工業縫紉機控制系統設計

劉 登，李 輝，孫永奎

(1.電子科技大學，四川成都611731;2.西南交通大學，四川成都610031)

0 引 言

近年來，我國服裝加工業的迅猛發展造成了我國工業縫紉機的供不應求［1］，但隨著勞動成本的上升等各種因素的影響，加工企業對工業縫紉機的性能提出了越來越高的要求。目前市場上的離合器電機已無法滿足工業縫紉機的性能要求，而以永磁同步電機為主流動力單元的工業縫紉機正在占領大部分縫紉機市場。永磁同步電機相比離合器電機具有體積小、動態性能好、控制方便、高功率密度等優點。新一代的工業縫紉機控制系統大部分帶有光電碼盤作為位置反饋來計算電機的位置和速度，這種系統的優點是能準確得到電機的當前位置，缺點是成本較高。而且在大部分的縫紉過程中不需要如此精確地計算電機的當前位置。所以如何能夠設計開發一款性能較高、成本較低的工業縫紉機控制系統成為許多廠家的心聲。

本文以永磁同步電機為控制對象，提出了一種無需光電碼盤，而以霍爾信號為單反饋的高性能低成本的工業縫紉機控制系統的方案。

1 系統硬件設計

本系統硬件平臺以 16位微控制器dsPIC33FJ16MC304和智能功率模塊IRAMS10UP60B為主體結構，外圍添加相應輔助電路，完成工業縫紉機的硬件系統搭建。硬件原理框圖如圖1所示。

圖1 硬件原理框圖

基本控制過程如下:dsPIC33FJ16MC304根據捕獲到的霍爾位置信號確定轉子的當前位置并計算電機的當前轉速。通過矢量控制算法和PID算法計算各個PWM輸出通道的有效值。輸出的PWM經驅動芯片IRAMS10UP60B開啟相應的MOSFET，使得電機中相應繞組通過電流，電機按給定方向連續轉動。調節調速盒相應信號，可以改變電機轉速。

系統中的主控芯片dsPIC33fj16mc304是專門為電機高速控制所設計的一款16位微處理器。它具有一個16位CPU和一個DSP內核，除常見外設外，該芯片有一個6通道的電機專用MCPWM控制器。此裝置大大簡化了產生脈寬調制(PWM)波形的控制軟件和外部硬件，通過編程可產生互補的三相6路PWM波形?？赏ㄟ^編程設置死區時間防止同一橋臂上2個功率管發生直通造成短路。

驅動芯片選用美國國際整流公司的IRAMS10UP60B模塊。它內部集成了驅動芯片IR21365和三相全橋電路。還設計有過流電阻用來對主電路進行過流保護。內部自舉電路的巧妙應用，使它可用于高壓系統，它還可對同一橋臂上下兩功率MOS器件的柵極驅動信號產生290 ns的死區時間，使設計進一步簡化系統硬件電路，減少體積，提高可靠性。MOS管峰值電流可達15 A;耐壓600 V，滿足要求。

圖2 電流檢測原理圖

為了避免模塊因過流而出現故障或者燒壞的危險，需要對主回路的電流進行實時檢測并進行處理，圖2為電流檢測的電路圖。電流信號CURRENT_SENSE經過C15濾波后通過U6進行放大。放大后的信號為1.8～3.2 V，可直接對該信號進行AD采樣處理。其中C15的選取很關鍵，因為電流信號會受到很多干擾，由于后級是放大電路，C15選取不合適會將干擾信號進行放大返回給主控芯片，這會對主芯片的計算造成很大的誤差。實際電路設計中C15是根據仿真結果得到的，這里取1 μF。

