工業(yè)縫紉機(jī)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

劉 登，李 輝，孫永奎

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

0 引 言

近年來，我國服裝加工業(yè)的迅猛發(fā)展造成了我國工業(yè)縫紉機(jī)的供不應(yīng)求［1］，但隨著勞動成本的上升等各種因素的影響，加工企業(yè)對工業(yè)縫紉機(jī)的性能提出了越來越高的要求。目前市場上的離合器電機(jī)已無法滿足工業(yè)縫紉機(jī)的性能要求，而以永磁同步電機(jī)為主流動力單元的工業(yè)縫紉機(jī)正在占領(lǐng)大部分縫紉機(jī)市場。永磁同步電機(jī)相比離合器電機(jī)具有體積小、動態(tài)性能好、控制方便、高功率密度等優(yōu)點(diǎn)。新一代的工業(yè)縫紉機(jī)控制系統(tǒng)大部分帶有光電碼盤作為位置反饋來計(jì)算電機(jī)的位置和速度，這種系統(tǒng)的優(yōu)點(diǎn)是能準(zhǔn)確得到電機(jī)的當(dāng)前位置，缺點(diǎn)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(jì)算電機(jī)的當(dāng)前位置。所以如何能夠設(shè)計(jì)開發(fā)一款性能較高、成本較低的工業(yè)縫紉機(jī)控制系統(tǒng)成為許多廠家的心聲。

本文以永磁同步電機(jī)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(yè)縫紉機(jī)控制系統(tǒng)的方案。

1 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)硬件平臺以 16位微控制器dsPIC33FJ16MC304和智能功率模塊IRAMS10UP60B為主體結(jié)構(gòu)，外圍添加相應(yīng)輔助電路，完成工業(yè)縫紉機(jī)的硬件系統(tǒng)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(jù)捕獲到的霍爾位置信號確定轉(zhuǎn)子的當(dāng)前位置并計(jì)算電機(jī)的當(dāng)前轉(zhuǎn)速。通過矢量控制算法和PID算法計(jì)算各個(gè)PWM輸出通道的有效值。輸出的PWM經(jīng)驅(qū)動芯片IRAMS10UP60B開啟相應(yīng)的MOSFET，使得電機(jī)中相應(yīng)繞組通過電流，電機(jī)按給定方向連續(xù)轉(zhuǎn)動。調(diào)節(jié)調(diào)速盒相應(yīng)信號，可以改變電機(jī)轉(zhuǎn)速。

系統(tǒng)中的主控芯片dsPIC33fj16mc304是專門為電機(jī)高速控制所設(shè)計(jì)的一款16位微處理器。它具有一個(gè)16位CPU和一個(gè)DSP內(nèi)核，除常見外設(shè)外，該芯片有一個(gè)6通道的電機(jī)專用MCPWM控制器。此裝置大大簡化了產(chǎn)生脈寬調(diào)制(PWM)波形的控制軟件和外部硬件，通過編程可產(chǎn)生互補(bǔ)的三相6路PWM波形?？赏ㄟ^編程設(shè)置死區(qū)時(shí)間防止同一橋臂上2個(gè)功率管發(fā)生直通造成短路。

驅(qū)動芯片選用美國國際整流公司的IRAMS10UP60B模塊。它內(nèi)部集成了驅(qū)動芯片IR21365和三相全橋電路。還設(shè)計(jì)有過流電阻用來對主電路進(jìn)行過流保護(hù)。內(nèi)部自舉電路的巧妙應(yīng)用，使它可用于高壓系統(tǒng)，它還可對同一橋臂上下兩功率MOS器件的柵極驅(qū)動信號產(chǎn)生290 ns的死區(qū)時(shí)間，使設(shè)計(jì)進(jìn)一步簡化系統(tǒng)硬件電路，減少體積，提高可靠性。MOS管峰值電流可達(dá)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(xiàn)故障或者燒壞的危險(xiǎn)，需要對主回路的電流進(jìn)行實(shí)時(shí)檢測并進(jìn)行處理，圖2為電流檢測的電路圖。電流信號CURRENT_SENSE經(jīng)過C15濾波后通過U6進(jìn)行放大。放大后的信號為1.8～3.2 V，可直接對該信號進(jìn)行AD采樣處理。其中C15的選取很關(guān)鍵，因?yàn)殡娏餍盘枙艿胶芏喔蓴_，由于后級是放大電路，C15選取不合適會將干擾信號進(jìn)行放大返回給主控芯片，這會對主芯片的計(jì)算造成很大的誤差。實(shí)際電路設(shè)計(jì)中C15是根據(jù)仿真結(jié)果得到的，這里取1 μF。

2 控制策略及軟件設(shè)計(jì)

