縫紉機專用交流伺服系統設計

侯 華，周月陽，祝本明

（中國兵器工業第五八研究所 四川 綿陽 621000）

目前， 隨著國內工業縫紉機的制造和設計水平逐年提高，帶有數字交流伺服控制系統的工業縫紉機， 因其服裝加工效率高、省電省時、能夠極大的改善工人作業的勞動強度， 其需求和產量正逐年提高， 國內大部分服裝廠開始普及和推廣這種全自動化的縫制設備。但是隨著交流伺服控制技術在縫制設備上的推廣， 縫紉機生產廠家對伺服控制系統的可靠性、性價比和多機種適配性提出了更高的要求[1]。縫紉機控制系統一般由主軸交流伺服電機（主軸，上下運動）、水平橫向進給軸電機（X軸，橫向運動）、水平豎向進給軸電機（Y軸，縱向運動）、水平旋轉進給軸電機（Z軸，水平旋轉）組成。根據縫制工藝要求，進給軸電機與主軸電機需保持同步聯動，主軸伺服電機主要負責帶動主軸電機旋轉從而帶動機針上下運動，同時主軸電機還要向X、Y、Z軸驅動器發送同步位置控制信號。該同步位置控制信號驅動相應的電機帶動相應機械部分，實現對壓框的運動控制[2]。因此，交流伺服驅動器的設計直接關系到縫紉機控制系統整體性能。

1 設計原理

隨著縫制設備控制系統集成度的提高，系統硬件日益復雜，強弱電混合、模數電路混合、工作頻率增高，導致系統內干擾更加嚴重。交流伺服系統作為功率器件，電源設計的可靠性直接影響系統的性能[3]。交流伺服驅動系統框圖如圖1所示。

2 硬件設計

交流伺服驅動器以高性能DSP為處理器，運用現代伺服電機控制理論，以旋轉編碼器和電流傳感器為反饋，以智能功率模塊（IPM）為逆變器實現對交流伺服電機的高性能控制。交流伺服驅動器系統主要完成電機位置環、速度環、電流環的實時控制[4-7]。專用縫紉機交流伺服驅動器設計原理框圖如圖2所示。

2.1 DSP模塊

系統以TI公司的TMS320F28335為主控芯片，以Lattice公司的ISP-4128V為輔助芯片，外擴一片容量為512 KB的RAM以及一片256字的EEPROM，具有4通道的DA輸出口，并且具備SCI和CAN通訊功能。

DSP主要完成電機位置環、速度環、電流環的實時控制，通過改變輸出脈沖的總個數和頻率就能控制電機的轉動位置和轉速。

圖1 交流伺服驅動框圖Fig.1 Block diagram of AC servo drive

圖2 軟件設計的流程圖Fig.2 Flow chart the software design

在控制程序中主要有以下幾種控制模式:位置控制、速度控制、轉矩控制。控制程序在Dsp內完成，通訊方式主要為SCI與CAN通訊，在Dsp內編寫了專門的測試程序，用于對電機電流、位置、反饋等信息的實時檢測，通過總線將采集的數據存放于外擴RAM中，然后通過CAN接口上傳到PC調試軟件，調試軟件對電機的上傳數據進行分析、生成波形等。

2.2 驅動電路

驅動器是驅動電機運轉的關鍵部分，其作用就是將220 V交流輸入經過整流濾波，再逆變后給永磁同步電機供電的電路，包括整流濾波電路、功率逆變、前置驅動、SVPWM驅動輸出及多種保護電路。

整流濾波電路將輸入220 V交流電，先經過濾波后，在經過整流橋整流，使其成為幅值平緩的直流電。

功率開關器件決定功率變換電路可以達到的最高頻率、最大電流、逆變電壓。該電路采用6個獨立的絕緣柵極雙極性晶體管(IGBT)組成功率變換電路。IGBT是功率場控晶體管MOSFET和電力晶體管GTR的復合器件，因此它既具有MOSFET的工作速度、輸入阻抗高、驅動電路簡單、熱溫度性好的特點，又包含了GTR通態壓降小、阻斷電壓高、載流能力大等多項優點。

