基于MSP430F149的變頻伺服系統(tǒng)的設計與研究
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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(qū)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(tǒng)性能下降、穩(wěn)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(tǒng)特性受電動機參數(shù)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(shù)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(tǒng)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(tǒng)采用臺達VFD-V型高頻變頻器。其內(nèi)含PID反饋控制及V/F、向量控制和轉矩控制等多種控制方式（系統(tǒng)采用轉矩控制方式），并且零速轉矩可達150%以上，保證了系統(tǒng)具有良好的靜態(tài)性能。
3系統(tǒng)軟件設計
為方便系統(tǒng)維護與升級，系統(tǒng)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(tǒng)初始化后，進入上位機通信查詢及顯示子程序循環(huán)，等待中斷的發(fā)生，電機速度采集采用定時中斷方式來實現(xiàn)。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(nèi)部定時器A完成中斷并且執(zhí)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(shù)字PID調(diào)節(jié)器設計
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(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本伺服系統(tǒng)引進積分分離PID控制算法。具體算法實現(xiàn)如下：
（1）根據(jù)實際情況，設定閥值ε>0。
?。?）當
時，采PD控制，避免系統(tǒng)過大超調(diào)，同時使系統(tǒng)有較快響應速度。（3）當
時，采用PID控制，可保證伺服控制的精度。控制算法公式：
4結束語
本文設計的交流變頻伺服系統(tǒng)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(tǒng)的可控性能及穩(wěn)定性，以單片機代替了傳統(tǒng)的PLC控制，并與上位機聯(lián)動進行系統(tǒng)參數(shù)調(diào)節(jié)，實現(xiàn)了良好的人機人機交互平臺，同時降低了系統(tǒng)的開發(fā)成本以及周期，并在實際應用中取得良好的控制精度及可靠性能，為伺服系統(tǒng)設計開發(fā)提供了更好的系統(tǒng)解決方案。
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