工业缝纫机控制系统设计

2011-06-19孙永奎

微特电机 2011年7期

刘登，李辉，孙永奎

(1.电子科技大学，四川成都611731;2.西南交通大学，四川成都610031)

0 引言

近年来，我国服装加工业的迅猛发展造成了我国工业缝纫机的供不应求［1］，但随着劳动成本的上升等各种因素的影响，加工企业对工业缝纫机的性能提出了越来越高的要求。目前市场上的离合器电机已无法满足工业缝纫机的性能要求，而以永磁同步电机为主流动力单元的工业缝纫机正在占领大部分缝纫机市场。永磁同步电机相比离合器电机具有体积小、动态性能好、控制方便、高功率密度等优点。新一代的工业缝纫机控制系统大部分带有光电码盘作为位置反馈来计算电机的位置和速度，这种系统的优点是能准确得到电机的当前位置，缺点是成本较高。而且在大部分的缝纫过程中不需要如此精确地计算电机的当前位置。所以如何能够设计开发一款性能较高、成本较低的工业缝纫机控制系统成为许多厂家的心声。

本文以永磁同步电机为控制对象，提出了一种无需光电码盘，而以霍尔信号为单反馈的高性能低成本的工业缝纫机控制系统的方案。

1 系统硬件设计

本系统硬件平台以 16位微控制器dsPIC33FJ16MC304和智能功率模块IRAMS10UP60B为主体结构，外围添加相应辅助电路，完成工业缝纫机的硬件系统搭建。硬件原理框图如图1所示。

图1 硬件原理框图

基本控制过程如下:dsPIC33FJ16MC304根据捕获到的霍尔位置信号确定转子的当前位置并计算电机的当前转速。通过矢量控制算法和PID算法计算各个PWM输出通道的有效值。输出的PWM经驱动芯片IRAMS10UP60B开启相应的MOSFET，使得电机中相应绕组通过电流，电机按给定方向连续转动。调节调速盒相应信号，可以改变电机转速。

系统中的主控芯片dsPIC33fj16mc304是专门为电机高速控制所设计的一款16位微处理器。它具有一个16位CPU和一个DSP内核，除常见外设外，该芯片有一个6通道的电机专用MCPWM控制器。此装置大大简化了产生脉宽调制(PWM)波形的控制软件和外部硬件，通过编程可产生互补的三相6路PWM波形。可通过编程设置死区时间防止同一桥臂上2个功率管发生直通造成短路。

驱动芯片选用美国国际整流公司的IRAMS10UP60B模块。它内部集成了驱动芯片IR21365和三相全桥电路。还设计有过流电阻用来对主电路进行过流保护。内部自举电路的巧妙应用，使它可用于高压系统，它还可对同一桥臂上下两功率MOS器件的栅极驱动信号产生290 ns的死区时间，使设计进一步简化系统硬件电路，减少体积，提高可靠性。MOS管峰值电流可达15 A;耐压600 V，满足要求。

图2 电流检测原理图

为了避免模块因过流而出现故障或者烧坏的危险，需要对主回路的电流进行实时检测并进行处理，图2为电流检测的电路图。电流信号CURRENT_SENSE经过C15滤波后通过U6进行放大。放大后的信号为1.8～3.2 V，可直接对该信号进行AD采样处理。其中C15的选取很关键，因为电流信号会受到很多干扰，由于后级是放大电路，C15选取不合适会将干扰信号进行放大返回给主控芯片，这会对主芯片的计算造成很大的误差。实际电路设计中C15是根据仿真结果得到的，这里取1 μF。

2 控制策略及软件设计

2.1 电机运转控制策略

本设计方案采用SVPWM(空间矢量脉宽调制)方式对电机实现有效控制，SVPWM控制的基本原理是:以三相对称正弦波电压供电时三相对称电动机定子理想磁链圆为参考标准，以三相逆变器不同开关模式作适当的切换，从而形成PWM波，以所形成的实际磁链矢量来追踪其准确磁链圆。传统的SPWM方法从电源的角度出发，以生成一个可调频调压的正弦波电源，而SVPWM方法将逆变系统和电动机看作一个整体来考虑，模型比较简单，同时可以较好地改善电源电压的利用效率［2］。

普通的三相全桥是由六个开关器件构成的三个半桥。这六个开关器件组合起来(同一个桥臂的上下半桥的信号相反)共有8种安全的开关状态，其中000、111(这里表示三个上桥臂的开关状态)，这两种开关状态在电机驱动中都不会产生有效的电流，因此称其为零矢量。另外6种开关状态分别是六个有效矢量。它们将360°的电压空间分为60°一个扇区，共六个扇区。