2 控制策略及軟件設計

2.1 電機運轉控制策略

本設計方案采用SVPWM(空間矢量脈寬調制)方式對電機實現有效控制，SVPWM控制的基本原理是:以三相對稱正弦波電壓供電時三相對稱電動機定子理想磁鏈圓為參考標準，以三相逆變器不同開關模式作適當的切換，從而形成PWM波，以所形成的實際磁鏈矢量來追蹤其準確磁鏈圓。傳統的SPWM方法從電源的角度出發，以生成一個可調頻調壓的正弦波電源，而SVPWM方法將逆變系統和電動機看作一個整體來考慮，模型比較簡單，同時可以較好地改善電源電壓的利用效率［2］。

普通的三相全橋是由六個開關器件構成的三個半橋。這六個開關器件組合起來(同一個橋臂的上下半橋的信號相反)共有8種安全的開關狀態，其中000、111(這里表示三個上橋臂的開關狀態)，這兩種開關狀態在電機驅動中都不會產生有效的電流，因此稱其為零矢量。另外6種開關狀態分別是六個有效矢量。它們將360°的電壓空間分為60°一個扇區，共六個扇區。

利用這六個基本有效矢量和兩個零量，可以合成360°內的任何矢量。

如圖3所示?？臻g矢量調制可采用相鄰兩個基本空間矢量的矢量和來表征任一合成矢量［3］。

圖3 空間矢量調制

圖4 為矢量合成的基本原理，Uout為需要得到的平均矢量，且位于U0和 U60之間，如果在給定 PWM周期 T內，U的作用時間為而U的作用時間為060，則整個周期內的合成矢量為Uout。只要知道Uout與U0之間的夾角θ，即可求得:

圖4 平均空間矢量調制

將圖4的計算結果輸出到各路PWM通道中，得到波形如圖5所示。dsPIC33FJ16MC304器件配置為中心對齊PWM模式。它的優點是將在每一個周期內產生兩個線－線脈沖。帶來的好處是有效的開關頻率加倍了，紋波電流會相應減小。

圖5 周期T內的PWM

產生的線－線電壓如圖6所示。滿幅輸出的三相正弦電壓施加到電機繞組。Va、Vb、Vc分別表示定子三相繞組電壓。

2.2 轉子位置估算

式(1)和式(2)中所用的θ為合成矢量和U0的夾角，該夾角可以用來表征當前轉子所在位置。結合圖3介紹只有霍爾反饋的情況下如何計算θ角。當轉子轉過U0時，通過霍爾中斷我們可以判斷當前角度為θ=0°，假設當前電機的平均轉速為V，則可以求得電機轉過60°電角度所花時間(設為T3)。PWM中斷周期固定為T，則下一次PWM中斷時用來計算的依次后面的PWM中斷中的θ也可由此計算得出。

圖6 使用SVM時的線－線電壓波形

上面計算中的平均速度V在實際操作中是近似的。對于N對極的電機，一個機械周期中包含有N個電周期，即包含有6 N個60°電周期，在速度不是特別高的情況下，可以用該扇區的起始速度來代替該扇區的平均速度。

2.3 電機速度估算

設電機最高速度為Vh，對于N對極電機，可以計算出當電機以最高速運轉時其轉過180°電角度的時間T4，由于電機正常運轉時速度小于Vh，則電機在正常運轉過程中其轉過180°電角度的時間T5會大于等于T4。所以可以計算出當前電機速度Vc如果電機Vh過小，可以以60°為基本單位對速度進行估算，其原理相同。

2.4 剎車控制策略

在接到剎車命令后，關斷所有PWM輸出，待測得母線電流減小到一定值時，給電機施加一個固定矢量，相當于給定子通直流電(矢量大小決定電流大小)。從而產生一個固定不變的磁場，此時，轉子按旋轉方向切割磁力線，產生一個制動力矩。剎車過程中的電流變化如圖7所示。

