直流無(wú)刷電機(jī)伺服驅(qū)動(dòng)器設(shè)計(jì)

陳禹伶，何臻祥

（1.綿陽(yáng)市維博電子有限責(zé)任公司四川綿陽(yáng)621000；2.西南財(cái)經(jīng)大學(xué)天府學(xué)院，四川綿陽(yáng)621000）

傳統(tǒng)的工業(yè)縫紉機(jī)主軸驅(qū)動(dòng)多采用離合器電機(jī)，縫制動(dòng)作主要通過(guò)機(jī)械和人工配合完成，存在工作效率低，調(diào)速性能差，位置控制難等問(wèn)題。另一方面，國(guó)外的工業(yè)縫紉機(jī)由于其工作效率高、加工精度高、作業(yè)效率高贏得了相當(dāng)大的市場(chǎng)，但是其價(jià)格高昂，很多中小型企業(yè)難以承擔(dān)[1]。與此同時(shí)，人們對(duì)服飾的質(zhì)量和樣式的追求越來(lái)越高，而傳統(tǒng)的伺服系統(tǒng)運(yùn)動(dòng)精度低，縫紉機(jī)加工出來(lái)服飾質(zhì)量較差，不能滿(mǎn)足這樣的要求。因此本文對(duì)縫紉機(jī)伺服系統(tǒng)進(jìn)行了研究，設(shè)計(jì)出一種基于DSP的直流無(wú)刷電機(jī)伺服控制系統(tǒng)，精確的速度和位置控制，顯著提高縫紉機(jī)的工作效率和精度[2]。

1　硬件設(shè)計(jì)

1.1　硬件系統(tǒng)設(shè)計(jì)

文中采用TI公司的DSP（TMS320LF2407）作為主處理芯片，搭建了直流無(wú)刷電機(jī)伺服控制系統(tǒng)。硬件電路主要包括整流電路、驅(qū)動(dòng)電路、逆變電路和控制電路。硬件系統(tǒng)框圖如圖1所示。

圖1　硬件系統(tǒng)框圖

1.2　電源電路設(shè)計(jì)

如圖2所示為系統(tǒng)電源設(shè)計(jì)電路，本系統(tǒng)采用多電源供電，24 V主要用于電機(jī)供電，12 V用于功率模塊的供電，QD5V用電流檢測(cè)回路中的運(yùn)算放大器，而外接5 V、3.3 V用于DSP處理器供電。

圖2　電源電路

1.3　DSP最小系統(tǒng)設(shè)計(jì)

DSP的最小系統(tǒng)包括復(fù)位電路、濾波電路、晶振電路。為了滿(mǎn)足開(kāi)發(fā)的需求，對(duì)最小系統(tǒng)加入了鎖相環(huán)、JTAG接口、片外外存儲(chǔ)器以及指示燈。

1.4　功率驅(qū)動(dòng)模塊

為了控制簡(jiǎn)單可靠，本文采用智能功率模塊（IPM），選擇IR2136搭建了如圖3所示的功率驅(qū)動(dòng)電路。

1.5　逆變器

隨著電機(jī)轉(zhuǎn)速的提高，換相的速度也要求越來(lái)越快。因此本設(shè)計(jì)中采用高速大功率IGBT設(shè)計(jì)H橋電路，如圖4所示，和IR2136配合工作，形成無(wú)刷電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路。

1.6　電流檢測(cè)

圖3　IR2136智能功率模塊

圖4　H橋驅(qū)動(dòng)電路

目前對(duì)電流采樣較為常用的方法有電阻直接取樣法、利用霍爾元件（LEM）取樣法和利用電流互感器取樣法。其中電阻取樣法比較簡(jiǎn)單，故本設(shè)計(jì)采用這種方式進(jìn)行電流檢測(cè)。測(cè)試電阻選用康銅，其優(yōu)點(diǎn)有具有較低的電阻溫度系數(shù)，較寬的使用溫度范圍（480℃以下），加工性能良好。其檢測(cè)電路如圖5所示。

1.7　速度檢測(cè)

2　系統(tǒng)控制模型

2.1　無(wú)刷電機(jī)換相原理

直流無(wú)刷電動(dòng)機(jī)相當(dāng)于3個(gè)換向片的普通直流電動(dòng)機(jī)，不同的是它的換向是由開(kāi)關(guān)管（mos管，IGBT等）來(lái)完成的。因此，電樞繞組是靜止不動(dòng)的，而磁極旋轉(zhuǎn)[3-4]。直流無(wú)刷電動(dòng)機(jī)的工作原理如圖6所示。

