縫紉機(jī)專(zhuān)用交流伺服系統(tǒng)設(shè)計(jì)

侯 華，周月陽(yáng)，祝本明

（中國(guó)兵器工業(yè)第五八研究所 四川 綿陽(yáng) 621000）

目前， 隨著國(guó)內(nèi)工業(yè)縫紉機(jī)的制造和設(shè)計(jì)水平逐年提高，帶有數(shù)字交流伺服控制系統(tǒng)的工業(yè)縫紉機(jī)， 因其服裝加工效率高、省電省時(shí)、能夠極大的改善工人作業(yè)的勞動(dòng)強(qiáng)度， 其需求和產(chǎn)量正逐年提高， 國(guó)內(nèi)大部分服裝廠(chǎng)開(kāi)始普及和推廣這種全自動(dòng)化的縫制設(shè)備。但是隨著交流伺服控制技術(shù)在縫制設(shè)備上的推廣， 縫紉機(jī)生產(chǎn)廠(chǎng)家對(duì)伺服控制系統(tǒng)的可靠性、性?xún)r(jià)比和多機(jī)種適配性提出了更高的要求[1]?？p紉機(jī)控制系統(tǒng)一般由主軸交流伺服電機(jī)（主軸，上下運(yùn)動(dòng)）、水平橫向進(jìn)給軸電機(jī)（X軸，橫向運(yùn)動(dòng)）、水平豎向進(jìn)給軸電機(jī)（Y軸，縱向運(yùn)動(dòng)）、水平旋轉(zhuǎn)進(jìn)給軸電機(jī)（Z軸，水平旋轉(zhuǎn)）組成。根據(jù)縫制工藝要求，進(jìn)給軸電機(jī)與主軸電機(jī)需保持同步聯(lián)動(dòng)，主軸伺服電機(jī)主要負(fù)責(zé)帶動(dòng)主軸電機(jī)旋轉(zhuǎn)從而帶動(dòng)機(jī)針上下運(yùn)動(dòng)，同時(shí)主軸電機(jī)還要向X、Y、Z軸驅(qū)動(dòng)器發(fā)送同步位置控制信號(hào)。該同步位置控制信號(hào)驅(qū)動(dòng)相應(yīng)的電機(jī)帶動(dòng)相應(yīng)機(jī)械部分，實(shí)現(xiàn)對(duì)壓框的運(yùn)動(dòng)控制[2]。因此，交流伺服驅(qū)動(dòng)器的設(shè)計(jì)直接關(guān)系到縫紉機(jī)控制系統(tǒng)整體性能。

1 設(shè)計(jì)原理

隨著縫制設(shè)備控制系統(tǒng)集成度的提高，系統(tǒng)硬件日益復(fù)雜，強(qiáng)弱電混合、模數(shù)電路混合、工作頻率增高，導(dǎo)致系統(tǒng)內(nèi)干擾更加嚴(yán)重。交流伺服系統(tǒng)作為功率器件，電源設(shè)計(jì)的可靠性直接影響系統(tǒng)的性能[3]。交流伺服驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)框圖如圖1所示。

2 硬件設(shè)計(jì)

交流伺服驅(qū)動(dòng)器以高性能DSP為處理器，運(yùn)用現(xiàn)代伺服電機(jī)控制理論，以旋轉(zhuǎn)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(shí)現(xiàn)對(duì)交流伺服電機(jī)的高性能控制。交流伺服驅(qū)動(dòng)器系統(tǒng)主要完成電機(jī)位置環(huán)、速度環(huán)、電流環(huán)的實(shí)時(shí)控制[4-7]。專(zhuān)用縫紉機(jī)交流伺服驅(qū)動(dòng)器設(shè)計(jì)原理框圖如圖2所示。

2.1 DSP模塊

系統(tǒng)以TI公司的TMS320F28335為主控芯片，以L(fǎng)attice公司的ISP-4128V為輔助芯片，外擴(kuò)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(jī)位置環(huán)、速度環(huán)、電流環(huán)的實(shí)時(shí)控制，通過(guò)改變輸出脈沖的總個(gè)數(shù)和頻率就能控制電機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)位置和轉(zhuǎn)速。