圖7 剎車過程中的電流波形

2.5 軟件設計

控制部分的軟件內嵌于dsPIC33FJ16MC304的程序存儲器中，由C語言實現，主要由主函數和中斷服務子程序兩部分組成。

主程序的流程圖如圖8所示，系統一開始先進行自檢，包括對電壓、霍爾接口、調速信號等檢查，如果其中有一項出錯，系統將重新開始一輪自檢，如果一切正常，系統將對相應的寄存器及AD模塊，PWM模塊初始化，接著使能各個相關中斷，最后進入一個死循環過程，等待著中斷的發生。

中斷服務子程序:主要包括定時器中斷，輸入捕捉中斷，AD中斷及PWM中斷、輸入捕捉中斷用來獲取霍爾信號，并根據電機轉向給出下一個扇區值。AD中斷主要用來采樣調速信號值，根據計算給出當前期望的速度值，同時在中斷中采樣當前電機的平均電流值，與設定的最大電流值進行比較，決定是否進行過流保護。定時器中斷主要完成速度的調節，包括速度估算、相位增量計算以及PID調節。PWM中斷主要負責矢量變換的計算，如圖9所示。進入中斷之后，當前相位加上相位增量得到新的當前相位，判斷當前相位是否超過所在扇區的最大相位，未超過則進行矢量逆變換即SVM計算，如果超過將當前相位值限定為所在扇區的最大相位，然后進行SVM計算。最后將計算出來的占空比值賦給相應的占空比寄存器。

圖10 PID調節流程圖

在調速系統中采用積分分離和積分飽和相結合的數字PID調節方法，流程圖如圖10所示。程序根據AD的采樣值產生一個給定值，將實際測得值和給定值進行比較計算后得到當前速度差e，由于起動時e會比較大，所以如果在起動時采用傳統的PID調節方法，容易引起過大的超調，這對于電機的損傷非常大，這里采用積分分離的方法能有效地避免上述情況的發生。積分分離即在偏差e大于設定偏差ε時只對e進行比例和微分作用，當偏差e小于設定偏差ε時使用傳統PID進行調節。在積分分離完成之后，程序會對輸出量進行判斷，判斷輸出量是否在最大輸出量允許范圍之內，如果已經飽和，則將最大輸出量作為當前的調節輸出量。這里最大輸出量和速度的關系如圖11所示，曲線中速度和電壓的關系主要是控制主回路電流在電機的承受范圍之內。

圖11 電壓－轉速關系

3 結 語

以上述的電路基礎和控制策略，我們對電路板進行實測，測試條件是電機電壓和直流母線電壓均為380 V，PWM的頻率為10 kHz。

設置PWM的死區時間為2.5 μs，工作模式為互補工作模式，由于PWM為中心對齊模式，所以死區時間會插在有效占空比的兩端。圖12為一對互補的PWM波形。

圖12 實測PWM波形圖

圖13 為電機正常運行時某一相的線電壓波形，從波形上看，基本是一條比較平滑的正弦曲線，實現了矢量控制算法。

圖14是剎車時母線上的電流曲線，曲線和我們采取的控制策略基本一致，即接到剎車信號后，關斷所有PWM輸出，電流會減小到較小的一個值，然后給電機施加一個固定矢量，電機的電流會緩慢上升，最后穩定在一個固定值，直到電機停止轉動，電流為0。

圖13 實測線電壓電壓波形

圖14 剎車過程中電流變化

通過實驗可以看出，本設計方案能夠滿足工業縫紉機的各種基本要求，并且有電路簡單、調速性能好、抗干擾性強、可靠性高、穩定性好、性能價格比高等優點。除了工業縫紉機之外，本方案還可以用在機床、機器人、電梯等其他工業控制領域。

［1］高永勝，趙繼敏.電氣控制系統在工業縫紉機中的應用［J］.微特電機，2005(4):31 －33.

［2］謝寶昌.電機的DSP控制技術及其應用［M］.北京:北京航空航天大學出版社，2005:193－194.

［3］王曉明.電動機的DSC控制［M］.北京:北京航空航天大學出版社，2009:18－25.