基于DSP的工業(yè)縫紉機(jī)用電機(jī)控制系統(tǒng)

引言

　　根據(jù)工業(yè)縫紉機(jī)的性能，提出了一套以DSP為核心的永磁同步電機(jī)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案。詳述了其關(guān)鍵部分的功能與實(shí)現(xiàn)方法，設(shè)計(jì)了電路原理圖，完成了系統(tǒng)軟、硬件設(shè)計(jì)和系統(tǒng)的安裝；并對(duì)樣機(jī)系統(tǒng)的各項(xiàng)性能進(jìn)行了測試。很好地實(shí)現(xiàn)了系統(tǒng)的調(diào)速范圍寬、定位精度高的要求，增強(qiáng)了產(chǎn)品的市場競爭力。

　　傳統(tǒng)的工業(yè)縫紉機(jī)，主軸驅(qū)動(dòng)大多采用離合器電機(jī)，縫制過程中的動(dòng)作都靠機(jī)械和人工配合完成，存在效率低、體積大、調(diào)速范圍窄、位置控制難、自動(dòng)化程度低。另一方面，傳統(tǒng)的工業(yè)縫紉機(jī)，由于主軸驅(qū)動(dòng)靠離合器電機(jī)，通電后不管機(jī)器是否正處于縫制狀態(tài)，電機(jī)都一直在高速運(yùn)轉(zhuǎn)耗電，不能實(shí)現(xiàn)有縫制動(dòng)作時(shí)機(jī)器運(yùn)轉(zhuǎn)，沒有縫制動(dòng)作時(shí)機(jī)器停止，從而造成了大量電能浪費(fèi)。

　　近年來德國杜克普，日本重機(jī)，日本兄弟等國外公司，相繼推出了縫紉機(jī)電腦控制系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了縫制動(dòng)作的自動(dòng)化，大大提高了工作效率，降低了能耗，深受市場歡迎，但其價(jià)格一直居高不下，國內(nèi)一般企業(yè)很難承受。為此開發(fā)低能耗、高可靠性，能實(shí)現(xiàn)較寬的調(diào)速范圍、精確快速的位置控制并且價(jià)格低廉的高速工業(yè)縫紉機(jī)控制系統(tǒng)，替代進(jìn)口，將會(huì)具有很好的市場前景。

系統(tǒng)設(shè)計(jì)

　　系統(tǒng)設(shè)計(jì)完成的是整體電控縫紉機(jī)的總體技術(shù)方案，它是完成電控縫紉機(jī)設(shè)計(jì)的最關(guān)鍵的一個(gè)步驟，該電控系統(tǒng)主要包括控制器、驅(qū)動(dòng)器、電機(jī)、編碼器、傳感器、電磁鐵等幾個(gè)部分，系統(tǒng)框圖如圖1所示。

控制器

　　圖1的控制器作為工業(yè)縫紉機(jī)控制系統(tǒng)的核心，一方面產(chǎn)生伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)信號(hào)，送給驅(qū)動(dòng)器控制縫紉機(jī)完成定針位，并完成各種不同線跡的控制功能，另一方面產(chǎn)生開關(guān)信號(hào)給功率開關(guān)電路，完成縫紉機(jī)的剪線、撥線、前后加固、抬壓腳等動(dòng)作?？刂破鞯膭?dòng)作需要電機(jī)編碼器信號(hào)、機(jī)頭同步信號(hào)、腳踏板加減信號(hào)、電機(jī)電流傳感器信號(hào)等信號(hào)的參與運(yùn)算，以協(xié)調(diào)整個(gè)機(jī)器完成相應(yīng)動(dòng)作。該控制器的硬件電路如圖2所示。

　　該控制器的主體核心采用TMS320F2406 DSP(U4)進(jìn)行程序編程，以實(shí)現(xiàn)對(duì)永磁同步電機(jī)實(shí)行磁場定向控制。對(duì)永磁同步電機(jī)實(shí)行磁場定向控制的原理框圖如圖3。

圖3 永磁同步電機(jī)實(shí)行磁場定向控制的原理框圖

　　通過電流傳感器測量逆變器輸出的定子電流iA、iB，經(jīng)過DSP的A/D轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換成數(shù)字量，并利用iC=-(iA+ iB)計(jì)算出iC。通過Clarde變換將電流iA、iB、iC變換成旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系中的直流分量isq、isd，isq、isd作為電流環(huán)的負(fù)反饋量。