利用这六个基本有效矢量和两个零量，可以合成360°内的任何矢量。

如图3所示。空间矢量调制可采用相邻两个基本空间矢量的矢量和来表征任一合成矢量［3］。

图3 空间矢量调制

图4 为矢量合成的基本原理，Uout为需要得到的平均矢量，且位于U0和 U60之间，如果在给定 PWM周期 T内，U的作用时间为而U的作用时间为060，则整个周期内的合成矢量为Uout。只要知道Uout与U0之间的夹角θ，即可求得:

图4 平均空间矢量调制

将图4的计算结果输出到各路PWM通道中，得到波形如图5所示。dsPIC33FJ16MC304器件配置为中心对齐PWM模式。它的优点是将在每一个周期内产生两个线－线脉冲。带来的好处是有效的开关频率加倍了，纹波电流会相应减小。

图5 周期T内的PWM

产生的线－线电压如图6所示。满幅输出的三相正弦电压施加到电机绕组。Va、Vb、Vc分别表示定子三相绕组电压。

2.2 转子位置估算

式(1)和式(2)中所用的θ为合成矢量和U0的夹角，该夹角可以用来表征当前转子所在位置。结合图3介绍只有霍尔反馈的情况下如何计算θ角。当转子转过U0时，通过霍尔中断我们可以判断当前角度为θ=0°，假设当前电机的平均转速为V，则可以求得电机转过60°电角度所花时间(设为T3)。PWM中断周期固定为T，则下一次PWM中断时用来计算的依次后面的PWM中断中的θ也可由此计算得出。

图6 使用SVM时的线－线电压波形

上面计算中的平均速度V在实际操作中是近似的。对于N对极的电机，一个机械周期中包含有N个电周期，即包含有6 N个60°电周期，在速度不是特别高的情况下，可以用该扇区的起始速度来代替该扇区的平均速度。

2.3 电机速度估算

设电机最高速度为Vh，对于N对极电机，可以计算出当电机以最高速运转时其转过180°电角度的时间T4，由于电机正常运转时速度小于Vh，则电机在正常运转过程中其转过180°电角度的时间T5会大于等于T4。所以可以计算出当前电机速度Vc如果电机Vh过小，可以以60°为基本单位对速度进行估算，其原理相同。

2.4 刹车控制策略

在接到刹车命令后，关断所有PWM输出，待测得母线电流减小到一定值时，给电机施加一个固定矢量，相当于给定子通直流电(矢量大小决定电流大小)。从而产生一个固定不变的磁场，此时，转子按旋转方向切割磁力线，产生一个制动力矩。刹车过程中的电流变化如图7所示。

图7 刹车过程中的电流波形

2.5 软件设计

控制部分的软件内嵌于dsPIC33FJ16MC304的程序存储器中，由C语言实现，主要由主函数和中断服务子程序两部分组成。

主程序的流程图如图8所示，系统一开始先进行自检，包括对电压、霍尔接口、调速信号等检查，如果其中有一项出错，系统将重新开始一轮自检，如果一切正常，系统将对相应的寄存器及AD模块，PWM模块初始化，接着使能各个相关中断，最后进入一个死循环过程，等待着中断的发生。

中断服务子程序:主要包括定时器中断，输入捕捉中断，AD中断及PWM中断、输入捕捉中断用来获取霍尔信号，并根据电机转向给出下一个扇区值。AD中断主要用来采样调速信号值，根据计算给出当前期望的速度值，同时在中断中采样当前电机的平均电流值，与设定的最大电流值进行比较，决定是否进行过流保护。定时器中断主要完成速度的调节，包括速度估算、相位增量计算以及PID调节。PWM中断主要负责矢量变换的计算，如图9所示。进入中断之后，当前相位加上相位增量得到新的当前相位，判断当前相位是否超过所在扇区的最大相位，未超过则进行矢量逆变换即SVM计算，如果超过将当前相位值限定为所在扇区的最大相位，然后进行SVM计算。最后将计算出来的占空比值赋给相应的占空比寄存器。

图10 PID调节流程图

在调速系统中采用积分分离和积分饱和相结合的数字PID调节方法，流程图如图10所示。程序根据AD的采样值产生一个给定值，将实际测得值和给定值进行比较计算后得到当前速度差e，由于起动时e会比较大，所以如果在起动时采用传统的PID调节方法，容易引起过大的超调，这对于电机的损伤非常大，这里采用积分分离的方法能有效地避免上述情况的发生。积分分离即在偏差e大于设定偏差ε时只对e进行比例和微分作用，当偏差e小于设定偏差ε时使用传统PID进行调节。在积分分离完成之后，程序会对输出量进行判断，判断输出量是否在最大输出量允许范围之内，如果已经饱和，则将最大输出量作为当前的调节输出量。这里最大输出量和速度的关系如图11所示，曲线中速度和电压的关系主要是控制主回路电流在电机的承受范围之内。