2.1 電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)控制策略

本設(shè)計(jì)方案采用SVPWM(空間矢量脈寬調(diào)制)方式對電機(jī)實(shí)現(xiàn)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(shí)三相對稱電動機(jī)定子理想磁鏈圓為參考標(biāo)準(zhǔn)，以三相逆變器不同開關(guān)模式作適當(dāng)?shù)那袚Q，從而形成PWM波，以所形成的實(shí)際磁鏈?zhǔn)噶縼碜粉櫰錅?zhǔn)確磁鏈圓。傳統(tǒng)的SPWM方法從電源的角度出發(fā)，以生成一個(gè)可調(diào)頻調(diào)壓的正弦波電源，而SVPWM方法將逆變系統(tǒng)和電動機(jī)看作一個(gè)整體來考慮，模型比較簡單，同時(shí)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(gè)開關(guān)器件構(gòu)成的三個(gè)半橋。這六個(gè)開關(guān)器件組合起來(同一個(gè)橋臂的上下半橋的信號相反)共有8種安全的開關(guān)狀態(tài)，其中000、111(這里表示三個(gè)上橋臂的開關(guān)狀態(tài))，這兩種開關(guān)狀態(tài)在電機(jī)驅(qū)動中都不會產(chǎn)生有效的電流，因此稱其為零矢量。另外6種開關(guān)狀態(tài)分別是六個(gè)有效矢量。它們將360°的電壓空間分為60°一個(gè)扇區(qū)，共六個(gè)扇區(qū)。

利用這六個(gè)基本有效矢量和兩個(gè)零量，可以合成360°內(nèi)的任何矢量。

如圖3所示?？臻g矢量調(diào)制可采用相鄰兩個(gè)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(diào)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(nèi)，U的作用時(shí)間為而U的作用時(shí)間為060，則整個(gè)周期內(nèi)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(diào)制

將圖4的計(jì)算結(jié)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(yōu)點(diǎn)是將在每一個(gè)周期內(nèi)產(chǎn)生兩個(gè)線－線脈沖。帶來的好處是有效的開關(guān)頻率加倍了，紋波電流會相應(yīng)減小。

圖5 周期T內(nèi)的PWM

產(chǎn)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(jī)繞組。Va、Vb、Vc分別表示定子三相繞組電壓。

2.2 轉(zhuǎn)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(dāng)前轉(zhuǎn)子所在位置。結(jié)合圖3介紹只有霍爾反饋的情況下如何計(jì)算θ角。當(dāng)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)過U0時(shí)，通過霍爾中斷我們可以判斷當(dāng)前角度為θ=0°，假設(shè)當(dāng)前電機(jī)的平均轉(zhuǎn)速為V，則可以求得電機(jī)轉(zhuǎn)過60°電角度所花時(shí)間(設(shè)為T3)。PWM中斷周期固定為T，則下一次PWM中斷時(shí)用來計(jì)算的依次后面的PWM中斷中的θ也可由此計(jì)算得出。

圖6 使用SVM時(shí)的線－線電壓波形

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

2.3 電機(jī)速度估算

設(shè)電機(jī)最高速度為Vh，對于N對極電機(jī)，可以計(jì)算出當(dāng)電機(jī)以最高速運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)其轉(zhuǎn)過180°電角度的時(shí)間T4，由于電機(jī)正常運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)速度小于Vh，則電機(jī)在正常運(yùn)轉(zhuǎn)過程中其轉(zhuǎn)過180°電角度的時(shí)間T5會大于等于T4。所以可以計(jì)算出當(dāng)前電機(jī)速度Vc如果電機(jī)Vh過小，可以以60°為基本單位對速度進(jìn)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(guān)斷所有PWM輸出，待測得母線電流減小到一定值時(shí)，給電機(jī)施加一個(gè)固定矢量，相當(dāng)于給定子通直流電(矢量大小決定電流大小)。從而產(chǎn)生一個(gè)固定不變的磁場，此時(shí)，轉(zhuǎn)子按旋轉(zhuǎn)方向切割磁力線，產(chǎn)生一個(gè)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(shè)計(jì)

控制部分的軟件內(nèi)嵌于dsPIC33FJ16MC304的程序存儲器中，由C語言實(shí)現(xiàn)，主要由主函數(shù)和中斷服務(wù)子程序兩部分組成。

主程序的流程圖如圖8所示，系統(tǒng)一開始先進(jìn)行自檢，包括對電壓、霍爾接口、調(diào)速信號等檢查，如果其中有一項(xiàng)出錯(cuò)，系統(tǒng)將重新開始一輪自檢，如果一切正常，系統(tǒng)將對相應(yīng)的寄存器及AD模塊，PWM模塊初始化，接著使能各個(gè)相關(guān)中斷，最后進(jìn)入一個(gè)死循環(huán)過程，等待著中斷的發(fā)生。