　　利用增量式編碼器測量電動(dòng)機(jī)的機(jī)械轉(zhuǎn)角位移qm，并將其轉(zhuǎn)換成電角度qe和轉(zhuǎn)速n。電角度qe用于參與Park變換和逆變換的計(jì)算。轉(zhuǎn)速n作為速度環(huán)的負(fù)反饋量。

　　給定轉(zhuǎn)速nref與轉(zhuǎn)速反饋量n的偏差經(jīng)過速度PI調(diào)節(jié)器，其輸出作為用于轉(zhuǎn)矩控制的電流q軸參考分量isqref。isqref和isdref(等于零)與電流反饋量isq、isd的偏差經(jīng)過電流PI調(diào)節(jié)器，分別輸出dq旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系的相電壓分量Vsqref和Vsdref。Vsqref和Vsdref再通過park逆變換轉(zhuǎn)換成a b直角坐標(biāo)系的定子相電壓矢量的分量Vsaref和Vsbref。

　　當(dāng)定子相電壓矢量的分量Vsaref、Vsbref和其所在的扇區(qū)數(shù)已知時(shí)，就可以利用電壓空間矢量SVPWM技術(shù)，產(chǎn)生PMW控制信號(hào)來控制逆變器。

驅(qū)動(dòng)器

　　驅(qū)動(dòng)器是系統(tǒng)的功率變換部分，是驅(qū)動(dòng)電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)的關(guān)鍵部分，該部份包括整流、逆變、前置驅(qū)動(dòng)、SVPWM驅(qū)動(dòng)輸出、電流檢測及多種保護(hù)功能。硬件電路如圖4所示。

　　電流環(huán)的運(yùn)算需要DSP對(duì)電機(jī)相電流的檢測 ，該系統(tǒng)設(shè)計(jì)只需要采集兩相的電流(圖3中iA，iB)，根據(jù)電流定理就可以知道第三相的電流了。本系統(tǒng)所采用電流傳感器為LEM(萊姆)公司的LTS6-NP，如圖4中U2，U3，其為霍爾型電流傳感器。

　　圖4中的IR2136(U1)是IR公司的高壓IGBT驅(qū)動(dòng)器，它接受來自DSP的6路PWM信號(hào)，處理后驅(qū)動(dòng)圖4中6只IGBT(Q1-Q6)，產(chǎn)生SVPWM信號(hào)，控制永磁同步電機(jī)的運(yùn)轉(zhuǎn)，以達(dá)到理想的伺服控制性能。

編碼器

　　永磁同步電機(jī)精確控制離不開編碼器，DSP只有通過對(duì)編碼器A、B信號(hào)及U、V、W信號(hào)的檢測計(jì)算，才能完成電機(jī)仍至整個(gè)系統(tǒng)的精確控制。另一方面，我們只有自己設(shè)計(jì)并制作編碼器，才可將價(jià)格降到最低限度。

　　圖5為編碼器硬件圖，U1(HEDS9701)采集A、B信號(hào)，PH-U、PH-V、PH-W三只光電開關(guān)檢測產(chǎn)生U、V、W信號(hào)，它們與碼盤一起裝在電機(jī)內(nèi)，檢測電機(jī)轉(zhuǎn)速、判斷轉(zhuǎn)子位置,并將采集信號(hào)送給DSP。DSP(TMS320F2406)內(nèi)部帶有正交編碼模塊，從編碼器輸出的正交信號(hào)輸入DSP的PHASEA引腳和PHASEB引腳，內(nèi)部的正交編碼模塊將信號(hào)進(jìn)行四倍頻，再由位置計(jì)數(shù)器計(jì)數(shù)從而可以確定轉(zhuǎn)子的速度和位置。

　　PHASEA和PHASEB的輸入信號(hào)首先必須通過一個(gè)干擾信號(hào)濾波器，該濾波器可以數(shù)字延時(shí)，可以濾除毛刺，保證只有真正的信號(hào)才進(jìn)行計(jì)數(shù)。同時(shí)對(duì)于只用單個(gè)信號(hào)的控制，均可配置為單個(gè)的脈沖計(jì)數(shù)。