圖5　電流檢測(cè)電路

當(dāng)依次使開(kāi)關(guān)管按61→12→23→34…的順序?qū)?，那么轉(zhuǎn)子也會(huì)以一定的順序依次轉(zhuǎn)過(guò)60度。下面主要從電機(jī)內(nèi)部磁場(chǎng)變化來(lái)分析一下其旋轉(zhuǎn)的原理。當(dāng)開(kāi)關(guān)管61導(dǎo)通時(shí)，此時(shí)的電流流向?yàn)椋弘娫凑龢O→開(kāi)關(guān)管1→A相繞組→B相繞組→開(kāi)關(guān)管6→電源負(fù)極。而這個(gè)時(shí)候定子磁勢(shì)Fa與C相繞組的軸線垂直，如圖6（a）所示。轉(zhuǎn)子磁極的磁勢(shì)設(shè)為Fr，定子磁場(chǎng)和轉(zhuǎn)子磁場(chǎng)方向的夾角為120度，故此時(shí)轉(zhuǎn)子順時(shí)針旋轉(zhuǎn)。當(dāng)轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)到Fr1的位置時(shí)，F(xiàn)a與Fr1的夾角為90度，此時(shí)電機(jī)的電磁轉(zhuǎn)矩到達(dá)最大。轉(zhuǎn)子繼續(xù)轉(zhuǎn)動(dòng)，當(dāng)轉(zhuǎn)到Fr2的位置時(shí)，F(xiàn)a與Fr2的夾角為60度，而這個(gè)時(shí)候就需要控制電路使開(kāi)關(guān)管2導(dǎo)通、開(kāi)關(guān)管6截止。電流的流向變?yōu)椋弘娫凑龢O→開(kāi)關(guān)管1→A相→C相→開(kāi)關(guān)管2→電源負(fù)極。此時(shí)Fa轉(zhuǎn)過(guò)60度，如6（b）所示，而Fa與Fr之間的夾角又變成120度。如此重復(fù)，始終保持Fa與Fr之間的夾角在60°～120°的范圍內(nèi)。在無(wú)刷電機(jī)中，由于定子磁勢(shì)與轉(zhuǎn)子磁勢(shì)之間的夾角是周期性變化的（60°～120°），所以其電磁轉(zhuǎn)矩也是脈動(dòng)的。

2.2　數(shù)學(xué)模型

和一般直流電機(jī)的電壓平衡方程，直流無(wú)刷電機(jī)的電壓平衡方程如下：

圖6　直流無(wú)刷電動(dòng)機(jī)工作原理圖

則三相定子繞組的電壓平衡方程可用如下?tīng)顟B(tài)方程表示：

分析以上狀態(tài)方程，可以把無(wú)刷電機(jī)等效成圖7的電路。

圖7　無(wú)刷電機(jī)等效電路

無(wú)刷電機(jī)的平均電磁轉(zhuǎn)矩：

其中 Ω=2πn/60；

在通電期間，無(wú)刷電機(jī)的通電直流導(dǎo)體處于相同的磁場(chǎng)下，通電相繞組的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)為

則星型連接的無(wú)刷電機(jī)繞組感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)

因此無(wú)刷電機(jī)的最終電磁轉(zhuǎn)矩可表示為

3　軟件設(shè)計(jì)

3.1　控制流程

如圖8所示為系統(tǒng)控制流程圖。

圖8　系統(tǒng)控制流程圖

3.2　換相控制流程

如圖9所示，HA、HB、HC為霍爾傳感器信號(hào)，表示為當(dāng)前電機(jī)轉(zhuǎn)子的位置。A、B、C代表電機(jī)的三相，在本設(shè)計(jì)的軟件控制中即采用上述的換相時(shí)序，成功地驅(qū)動(dòng)了電機(jī)。

圖9　電機(jī)換向流程

3.3　PID流程

所圖10所示為PID算法，此算法時(shí)該伺服系統(tǒng)的核心，其執(zhí)行率直接影響本系統(tǒng)的精度，因此放在中斷中。本系統(tǒng)采用了模糊自整定PID算法，處理器自動(dòng)調(diào)整PID參數(shù)[5]，其結(jié)構(gòu)如圖11所示。

4　結(jié)束語(yǔ)

圖10　PID算法

圖11　自適應(yīng)模糊PID

文中對(duì)工業(yè)縫紉機(jī)無(wú)刷直流電機(jī)伺服系統(tǒng)進(jìn)行了分析，實(shí)現(xiàn)了基于DSP的直流無(wú)刷伺服系統(tǒng)，改善了傳統(tǒng)縫紉機(jī)伺服系統(tǒng)的缺陷。同時(shí)，作者將本系統(tǒng)與當(dāng)前的縫紉機(jī)相結(jié)合，比較成功地達(dá)到了更高的縫紉精度和縫紉效率。

參考文獻(xiàn)：