基于DSPIC的工業(yè)控制系統的設計

摘要：介紹了一套基于直流無(wú)刷電機的工業(yè)縫紉機控制系統的設計與實(shí)現，該系統特點(diǎn)是以霍爾信號的位置和電機的速度進(jìn)行估算，并在此基礎上實(shí)現對直流無(wú)刷電機的方波控制給出了控制系統硬件和軟件的實(shí)現方法。實(shí)驗結果表明：該系統的生產(chǎn)成本比較低，也能夠滿(mǎn)足工業(yè)縫紉機的調速范圍大、動(dòng)態(tài)性能好等技術(shù)指標。
關(guān)鍵詞：工業(yè)縫紉機；直流無(wú)刷電機；數字信號控制器

近年來(lái)，我國服裝工業(yè)迅猛發(fā)展，對工業(yè)縫紉機的性能也就提出了越來(lái)越高的要求。以直流無(wú)刷電機為動(dòng)力單元的工業(yè)縫紉機正在占領(lǐng)原始縫紉機市場(chǎng)。直流無(wú)刷電機相比離合器電機具有體積小、動(dòng)態(tài)性能好、控制方便等優(yōu)點(diǎn)。新一代的工業(yè)縫紉機控制系統大部分帶有光電碼盤(pán)作為位置反饋來(lái)計算電機的位置和速度，此系統的優(yōu)點(diǎn)是能準確得到電機當前位置，缺點(diǎn)是成本較高。
本文以直流無(wú)刷電機為控制對象，提出了一種無(wú)需光電碼盤(pán)，而以霍爾信號為反饋的高性能低成本的工業(yè)縫紉機控制系統的方案。

1 系統的硬件設計
1．1 系統的性能指標
工業(yè)縫紉機大部分功能的實(shí)現最終都需依靠伺服電機控制系統完成，所以伺服系統的性能好壞是影響控制器性能的關(guān)鍵。其主要的性能指標要求如下：
(1)起停迅速。因為起停時(shí)間涉及劍服裝加工的生產(chǎn)效率，所以縫紉機操作人員對設備起停時(shí)間要求較高，啟停時(shí)間在200 ms和120 ms以?xún)取?br /> (2)定位精確?？p制過(guò)程結束后需要自動(dòng)上下停針，要求機針定位精確，這影響到是否能順利切線(xiàn)和撥線(xiàn)等操作，一般要求定位精度控制在±5°以?xún)取?br /> (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，對控制器硬件電路的可靠性有很高的要求。
(4)調速范圍寬和速度精度高。實(shí)現無(wú)級變速，調速范圍200～5 000 r／min，速度控制精度±5 r／min。
1．2 硬件方案設計
鑒于工業(yè)縫紉機伺服系統的性能指標，硬件控制單元采用Microchip公司新推出的主要針對電機控制的16位DSC控制芯片DSP IC33F。它具有一個(gè)16位CPU和一個(gè)DSP內核，除常見(jiàn)外設外，該芯片有一個(gè)6通道的電機專(zhuān)用MCPWM控制器。此裝置大大簡(jiǎn)化了產(chǎn)生脈寬調制(PWM)波形的控制軟件和外部硬件，通過(guò)編程可產(chǎn)生互補的三相6路PWM波形?？赏ㄟ^(guò)編程設置死區時(shí)間防止同一橋臂上2個(gè)功率管發(fā)生直通造成短路。芯片內既有快速DSP運算引擎，又有PIC單片機的接口驅動(dòng)能力，最高可以運行至40 M IPS。芯片還為三相電機驅動(dòng)控制設汁了8路PWM驅動(dòng)、正交編碼器接口和12位ADC等專(zhuān)用功能單元。功率電路采用智能功率模塊IRAMS10UP60B為主體電路，針對工業(yè)縫紉機控制功能單一、管腳需求少和直流無(wú)刷電機驅動(dòng)實(shí)時(shí)性強、運算復雜的特點(diǎn)，采用上述型號的DSC芯片可以構建一款簡(jiǎn)捷的驅動(dòng)控制系統，該系統所需接口少，所用輔助線(xiàn)路少。因此可以有效的降低成本。整個(gè)硬件系統的原理框圖如圖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根據捕獲的霍爾位置信號確定轉子的當前位置并計算電機的轉速。輸出的PWM經(jīng)過(guò)智能功率模塊IRAMS10UP60開(kāi)啟相應的MOS管，逆變產(chǎn)生三相電壓供給無(wú)刷直流電動(dòng)。電機驅動(dòng)工業(yè)縫紉機的機頭進(jìn)行工作。調節調速盒可以改變電機轉速。其中IPM模塊自身帶有檢測過(guò)溫過(guò)流的電路，如檢測到過(guò)溫過(guò)流，立刻封鎖PWM波形，并且把故障信號送到DSP進(jìn)行處理。