　　對(duì)于一個(gè)高速轉(zhuǎn)軸編碼器，轉(zhuǎn)軸速度可以通過計(jì)算每單位時(shí)間內(nèi)位置計(jì)數(shù)器的變化值來得到。對(duì)于電機(jī)低速時(shí)，由于輸入PHASEA和PHASEB與通用定時(shí)器相連均可作為輸入捕捉引腳，可以利用定時(shí)器測量正交相位之間的時(shí)間周期來得到高分辨率的速度測量。定時(shí)器模塊利用一個(gè)16位的計(jì)數(shù)器，通過對(duì)總線時(shí)鐘的分頻來計(jì)數(shù)。對(duì)于一個(gè)1000齒的編碼器來說，通過利用定時(shí)器測量速度可以精確測量到0.15轉(zhuǎn)每分。

機(jī)頭同步定位器

　　編碼器是裝在電機(jī)里，而機(jī)頭同步定位器則是裝在機(jī)頭里，它們均屬于傳感器的范疇。

　　微機(jī)控制縫紉機(jī)的一個(gè)重要指標(biāo)是停機(jī)位置的準(zhǔn)確度，這里包括上針位和下針位的停機(jī)，所以，縫紉機(jī)在這兩個(gè)位置必須各給出一個(gè)信號(hào)，DSP才可以通過檢測這兩個(gè)信號(hào)來控制電機(jī)停止，這是機(jī)頭同步定位器的主要作用。另外電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)通過皮帶與機(jī)頭連接傳動(dòng)，皮帶可能存在打滑現(xiàn)象，只有結(jié)合電機(jī)編碼器信號(hào)與機(jī)頭同步信號(hào)，才能準(zhǔn)確判斷系統(tǒng)狀態(tài)，從而保證系統(tǒng)運(yùn)轉(zhuǎn)在最佳狀態(tài)。

　　上下針位信號(hào)的產(chǎn)生主要是依靠安裝在機(jī)頭上的兩塊極性相反的磁鐵(跟著電機(jī)旋轉(zhuǎn))，對(duì)兩個(gè)相反安裝的開關(guān)型霍爾傳感器(固定)作用，即每塊磁鐵僅對(duì)應(yīng)一個(gè)傳感器起作用。當(dāng)機(jī)頭旋轉(zhuǎn)到上針位或下針位位置上時(shí)，相應(yīng)的開關(guān)霍爾傳感器因?yàn)榇艌龅竭_(dá)其跳變的閾值，而產(chǎn)生輸出跳變，也就是需要的開關(guān)信號(hào)，即機(jī)頭同步信號(hào)。我們選用Allegro公司的U3144，應(yīng)用方便，性能穩(wěn)定。

　　在整個(gè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)中我們強(qiáng)調(diào)了可靠性設(shè)計(jì)，對(duì)系統(tǒng)中的敏感信號(hào)都加強(qiáng)了保護(hù)，以符合電磁兼容的要求。在程序設(shè)計(jì)中強(qiáng)調(diào)了指令的精簡及信號(hào)的多次確認(rèn)，以提高運(yùn)算結(jié)果的快速性與準(zhǔn)確性。在設(shè)計(jì)中還引入了多種保護(hù)措施，如過流、過壓、過載、堵轉(zhuǎn)等狀態(tài)下，系統(tǒng)都將立即進(jìn)入保護(hù)狀態(tài)，以保證系統(tǒng)穩(wěn)定可靠。

結(jié)語

　　目前該縫紉機(jī)控制系統(tǒng)已開發(fā)成功，并進(jìn)行了小批量生產(chǎn)。從實(shí)際使用效果看，該控制技術(shù)實(shí)現(xiàn)了縫紉機(jī)針位控制的快速性與準(zhǔn)確性，保證了高低速運(yùn)行的平穩(wěn)性，同時(shí)使縫紉機(jī)具備了自動(dòng)剪線、自動(dòng)撥線、自動(dòng)前后加固的功能?；贒SP的磁場定向控制技術(shù)是運(yùn)用于縫紉機(jī)電氣控制系統(tǒng)的突破口，它的成功開發(fā)，其意義不僅在于可以在工業(yè)縫紉機(jī)電控系統(tǒng)中獲得較高的性能，另外可將該技術(shù)演化到其他種類的縫制紡織設(shè)備中去，以實(shí)現(xiàn)針位控制的快速性與準(zhǔn)確性。