基于DSPIC的工業(yè)控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

摘要：介紹了一套基于直流無(wú)刷電機(jī)的工業(yè)縫紉機(jī)控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)，該系統(tǒng)特點(diǎn)是以霍爾信號(hào)的位置和電機(jī)的速度進(jìn)行估算，并在此基礎(chǔ)上實(shí)現(xiàn)對(duì)直流無(wú)刷電機(jī)的方波控制給出了控制系統(tǒng)硬件和軟件的實(shí)現(xiàn)方法。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明：該系統(tǒng)的生產(chǎn)成本比較低，也能夠滿足工業(yè)縫紉機(jī)的調(diào)速范圍大、動(dòng)態(tài)性能好等技術(shù)指標(biāo)。
關(guān)鍵詞：工業(yè)縫紉機(jī)；直流無(wú)刷電機(jī)；數(shù)字信號(hào)控制器

近年來(lái)，我國(guó)服裝工業(yè)迅猛發(fā)展，對(duì)工業(yè)縫紉機(jī)的性能也就提出了越來(lái)越高的要求。以直流無(wú)刷電機(jī)為動(dòng)力單元的工業(yè)縫紉機(jī)正在占領(lǐng)原始縫紉機(jī)市場(chǎng)。直流無(wú)刷電機(jī)相比離合器電機(jī)具有體積小、動(dòng)態(tài)性能好、控制方便等優(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(lái)計(jì)算電機(jī)的位置和速度，此系統(tǒng)的優(yōu)點(diǎn)是能準(zhǔn)確得到電機(jī)當(dāng)前位置，缺點(diǎn)是成本較高。
本文以直流無(wú)刷電機(jī)為控制對(duì)象，提出了一種無(wú)需光電碼盤，而以霍爾信號(hào)為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)的硬件設(shè)計(jì)
1．1 系統(tǒng)的性能指標(biāo)
工業(yè)縫紉機(jī)大部分功能的實(shí)現(xiàn)最終都需依靠伺服電機(jī)控制系統(tǒng)完成，所以伺服系統(tǒng)的性能好壞是影響控制器性能的關(guān)鍵。其主要的性能指標(biāo)要求如下：
(1)起停迅速。因?yàn)槠鹜r(shí)間涉及劍服裝加工的生產(chǎn)效率，所以縫紉機(jī)操作人員對(duì)設(shè)備起停時(shí)間要求較高，啟停時(shí)間在200 ms和120 ms以內(nèi)。
(2)定位精確?？p制過(guò)程結(jié)束后需要自動(dòng)上下停針，要求機(jī)針定位精確，這影響到是否能順利切線和撥線等操作，一般要求定位精度控制在±5°以內(nèi)。
(3)起停非常頻繁，一天需要工作16個(gè)小時(shí)以上，而且工作環(huán)境灰塵非常大，對(duì)控制器硬件電路的可靠性有很高的要求。
(4)調(diào)速范圍寬和速度精度高。實(shí)現(xiàn)無(wú)級(jí)變速，調(diào)速范圍200～5 000 r／min，速度控制精度±5 r／min。
1．2 硬件方案設(shè)計(jì)
鑒于工業(yè)縫紉機(jī)伺服系統(tǒng)的性能指標(biāo)，硬件控制單元采用Microchip公司新推出的主要針對(duì)電機(jī)控制的16位DSC控制芯片DSP IC33F。它具有一個(gè)16位CPU和一個(gè)DSP內(nèi)核，除常見(jiàn)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(jiǎn)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(guò)編程可產(chǎn)生互補(bǔ)的三相6路PWM波形。可通過(guò)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。芯片內(nèi)既有快速DSP運(yùn)算引擎，又有PIC單片機(jī)的接口驅(qū)動(dòng)能力，最高可以運(yùn)行至40 M IPS。芯片還為三相電機(jī)驅(qū)動(dòng)控制設(shè)汁了8路PWM驅(qū)動(dòng)、正交編碼器接口和12位ADC等專用功能單元。功率電路采用智能功率模塊IRAMS10UP60B為主體電路，針對(duì)工業(yè)縫紉機(jī)控制功能單一、管腳需求少和直流無(wú)刷電機(jī)驅(qū)動(dòng)實(shí)時(shí)性強(qiáng)、運(yùn)算復(fù)雜的特點(diǎn)，采用上述型號(hào)的DSC芯片可以構(gòu)建一款簡(jiǎn)捷的驅(qū)動(dòng)控制系統(tǒng)，該系統(tǒng)所需接口少，所用輔助線路少。因此可以有效的降低成本。整個(gè)硬件系統(tǒng)的原理框圖如圖1所示：

如圖1所示，交流220 V電壓經(jīng)過(guò)整流濾波之后為IPM模塊提供直流電源。DSP根據(jù)捕獲的霍爾位置信號(hào)確定轉(zhuǎn)子的當(dāng)前位置并計(jì)算電機(jī)的轉(zhuǎn)速。輸出的PWM經(jīng)過(guò)智能功率模塊IRAMS10UP60開(kāi)啟相應(yīng)的MOS管，逆變產(chǎn)生三相電壓供給無(wú)刷直流電動(dòng)。電機(jī)驅(qū)動(dòng)工業(yè)縫紉機(jī)的機(jī)頭進(jìn)行工作。調(diào)節(jié)調(diào)速盒可以改變電機(jī)轉(zhuǎn)速。其中IPM模塊自身帶有檢測(cè)過(guò)溫過(guò)流的電路，如檢測(cè)到過(guò)溫過(guò)流，立刻封鎖PWM波形，并且把故障信號(hào)送到DSP進(jìn)行處理。