基于MSP430的變頻伺服系統設計

　　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

　　(3)當

　　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。