基于DSP&IPM的電腦平縫機低成本PMSM控制系統的研究

宋海燕，陳 康

(福州大學 電氣工程與自動化學院，福建 福州 350002)

基于DSP&IPM的電腦平縫機低成本PMSM控制系統的研究

宋海燕，陳 康

(福州大學 電氣工程與自動化學院，福建 福州 350002)

為了降低電腦平縫機控制系統的成本，提高控制系統性能，提出無光耦隔離驅動方式、分塊獨立供電模式和采集模塊高速光耦隔離防護措施，利用SVPWM矢量控制策略與PI調節器，并加入抗積分飽和與死區補償策略，以提高系統的準確性和穩定性。基于32位浮點型DSP和IPM智能功率模塊完成了一套高集成、低成本的全數字化電腦平縫機控制系統。系統測試結果表明，在調速范圍、響應速度和控制精度等方面均滿足工業要求。

電腦平縫機；低成本；DSP&IPM；空間矢量控制；全數字化控制

0 引言

隨著我國對稀土材料的大力開發，以及永磁同步電機(PMSM)自身的低成本、小體積、動態性能好等優點，使PMSM在工業生產中得到了廣泛應用，并且，與異步電機相比，PMSM更容易實現先進的控制算法，可以簡化控制流程，提高交流伺服系統的控制性能。所以，電腦縫紉機的執行裝置正朝著PMSM的全數字化控制系統的方向發展[1]。而隨著數字化、集成化、電力電子等技術的不斷提高，用戶對控制系統的性能和體積提出了更高的要求，同時，由于電腦平縫機市場競爭日益劇烈，所以如何降低成本成為了最大的研究熱點。

在研究分析了電腦平縫機及PMSM結構原理的基礎上，考慮到用戶對控制系統性能及成本的要求，本文研究開發了一套基于DSP28335和IPM智能功率模塊的高集成化全數字控制系統。利用SVPWM控制方法實現電壓型矢量控制系統的設計，并結合雙閉環PI調節與SVPWM死區補償，提高了系統可靠性。通過對實際應用分析、硬件電路及元件原理分析，采用無光耦隔離驅動的方案，在改善控制精度的同時降低了硬件成本，提高了系統集成度。實驗結果表明，該控制系統在調速范圍和動態性能參數等方面滿足系統指標，運行可靠。

1 矢量控制系統

為了解除PMSM本身的強耦合性，采用等效直流電機控制思想，考慮簡化控制算法和硬件成本，本文采用空間矢量控制策略。根據PMSM的結構原理，依據PMSM的解析模型，在忽略鐵芯飽和效應和不計渦流和磁滯損耗等因素的前提下，利用坐標矢量變換，得到PMSM在d、q旋轉坐標系下的電壓方程矩陣(1)和電磁轉矩方程矩陣(2)，進而建立PMSM的數學模型。

(1)

(2)

其中，ud與uq分別為d、q軸定子電壓；Tem為電磁轉矩；Rs為定子繞組的電阻；Ld與Lq為d、q軸定子等效電感；ωr為轉子角速度；id與iq分別是矢量合成在d、q軸定子電流；Ψr為轉子永磁磁鏈；Pn為電機極對數。

分析永磁同步電機的數學模型后，為了解除其強耦合性和非線性，采用直軸電樞電流id=0的控制策略[2]，即式(2)可簡化為式(3):

(3)

由于簡化后的電機電磁轉矩與交軸電流iq呈線性關系，從而提高了控制輸出轉矩的性能，且消除了退磁現象，減少了維修成本，提高了伺服系統的性價比。

針對PMSM的SVPWM算法的特點，為了提高控制精度和可靠性，本文采用雙閉環PI調節和SVPWM死區補償策略[3]，對PMSM實施如圖1所示的矢量控制。

圖1 PMSM矢量控制系統結構圖

圖3 電源模塊電路原理圖

2 系統硬件設計

依據上述控制原理和PMSM控制系統性能要求，本節進行了整體的硬件系統設計，主要包括控制電路、驅動電路和檢測保護電路3個部分。如圖2所示。

圖2 PMSM矢量控制硬件系統框圖

其中，控制電路以32位浮點型DSP28335為控制核心，其具有150 MHz主頻、256 KB×16片上Flash和34 KB×16 SRAM儲存空間[4]，提高了運算速度，使系統的實時性得到大幅度提升，并為系統存儲提供了足夠的Flash空間，縮減了硬件體積。并且，DSP28335自身具有豐富的函數庫，為SVPWM的三角函數運算提供方便。因此，可以很好地縮短代碼長度，提高控制系統實時性，進而提升了高頻通斷器件的穩定性。利用其產生的六路PWM驅動信號，完成對驅動模塊的控制；檢測保護電路包括：相電流檢測、直流母線電壓檢測、速位檢測以及故障信號檢測與處理電路，考慮系統成本與體積要求，進行了電源模塊一體化設計。

