基于MSP430F149的變頻伺服系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與研究

　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)；f_c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。