工业缝纫机控制系统设计

电机绕 Vb 、 V c 分别表示定 组。V a 、 子三相绕组电压。 2 ． 2 转子位置估算
图6 使用 SVM 时的 线 － 线电压波形
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 3 合图 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 假设当前电机的平均转速为 V， 则 前角度为 θ = 0 ° ， 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 θ = θ + T 60 ° 。 依次后面的 PWM 中断 T3
驱动控制 rive and control 1 1 2 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 ） 摘 要： 介绍了一套基于永磁同步电机的工业缝纫机控制系统的设计与实现， 该系统特点是以霍尔信号对转子 的位置和电机的速度进行估算， 并在此基础上实现对永磁同步电机的正弦控制 。 硬件采用 dsPIC33FJ16MC304 和智 能功率模块相搭配的主体结构， 软件以空间矢量算法和 PID 算法相结合的控制策略实现工业缝纫机的各种功能要 性能好， 可满足工业缝纫机功率密度高 、 速度范围大， 动态性能好等技术指标 。 求。实验表明： 该系统成本低、 关键词： 永磁同步电机； 工业缝纫机； 霍尔信号； 空间矢量控制 中图分类号： TM351 文献标识码： A 文章编号： 1004 － 7018 （ 2011 ） 07 － 0063 － 04 Design of Control System for Industrial Sewing Machine Based on PMSM 1 1 2 LIU Deng ， LI Hui ， SUN Yong － kui （ 1． University of Electronic Science and Technology of China， Chengdu 611731 ， China； 2． Southwest Jiaotong University， Chengdu 610031 ， China） Abstract： The control system design and implementation of PMSM used on Industrial Sewing Machine was introduced in this paper． It features that the Hall signal was used to estimate the position of the rotor and speed of the motor，and on this basis to achieve the sinusoidal control of PMSM． The main structure of the pardware platform was set up by and the SVPWM and PID were used in the software to satisfy the requirements of industrial dsPIC33FJ16MC304 and IPM， sewing machine． Experimental results show that the system is of lower cost， better performance and can meet the require ments of industrial sewing machine with high power density， wide speed range and good dynamic performance． Key words： PMSM； industrial sewing machine； Hall signal； SVPWM 成本的工业缝纫机控制系统的方案 。 0引 言 1 系统硬件设计 近年来， 我国服装加工业的迅猛发展造成了我 ［1 ］ 国工业缝纫机的供不应求 ， 但随着劳动成本的上 本 系 统 硬 件 平 台 以 16 位 微 控 制 器 dsPIC33FJ16MC304 和 智 能 功 率 模 块 升等各种因素的影响， 加工企业对工业缝纫机的性 IRAMS10UP60B 为主体结构， 能提出了越来越高的要求。目前市场上的离合器电 外围添加相应辅助电 机已无法满足工业缝纫机的性能要求， 而以永磁同 路， 完成工业缝纫机的硬件系统搭建。 硬件原理框 步电机为主流动力单元的工业缝纫机正在占领大部 图如图 1 所示。 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 工 的优点是能准确得到电机的当前位置， 缺点是成本 业 缝 较高。而且在大部分的缝纫过程中不需要如此精确 图 1 硬件原理框图 纫 机 地计算电机的当前位置。所以如何能够设计开发一 基本控制过程如下： dsPIC33FJ16MC304 根据捕 控 款性能较高、 成本较低的工业缝纫机控制系统成为 获到的霍尔位置信号确定转子的当前位置并计算电 制 系 许多厂家的心声。 机的当前转速。通过矢量控制算法和 PID 算法计算 统 设 本文以永磁同步电机为控制对象， 提出了一种 各个 PWM 输出通道的有效值。 输出的 PWM 经驱 计 无需光电码盘， 而以霍尔信号为单反馈的高性能低 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 63 动。调节调速盒相应信号， 可以改变电机转速。 收稿日期： 2010 － 07 － 02
2011 年第 7 期
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工业缝纫机控制系统设计
调压的正弦波电源， 而 SVPWM 方法将逆变系统和 模型比较简单， 同时可 电动机看作一个整体来考虑 ， 64 以较好地改善电源电压的利用效率［2］。
工 业 缝 纫 机 控 制 系 统 设 计
驱动控制 2011 年第 7 期 rive and control 系统中的主控芯片 dsPIC33fj16mc304 是专门为 普通的三相全桥是由六个开关器件构成的三个 电机高速控制所设计的一款 16 位微处理器。 它具 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， 除常见外设外， 其 有一个 16 位 CPU 和一个 DSP 内核， 该芯片有一个 6 通道的电机专用 MCPWM 控制器。 111 （ 这里表示三个上桥臂的开关状态 ） ， 这 中 000 、 两种开关状态在电机驱动中都不会产生有效的电 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， 流， 通过编程可产生互补的三相 6 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 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。 个 扇 区， 共 六 个 扇 区。 驱动 芯 片 选 用 美 国 国 际 整 流 公 司 的 利用这六个基本有效矢 IRAMS10UP60B 模 块。 它 内 部 集 成 了 驱 动 芯 片 量和 两 个 零 量， 可以合 成 360° 内 的 任 何 矢 量。 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 如图 3 所示。 空间矢量 图 3 空间矢量调制 使它可用于高压系统， 它还可对同一桥臂上下两 调制可采用相邻两个基 用， ［3 ］ 功率 MOS 器件的栅极驱动信号产生 290 ns 的死区 本空间矢量的矢量和来表征任一合成矢量 。 使设计进一步简化系统硬件电路， 减少体积， 图 4 为矢量合成的 时间， 提高可靠性。MOS 管峰值电流可达 15 A； 耐压 600 U out 为需要得 基本原理， 满足要求。 且位 于 到的平均矢量， V， U0 和 U60 之间， 如果在 给 定 PWM 周 期 T 内， 图 4 平均空间矢量调制 T1 T2 U0 的作用时间为 而 U60 的作用时间为 ， 则整个 T T 周期内的合成矢量为 U out 。 只要知道 U out 与 U0 之 间的夹角 θ， 即可求得： 图 2 电流检测原理图 3 为了避免模块因过流而出现故障或者烧坏的危 U out sin θ = T2 cos θT2 = 槡 U out sin θ （ 1 ） 2 险， 需要对主回路的电流进行实时检测并进行处理 ， 3 图 2 为电流检测的电路图。 电流信号 CURRENT _ T1 + T2 cos60 = U out cosθT1 = U out cos θ － 槡 U out sin θ 4 SENSE 经过 C15 滤波后通过 U6 进行放大。 放大后 （ 2） 的信号为 1． 8 ～ 3． 2 V， 可直接对该信号进行 AD 采 将图 4 的计算结果输出到各路 PWM 通道中， 。其中 C15 的选取很关键， 样处理 因为电流信号会受 得到波形如图 5 所示。 dsPIC33FJ16MC304 器件配 C15 选取不合适 到很多干扰， 由于后级是放大电路， 置为中心对齐 PWM 模式。它的优点是将在每一个 ， 会将干扰信号进行放大返回给主控芯片 这会对主 周期内产生两个线 － 线脉冲。带来的好处是有效的 芯片的计算造成很大的误差。实际电路设计中 C15 开关频率加倍了， 纹波电流会相应减小。 ， 1 F。 是根据仿真结果得到的 这里取 μ 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 ）