2.1 電源模塊

考慮到工業成本和集成度的要求，本文摒棄穩壓電源供電方案，在控制板上，直接將用戶220 V電壓，通過不同的電源轉換電路，實現電源一體化，既縮小了控制系統體積和降低了開發成本，也更加方便和通用。為了杜絕同一PCB板上強弱電間的干擾，本系統采用強弱電隔離獨立供電的措施，杜絕了強弱電聯通對處理器等元件的損壞。

基于對DSP、IPM模塊和傳感器等元件電壓的需求分析，利用變壓器產生隔離的雙路AC18 V電壓，一路經整流濾波后，利用LM7815產生+15 V電壓專供IPM驅動電源，另一路利用LM7805與LM1117-3.3產生+5 V和+3.3 V電壓供DSP與霍爾元件等使用，系統一體化電源電路原理如圖3所示。

2.2 驅動模塊

為縮短產品開發時間，提高系統集成度和降低因電機故障而帶來的逆變模塊的損壞，本文選用三菱第五代IPM智能模塊PS21563來代替傳統的IGBT。IPM具有開關速度快、功耗低和可靠性高等特點，并且內置多種保護電路，且具有故障診斷處理功能，極大地降低了因故障帶來的其他損失和縮小了PCB體積。在PWM驅動電路中，光耦隔離中光耦是電流驅動型，需要足夠大的電流才能使發光二極管導通，如果輸入信號太小，發光二極管不會導通，其輸出信號將非線性失真[5]，且輸入輸出信號間有延時的缺陷，所以，本文提出采用無光耦隔離驅動輸出，利用電容及二極管對驅動信號進行處理，使系統在控制精度上得到提高，并考慮IPM驅動電源問題，采用自舉電路提供4路+15 V電壓，如圖4所示。

圖4 U相驅動及自舉電路原理圖

2.3 相電流檢測

針對矢量控制算法的需求，本文對直流母線電壓和三相電流進行在線監測。由于TMS320F28335自帶12位采樣精度的AD模塊，并且在傳統芯片的基礎上，提高了系統采樣基準，進而降低了增益誤差，且能夠自行糾正偏置誤差，為電腦平縫機的高精度要求提供了保障。所以，對于相電流的檢測，通過對比各種元件性能、成本和體積等因素，本系統采用中霍的電壓型閉環霍爾電流傳感器，其所需電源電壓為+3.3 V，且響應快、帶寬大。U相電流檢測電路如圖5所示。

圖5 U相電流檢測電路原理圖

圖7 軟件設計程序流程圖

考慮片內AD模塊的輸入電壓范圍為0～3 V，本文通過軟件處理，將各個采樣信號調節在AD的范圍內，供AD采樣數據處理，完成對相電流和直流母線電壓的檢測。這樣不僅降低了開發成本，還降低了干擾，提高了系統的可靠性。

2.4 故障檢測與處理

圖6 IPM故障硬件處理電路原理圖

2.5 速度位置檢測

根據工業縫紉機±2°機械角精度要求，本文采用2500PPR、4倍頻的增量式光電編碼器，對電機進行速度檢測，完全符合工業要求，且成本相對于高精度編碼器較低，易于接線維護。將光電編碼器的兩路正交脈沖輸出經三極管放大，并隔離處理后輸入到DSP28335的EQEP1和EQEP2引腳上，降低了強弱電的干擾。為了獲得更精準的控制性能，本文考慮電腦平縫機的運行特點，利用M/T算法進行速度測算。M/T算法兼具M法和T法兩者之長[6-7]，可同時測量檢測時間和該時間內產生的脈沖數以確定轉速。其中，計算公式如下：

n=60M1F0/(ZM2)

(4)

由于DSP28335可同時進行位置計數和捕獲，彌補了傳統控制芯片在使用EQP功能時，CAP單元被禁止的缺點，所以，該設計簡化了軟件算法處理，提高了系統時效性，使整個系統的控制精度得到了極大提高。

