基于MSP430F149的變頻伺服系統(tǒng)的設(shè)計與研究
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2.3變頻器
變頻器是整個伺服系統(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的交流電通過整流器變成平滑直流，然后通過半導(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合。空間矢量控制（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，系統(tǒng)特性受電動機(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)系下分析交流電動機(jī)的數(shù)學(xué)模型來控制電動機(jī)的磁鏈和轉(zhuǎn)矩，簡化了主電路、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合[4-5]。
綜上，本伺服系統(tǒng)采用臺達(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
為方便系統(tǒng)維護(hù)與升級，系統(tǒng)軟件設(shè)計采用模塊化程序結(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)速度采集采用定時中斷方式來實(shí)現(xiàn)。主程序流程圖如圖3a所示。
3.2電動機(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
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)會產(chǎn)生過大超調(diào)，這是伺服系統(tǒng)所不允許的[6-7]。為減少超調(diào)對控制系統(tǒng)動態(tài)性能的影響，需要在電機(jī)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(yùn)算取消積分校正。而當(dāng)被控制量接近給定值時，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，采PD控制，避免系統(tǒng)過大超調(diào)，同時使系統(tǒng)有較快響應(yīng)速度。（3）當(dāng)
時，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
本文設(shè)計的交流變頻伺服系統(tǒng)將新一代高速單片機(jī)MSP430F149與臺達(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，同時降低了系統(tǒng)的開發(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)計開發(fā)提供了更好的系統(tǒng)解決方案。
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