中斷服務(wù)子程序:主要包括定時(shí)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(jù)電機(jī)轉(zhuǎn)向給出下一個(gè)扇區(qū)值。AD中斷主要用來采樣調(diào)速信號值，根據(jù)計(jì)算給出當(dāng)前期望的速度值，同時(shí)在中斷中采樣當(dāng)前電機(jī)的平均電流值，與設(shè)定的最大電流值進(jìn)行比較，決定是否進(jìn)行過流保護(hù)。定時(shí)器中斷主要完成速度的調(diào)節(jié)，包括速度估算、相位增量計(jì)算以及PID調(diào)節(jié)。PWM中斷主要負(fù)責(zé)矢量變換的計(jì)算，如圖9所示。進(jìn)入中斷之后，當(dāng)前相位加上相位增量得到新的當(dāng)前相位，判斷當(dāng)前相位是否超過所在扇區(qū)的最大相位，未超過則進(jìn)行矢量逆變換即SVM計(jì)算，如果超過將當(dāng)前相位值限定為所在扇區(qū)的最大相位，然后進(jìn)行SVM計(jì)算。最后將計(jì)算出來的占空比值賦給相應(yīng)的占空比寄存器。

圖10 PID調(diào)節(jié)流程圖

在調(diào)速系統(tǒng)中采用積分分離和積分飽和相結(jié)合的數(shù)字PID調(diào)節(jié)方法，流程圖如圖10所示。程序根據(jù)AD的采樣值產(chǎn)生一個(gè)給定值，將實(shí)際測得值和給定值進(jìn)行比較計(jì)算后得到當(dāng)前速度差e，由于起動時(shí)e會比較大，所以如果在起動時(shí)采用傳統(tǒng)的PID調(diào)節(jié)方法，容易引起過大的超調(diào)，這對于電機(jī)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(fā)生。積分分離即在偏差e大于設(shè)定偏差ε時(shí)只對e進(jìn)行比例和微分作用，當(dāng)偏差e小于設(shè)定偏差ε時(shí)使用傳統(tǒng)PID進(jìn)行調(diào)節(jié)。在積分分離完成之后，程序會對輸出量進(jìn)行判斷，判斷輸出量是否在最大輸出量允許范圍之內(nèi)，如果已經(jīng)飽和，則將最大輸出量作為當(dāng)前的調(diào)節(jié)輸出量。這里最大輸出量和速度的關(guān)系如圖11所示，曲線中速度和電壓的關(guān)系主要是控制主回路電流在電機(jī)的承受范圍之內(nèi)。

圖11 電壓－轉(zhuǎn)速關(guān)系

3 結(jié) 語

以上述的電路基礎(chǔ)和控制策略，我們對電路板進(jìn)行實(shí)測，測試條件是電機(jī)電壓和直流母線電壓均為380 V，PWM的頻率為10 kHz。

設(shè)置PWM的死區(qū)時(shí)間為2.5 μs，工作模式為互補(bǔ)工作模式，由于PWM為中心對齊模式，所以死區(qū)時(shí)間會插在有效占空比的兩端。圖12為一對互補(bǔ)的PWM波形。

圖12 實(shí)測PWM波形圖

圖13 為電機(jī)正常運(yùn)行時(shí)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(shí)現(xiàn)了矢量控制算法。

圖14是剎車時(shí)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(guān)斷所有PWM輸出，電流會減小到較小的一個(gè)值，然后給電機(jī)施加一個(gè)固定矢量，電機(jī)的電流會緩慢上升，最后穩(wěn)定在一個(gè)固定值，直到電機(jī)停止轉(zhuǎn)動，電流為0。

圖13 實(shí)測線電壓電壓波形

圖14 剎車過程中電流變化

通過實(shí)驗(yàn)可以看出，本設(shè)計(jì)方案能夠滿足工業(yè)縫紉機(jī)的各種基本要求，并且有電路簡單、調(diào)速性能好、抗干擾性強(qiáng)、可靠性高、穩(wěn)定性好、性能價(jià)格比高等優(yōu)點(diǎn)。除了工業(yè)縫紉機(jī)之外，本方案還可以用在機(jī)床、機(jī)器人、電梯等其他工業(yè)控制領(lǐng)域。

［1］高永勝，趙繼敏.電氣控制系統(tǒng)在工業(yè)縫紉機(jī)中的應(yīng)用［J］.微特電機(jī)，2005(4):31 －33.

［2］謝寶昌.電機(jī)的DSP控制技術(shù)及其應(yīng)用［M］.北京:北京航空航天大學(xué)出版社，2005:193－194.

［3］王曉明.電動機(jī)的DSC控制［M］.北京:北京航空航天大學(xué)出版社，2009:18－25.