3 系統軟件設計

依據前文的控制方案，結合數字式控制系統DSP的設計理念，實施了控制系統軟件的設計。由于本系統選用TMS320F28335作為控制核心，其獨具的浮點運算、EQEP模塊和高精度AD等特點，大大簡化了軟件程序的設計。所以，針對該系統的控制程序，從主程序和中斷程序兩部分出發，降低了程序的復雜性，更利于系統的調試和用戶的讀取。軟件設計程序流程如圖7所示，包括主程序、矢量控制中斷程序和故障中斷程序。

其中，主程序主要完成系統初始化、外設模塊初始化、故障判斷和主循環等待中斷等；矢量控制程序主要完成SVPWM驅動信號的生成，包括直流母線電壓、相電流的采樣和速度位置的檢測；中斷處理主要完成各中斷的相應功能，例如故障處理、通信調試。

4 系統測試與分析

本文測試電機由廠家提供，具體參數：額定電壓UN=220 V，額定功率PN=750 W，額定轉速nN=4 500 r/min，額定電流IN=1.5 A,額定轉矩TN=2.39 N*m，極對數p=2。

考慮電腦平縫機的實際需求，測定了不同轉速給定下的穩態性能，如圖8所示。即在穩態下，對1 000 r/min、2 000 r/min、3 000 r/min和4 500 r/min進行響應跟蹤。通過數據可知，電機響應達到給定之后，會有細微波動，且隨著給定轉速的增大波動增大，但在最高速度時其超調仍小于5%，完全滿足工業要求。

圖8 穩態轉速跟蹤曲線

為了測試系統控制性能，考慮實際主要應用速度范圍，本文對啟動至3 000 r/min時的U、V相電流進行了檢測，如圖9所示。

圖9 啟動至3 000 r/min時U、V相電流波形

由以上實驗數據可知，該控制系統動態響應快，在達到給定速度后，電機電流響應平滑，因而穩定性較好。

5 結論

根據工業經濟發展要求，在分析了PMSM特點與SVPWM矢量控制系統的基礎上，本文利用DSP28335和IPM智能功率模塊為控制系統骨架，實現了數字化、一體化的電腦平縫機控制系統，并通過對元件的合理選用，降低了控制板硬件的干擾與成本，同時，降低了控制系統的算法復雜度。最后通過PCB制作，完成硬件系統，利用CCS6.0平臺進行實驗測試，證明了本系統在穩定性、準確性和快速性上都能很好地達到工業實際要求，因此，本文研究開發的電腦平縫機控制系統平臺具有極高的性價比，符合工業經濟的發展需求。

[1] 胡睿．縫紉機的現狀與發展趨勢[J]．商業文化月刊,2011(9):316-317.

[2] 陳榮.永磁同步電機控制系統(第1版)[M].北京:中國水利水電出版社, 2009.

[3] ZHOU L Q. Dead-time compensation method of SVPWM based on DSP[C].International Conference on Electrical Machines & Systems,2009:1-4.

[4] 楊家強.TMS320F2833xDSP原理與應用教程[M].北京:清華大學出版社,2014.

[5] 張亮.電磁兼容技術及應用實例詳解[M].北京:電子工業出版社,2014.

[6] 黃巍,王鑫.基于增量式光電編碼器的永磁同步電機轉子位置初始定位[J].伺服控制,2011(8):35-37.

[7] 李萬魁.基于DSP的永磁同步電機控制器研究[J].機電技術,2014(2):68-71.

Research on low cost PMSM control system of computer lockstitch based on DSP & IPM

Song Haiyan, Chen Kang

(College of Electrical Engineering and Automation, Fuzhou University, Fuzhou 350002, China)

In order to reduce the cost of the control system of the computer sewing machine and improve the performance of the control system, it is proposed that the optocoupler isolation drive mode, the independent power supply mode and the acquisition module high-speed optocoupler isolation protection measures. In this paper, SVPWM vector control strategy and PI regulator are used, and the anti - integral saturation and dead zone compensation strategy are added to improve the accuracy and stability of the system. Based on 32-bit floating point DSP and IPM intelligent power module to complete a set of highly integrated, low-cost, all-digital computer sewing machine control system. The test results show that the speed range, response speed, control accuracy and so on can meet the industrial requirements.

computer sewing machine; low cost; DSP&IPM; space vector control; full digital control

TM341; TM301.2

A

10.19358/j.issn.1674- 7720.2017.23.002

宋海燕，陳康.基于DSP&IPM的電腦平縫機低成本PMSM控制系統的研究[J].微型機與應用，2017,36(23)：5-8,20.

2017-06-06)

宋海燕(1990-)，通信作者，女，碩士研究生，主要研究方向：嵌入式與集成電路設計。

陳康(1974-)，男，碩士，副教授，主要研究方向：嵌入式與集成電路設計。