工业平缝机电机调速系统设计研究

工业平缝机电机调速系统设计研究
摘要：针对工业平缝机，给出了一种以dsPIC30F6010数字信号处理器为核心的机电控制系统总体设计方案，并主要讨论了直流无刷电机的调速系统，完成了基于dsPIC30F6010的电压空间矢量SVPWM技术的实现，并采用电流/转速双闭环调速系统，配合积分分离的PI算法，有效的消除了积分饱和现象，使电机的调速过程更加快速平稳。

最后通过实验验证了该调速系统的有效性。

关键词：工业平缝机dsPIC30F6010 电压空间矢量电流/转速双闭环
我国虽是世界缝纫机生产中心和生产大国，但还不是强国。

目前为止，市场上的工业平缝机伺服控制系统大部分为国外和台湾的产品。

究其根本原因是，我国还没有或很少掌握产品开发的关键技术，创新能力差。

因此开发出稳定有效的机电控制系统，不仅具有较好的经济效益，还有利于提高我国工业缝纫机的应用水平和国际竞争力，具有较高的社会效益[1]。

1、伺服系统基本结构
工业平缝机电机伺服系统的硬件结构如图1所示。

它完整的表示了其电控系统的组成和结构原理：单相交流电源经过交流滤波器和缓冲电路后整流变成300V直流电，提供直流无刷电机运转所需的电源并通过开关电源提供系统工作所需的系统电源。

系统控制核心是数字信号控制器dsPIC30F6010，它强大的计算功能和丰富的集成外设完成了整个机电控制系统的功能实现。

图1 工业平缝机机电控制系统硬件框图
直流无刷电机额定转速为3000r/min，由智能功率模块IRAMX10UP60驱动，它集成了三相IGBT逆变器及其驱动与保护电路。

电机的电流信号由采样电阻获取，由于电机中性点不接引出线，只采集两相独立的电流信号即可。

电机的转速和转子位置信号由安装在电机机轴上的光电编码器获得。

电机通过皮带和必要的机械装置带动机针作往返运动。

为使针头能在缝纫机停转后停在操作者要求的位置（即上/下针位）上并且能准确执行自动切线、自动扫线的任务，在带动机针运动的机械转轴上还安装了另一套检测设备，以便在电机运转过程中获取到针头的位置信息。

整个伺服系统的控制电路以DSP为核心，它可以完成直流无刷电机传感器信号的采集和处理，实现电机在SVPWM驱动方式下工作以及平滑调速，并控制其它机构配合电机动作共同完成缝纫工作。

2、基于dsPIC30F6010的SVPWM方法
2.1 SVPWM方法
对于三相逆变器，规定当上桥臂的开关管导通时，状态为1，关断时状态为0，上下臂桥处于互补状态。

分别以a，b，c表示三个桥臂的开关状态，三个桥臂均只有0、1两种状态，因此a，b，c形成000、001、010、011、100、101、110、111共八种状态模式，其中000和111两种状态下逆变器输出电压为零，称为零状态。

三相逆变器输出的线电压矢量[]、相电压矢量[]与开关状态矢量[a b c]的关系为表达式(1)、(2)：
(1)
(2)
将开关状态a，b，c对应的状态代入方程，可以得到开关状态与对应的电压矢量之间的关系，结果可用图2所示的空间矢量图表示：
图2 基本电压空间矢量及其合成
将正六边形理解成一个正多边形来近似于一个圆，正多边形的边数越多，则定子形成的磁链矢量更逼近于一个圆形。

由于基本的非零电压空间矢量只有六个，而要获得尽可能多边的多边形旋转磁场，在没有更多逆变器开关状态的情况下，利用六个非零的基本电压空间矢量的线性组合来实现多逆变器开关状态。

以扇形区间1为例，非零矢量，分别作用，时间，先作用的称为主矢量，后作用的称为辅矢量，是作用的时间，为PWM波调制信号的周期，则有：
(3)
变换到直角坐标系有
(4)
为电机定子线电压有效值。

