時(shí)，才使用積分校正以消除靜態(tài)誤差。為減少超調(diào)量，提高系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)控制精度，使系統(tǒng)擁有較高的控制品質(zhì)本伺服系統(tǒng)引進(jìn)積分分離PID控制算法。具體算法實(shí)現(xiàn)如下：

（1）根據(jù)實(shí)際情況，設(shè)定閥值ε>0。

　　（2）當(dāng)時(shí)，采PD控制，避免系統(tǒng)過(guò)大超調(diào)，同時(shí)使系統(tǒng)有較快響應(yīng)速度。

　?。?）當(dāng)時(shí)，采用PID控制，可保證伺服控制的精度。

　　控制算法公式：


　　4結(jié)束語(yǔ)

　　本文設(shè)計(jì)的交流變頻伺服系統(tǒng)將新一代高速單片機(jī)MSP430F149與臺(tái)達(dá)轉(zhuǎn)矩控制變頻器VFD－V型相結(jié)合，基于上位機(jī)通訊方式進(jìn)行控制，提高了系統(tǒng)的可控性能及穩(wěn)定性，以單片機(jī)代替了傳統(tǒng)的PLC控制，并與上位機(jī)聯(lián)動(dòng)進(jìn)行系統(tǒng)參數(shù)調(diào)節(jié)，實(shí)現(xiàn)了良好的人機(jī)人機(jī)交互平臺(tái)，同時(shí)降低了系統(tǒng)的開(kāi)發(fā)成本以及周期，并在實(shí)際應(yīng)用中取得良好的控制精度及可靠性能，為伺服系統(tǒng)設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)提供了更好的系統(tǒng)解決方案。