圖1 交流伺服驅(qū)動(dòng)框圖Fig.1 Block diagram of AC servo drive

圖2 軟件設(shè)計(jì)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(zhuǎn)矩控制?？刂瞥绦蛟贒sp內(nèi)完成，通訊方式主要為SCI與CAN通訊，在Dsp內(nèi)編寫(xiě)了專(zhuān)門(mén)的測(cè)試程序，用于對(duì)電機(jī)電流、位置、反饋等信息的實(shí)時(shí)檢測(cè)，通過(guò)總線(xiàn)將采集的數(shù)據(jù)存放于外擴(kuò)RAM中，然后通過(guò)CAN接口上傳到PC調(diào)試軟件，調(diào)試軟件對(duì)電機(jī)的上傳數(shù)據(jù)進(jìn)行分析、生成波形等。

2.2 驅(qū)動(dòng)電路

驅(qū)動(dòng)器是驅(qū)動(dòng)電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)的關(guān)鍵部分，其作用就是將220 V交流輸入經(jīng)過(guò)整流濾波，再逆變后給永磁同步電機(jī)供電的電路，包括整流濾波電路、功率逆變、前置驅(qū)動(dòng)、SVPWM驅(qū)動(dòng)輸出及多種保護(hù)電路。

整流濾波電路將輸入220 V交流電，先經(jīng)過(guò)濾波后，在經(jīng)過(guò)整流橋整流，使其成為幅值平緩的直流電。

功率開(kāi)關(guān)器件決定功率變換電路可以達(dá)到的最高頻率、最大電流、逆變電壓。該電路采用6個(gè)獨(dú)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(chǎng)控晶體管MOSFET和電力晶體管GTR的復(fù)合器件，因此它既具有MOSFET的工作速度、輸入阻抗高、驅(qū)動(dòng)電路簡(jiǎn)單、熱溫度性好的特點(diǎn)，又包含了GTR通態(tài)壓降小、阻斷電壓高、載流能力大等多項(xiàng)優(yōu)點(diǎn)。

功率驅(qū)動(dòng)芯片選用PS21867 ，其內(nèi)部集成了驅(qū)動(dòng)緩沖電路和各種故障檢測(cè)保護(hù)電路。各個(gè)開(kāi)關(guān)采用高速光耦驅(qū)動(dòng)，所有PWM 引腳都上拉為高電平以防止開(kāi)關(guān)誤通損壞IPM。在IPM的輸出端各串聯(lián)采樣電阻，通過(guò)光耦實(shí)時(shí)檢測(cè)電機(jī)電流的瞬時(shí)值。

2.3 速度控制設(shè)計(jì)

在速度控制器的輸入端將速度指令信號(hào)與速度反饋信號(hào)進(jìn)行比較，再通過(guò)放大器將該偏差信號(hào)放大輸出作為多路乘法器的輸入信號(hào)。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(diào)整電位器RP1、RP2來(lái)改變放大器的增益， R1、C1決定速度控制電路的截止頻率。調(diào)節(jié)RP1來(lái)調(diào)整速度指令和速度反饋之間的相對(duì)大小，適當(dāng)調(diào)整該電位器，可以抑制速度超調(diào)量。當(dāng)電動(dòng)機(jī)加上負(fù)載時(shí)，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(diào)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(fù)載去掉后，最好調(diào)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(dāng)然很小，因?yàn)榇藭r(shí)沒(méi)有負(fù)載施于電動(dòng)機(jī)軸上。

2.4 電流控制器設(shè)計(jì)