根据三角形的正弦定理，可以求出和的作用时间：
(5)
其中，，称为调节系数，改变电机转速，只需改变值即可。

由于，的时间之和小于PWM周期，故在一个周期剩余的时间里插入零状态000和111。

其作用时间
(6)
2.2 基于dsPIC30F6010的SVPWM波形的产生
本文利用全软件的方法生成对称的SVPWM波形。

首先判断当前电机处于哪个扇形区间，通过软件计算出输出电压矢量与基本电压空间矢量的夹角，再根据PWM周期计算出,,把，，装入对应的PDC占空比寄存器。

需要指出的是：逆
变器的上下臂桥处于互补模式；每个扇形区间均先插入000状态,后插入111状态,且作用时间相同；相邻扇形区间主辅矢量方向改变。

以第一扇形区为例，得到对称的输出波形如图3所示。

相关寄存器的配置如下：
TRISE=0xFF00;//设置为输出PWM信号.
PTPER=((unsigned long)FCY/FPWM)-1;//设置PWM时基
PTCON=0x0003;//PWM工作在双PWM更新中断的连续向上向下模式，后分频比为1：1
PWMCON1=0x00ff;//PWM1，PWM2，PWM3引脚处于互补的PWM输出模式
PWMCON2=0x0004;//后分频比设为1:1，立即更新使能
DTCON1=0x1414;
DTCON2=0x0000;//设置死区时间
图3 生成的对称SVPWM波形图
3、电机双闭环调速系统
对于传统的PWM波驱动调速方式，在占空比保持恒定的条件下，电机的转速随着负载的改变有明显的变化，特别是在负载较轻、电流出现断续时，转速的变化更大，这样的调速系统更无调速精度可言，只能用于调速要求不高的场合[2]。

为了保证调速的精度，一般需采用速度负反馈的办法形成所谓速度闭环控制系统，将期望速度与实际速度相比，用它们的偏差去控制逆变电路的输出电压，调节实际转速与期望转速吻合。

但若仅采用速度闭环，当速度发生突变时，逆变器的输出电压很大，可能引起电机电枢电流剧增，损坏逆变器。

为此，在调速系统中还必须采取限制电流冲击的措施。

为了获得较好的静态和动态性能，可采用电流/速度双闭环控制调速系统。

直流无刷电机双闭环系统结构图如图4所示：
图4 双闭环系统的动态结构图
双闭环调速系统结构上的特点是：将速度调节器的输出作为电流调节器的输入来控制电动机的电流和转矩。

这样做的好处在于可以根据给定速度与实际速度的偏差及时地控制电机的转矩，从而使在速度差值比较大时电机转矩大，速度变化快，以便尽快地把电机转速拉向给定值。

此外，由于电流环的等效时间常数一般比较小，当系统受到外来干扰时，它能比较迅速地作出响应，抑制干扰的影响，提高系统运行的稳定性和抗干扰能力。

4、实验结果
4.1 SVPWM算法下电机输出波形
当相电压为正弦波时，绕组的相电流为正弦波形状。

从图中可以看出，尽管受电机参数的影响和程序控制算法误差的制约，绕组相电流仍然能够顺利工作在360°电角度周期内，绕组相电流波形轮廓也为一个正弦波。

下图为电机三相霍尔和相电流实际测试波形图。

图5 电机霍尔及相电流波形图
4.2 双闭环调速系统性能测试
本文应用电流/转速双闭环方式实现对直流无刷电机的速度控制：转速环作为外环，依据系统输出和给定输入进行控制；电流环作为内环，其输入为转速环的输出，用来调节系统的工作电流保持恒定状态。

转速调节器和电流调节器可以采用不同的调节方式，本文均采用积分分离的PI算法。

为了进一步验证闭环系统的有效性及控制器参数设计的合理性，我们利用Matlab Simulink工具对设计方案进行建模仿真，仿真参数为：额定电压300v，电阻，电感L为，极对数为2，期望转速为。

图6-1为A相相电流波形：在电机启动期电流较大，随着转速的增加电流减小，并呈现正弦型变化。

图6-2为转速波形：电机可迅速达到指定期望转速，并平稳运行。

其仿真结果验证了理论上双闭环控制器的有效性。

图6-1 速度调节仿真图
图6-2 A相相电流仿真图
5、结语
作为世界上缝纫机使用量最大的国家，我国工业平缝机的机电控制系统却大多依赖进口。

本文在给出了工业平缝机总体方案设计的基础上，完成了基于dsPIC30F6010的电压空间矢量SVPWM技术的实现，并采用电流/转速双闭环调速系统，使电机的调速过程更加快速平稳。

最后通过电机实测波形及计算机软件仿真，证明了该调速系统的有效性。

参考文献
[1]刘峙飞.工业平缝机伺服控制系统研究[D].浙江大学博士学位论文,2005.
[2]戴晓星，顾晓河.基于TMS320F240的双闭环调速系统[J].机电工程2007,12:79-81
[3]唐一萌,唐永哲,王明亮.基于DSP的工业缝纫机用电机控制系统[J].电机与
控制应用.2008,35:29-32
[4]胡延苏,何德全,高昂.工业平缝机控制系统的软件构架设计[J].测控技术.2009,28(7):72-74.
[5]杨薇薇,沈安文等.基于DSP的工业缝纫机驱动控制器的研究与应用[J].机械研究与应用,2005,6:119-120.
[6]张峦国,杨喜军,雷淮刚.工业缝纫机系统的仿真与实验[J].微特电机2008,4:22-24.。