功率驅動芯片選用PS21867 ，其內部集成了驅動緩沖電路和各種故障檢測保護電路。各個開關采用高速光耦驅動，所有PWM 引腳都上拉為高電平以防止開關誤通損壞IPM。在IPM的輸出端各串聯采樣電阻，通過光耦實時檢測電機電流的瞬時值。

2.3 速度控制設計

在速度控制器的輸入端將速度指令信號與速度反饋信號進行比較，再通過放大器將該偏差信號放大輸出作為多路乘法器的輸入信號。速度控制電路如圖3所示。

圖3 速度控制電路Fig.3 The speed control circuit

調整電位器RP1、RP2來改變放大器的增益， R1、C1決定速度控制電路的截止頻率。調節RP1來調整速度指令和速度反饋之間的相對大小，適當調整該電位器，可以抑制速度超調量。當電動機加上負載時，如果改變電位器RP2使反饋量增加，放大器的增益變小，要獲得同樣的輸出，在放大器的輸入端就必然存在較大的偏差，這就意味著速度下降較大。如果調整RP2使放大器反饋量變小，其增益必然增加，則速度下降較小。如果負載去掉后，最好調整RP2使放大器反饋量為零，反饋量為零即意味著放大器的增益將變得很大，速度降落當然很小，因為此時沒有負載施于電動機軸上。

2.4 電流控制器設計

電流控制是提高伺服系統的響應速度、控制精度，提高控制性能的關鍵，電流控制電路結構如圖4所示。電流控制器也是按PI控制規律調節電流的。

電流控制器與速度控制器一樣，也是由反饋電阻R6，電容C6等組成的近似的比例積分型放大器，它的傳遞函數與速度控制器的傳遞函數相同，不過傳遞函數中的時間常數應選得小一些。調整R 可以調節電流控制放大器的反饋量，也就調節了增益。根據R6、C6來決定電流局部控制的截止頻率。而R6、C6所決定的時間常數應大致與電動機的電磁時間常數相等。

圖4 電流控制電路Fig.4 The current control circuit

2.5 位置控制設計

圖5 表示為以轉角為輸入量的位置控制系統方框圖。圖中的位置控制器主要為比例（P）控制，而把系統中擾動的影響都用速度內環的速度控制器來補償，在位置環中可不考慮對擾動的補償。

圖5 位置控制系統方框圖Fig.5 Block diagram of position control

在圖5所示的位置控制系統方框圖中，速度控制系統（PI控制）的傳遞函數為

3 軟件設計

伺服控制程序由3個部分組成：主程序、定時中斷程序、縫紉模式。

主程序內完成系統的初始化，I/O接口控制信號，DSP內各個控制模塊寄存器的設置等，然后進入循環程序，主程序如圖6所示。

圖6 主程序Fig.6 Flow chart of main program

定時器中斷服務是系統軟件的核心部分。定時器的定時周期即為系統的控制周期。該子程序實現的是對電機的實時控制，定時器程序如圖7。外部保護中斷主要針對智能功率模塊IPM。IPM的報警信號接入DSP芯片的PDPINT引腳，當IPM報警后會在該引腳上產生一個邊沿跳變，從而觸發中斷。

圖7 定時器中斷Fig.7 Timer interrupt

根據工業縫紉機工藝要求，縫紉機需要完成多種不同的基本操作，根據用戶設置，選擇完成其中一種模式，縫紉模式選擇如圖8。當系統進入到主程序后，首先會檢測到啟動開關信號，根據用戶的設置，判斷當前系統的工作模式，然后按照預定的模式完成相應的行程。

圖8 縫紉模式選擇Fig.8 Sewing mode selection

4 結 論

文中設計了一種基于DSP的縫紉機專用甲流伺服系統，針對縫紉機應用的具體情況，在保證交流伺服驅動器優異性能和滿足實際需要的前提下，對驅動器進行簡化設計，以高性能DSP為處理器、以旋轉編碼器和電流傳感器為反饋、智能功率模塊IPM為逆變器，并根據縫紉機運動的特性優化了電機位置環、速度環、電流環實時控制算法，實現對交流伺服電機的高性能控制。經過一年多的實踐應用，本設計可以應用于各種工業縫紉機控制系統。

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