電流控制是提高伺服系統(tǒng)的響應(yīng)速度、控制精度，提高控制性能的關(guān)鍵，電流控制電路結(jié)構(gòu)如圖4所示。電流控制器也是按PI控制規(guī)律調(diào)節(jié)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(shù)與速度控制器的傳遞函數(shù)相同，不過(guò)傳遞函數(shù)中的時(shí)間常數(shù)應(yīng)選得小一些。調(diào)整R 可以調(diào)節(jié)電流控制放大器的反饋量，也就調(diào)節(jié)了增益。根據(jù)R6、C6來(lái)決定電流局部控制的截止頻率。而R6、C6所決定的時(shí)間常數(shù)應(yīng)大致與電動(dòng)機(jī)的電磁時(shí)間常數(shù)相等。

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

2.5 位置控制設(shè)計(jì)

圖5 表示為以轉(zhuǎn)角為輸入量的位置控制系統(tǒng)方框圖。圖中的位置控制器主要為比例（P）控制，而把系統(tǒng)中擾動(dòng)的影響都用速度內(nèi)環(huán)的速度控制器來(lái)補(bǔ)償，在位置環(huán)中可不考慮對(duì)擾動(dòng)的補(bǔ)償。

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

在圖5所示的位置控制系統(tǒng)方框圖中，速度控制系統(tǒng)（PI控制）的傳遞函數(shù)為

3 軟件設(shè)計(jì)

伺服控制程序由3個(gè)部分組成：主程序、定時(shí)中斷程序、縫紉模式。

主程序內(nèi)完成系統(tǒng)的初始化，I/O接口控制信號(hào)，DSP內(nèi)各個(gè)控制模塊寄存器的設(shè)置等，然后進(jìn)入循環(huán)程序，主程序如圖6所示。

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

定時(shí)器中斷服務(wù)是系統(tǒng)軟件的核心部分。定時(shí)器的定時(shí)周期即為系統(tǒng)的控制周期。該子程序?qū)崿F(xiàn)的是對(duì)電機(jī)的實(shí)時(shí)控制，定時(shí)器程序如圖7。外部保護(hù)中斷主要針對(duì)智能功率模塊IPM。IPM的報(bào)警信號(hào)接入DSP芯片的PDPINT引腳，當(dāng)IPM報(bào)警后會(huì)在該引腳上產(chǎn)生一個(gè)邊沿跳變，從而觸發(fā)中斷。

圖7 定時(shí)器中斷Fig.7 Timer interrupt

根據(jù)工業(yè)縫紉機(jī)工藝要求，縫紉機(jī)需要完成多種不同的基本操作，根據(jù)用戶(hù)設(shè)置，選擇完成其中一種模式，縫紉模式選擇如圖8。當(dāng)系統(tǒng)進(jìn)入到主程序后，首先會(huì)檢測(cè)到啟動(dòng)開(kāi)關(guān)信號(hào)，根據(jù)用戶(hù)的設(shè)置，判斷當(dāng)前系統(tǒng)的工作模式，然后按照預(yù)定的模式完成相應(yīng)的行程。

圖8 縫紉模式選擇Fig.8 Sewing mode selection

4 結(jié) 論

文中設(shè)計(jì)了一種基于DSP的縫紉機(jī)專(zhuān)用甲流伺服系統(tǒng)，針對(duì)縫紉機(jī)應(yīng)用的具體情況，在保證交流伺服驅(qū)動(dòng)器優(yōu)異性能和滿(mǎn)足實(shí)際需要的前提下，對(duì)驅(qū)動(dòng)器進(jìn)行簡(jiǎn)化設(shè)計(jì)，以高性能DSP為處理器、以旋轉(zhuǎn)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(jù)縫紉機(jī)運(yùn)動(dòng)的特性?xún)?yōu)化了電機(jī)位置環(huán)、速度環(huán)、電流環(huán)實(shí)時(shí)控制算法，實(shí)現(xiàn)對(duì)交流伺服電機(jī)的高性能控制。經(jīng)過(guò)一年多的實(shí)踐應(yīng)用，本設(shè)計(jì)可以應(yīng)用于各種工業(yè)縫紉機(jī)控制系統(tǒng)。

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