解讀采用DSP工業(yè)電機控制系統電路

　　根據工業(yè)縫紉機的性能，提出了一套以DSP為核心的永磁同步電機控制系統設計方案。詳述了其關(guān)鍵部分的功能與實(shí)現方法，設計了電路原理圖，完成了系統軟、硬件設計和系統的安裝；并對樣機系統的各項性能進(jìn)行了測試。很好地實(shí)現了系統的調速范圍寬、定位精度高的要求，增強了產(chǎn)品的市場(chǎng)競爭力。傳統的工業(yè)縫紉機，主軸驅動(dòng)大多采用離合器電機，縫制過(guò)程中的動(dòng)作都靠機械和人工配合完成，存在效率低、體積大、調速范圍窄、位置控制難、自動(dòng)化程度低。另一方面，傳統的工業(yè)縫紉機，由于主軸驅動(dòng)靠離合器電機，通電后不管機器是否正處于縫制狀態(tài)，電機都一直在高速運轉耗電，不能實(shí)現有縫制動(dòng)作時(shí)機器運轉，沒(méi)有縫制動(dòng)作時(shí)機器停止，從而造成了大量電能浪費。

　　系統設計完成的是整體電控縫紉機的總體技術(shù)方案，它是完成電控縫紉機設計的最關(guān)鍵的一個(gè)步驟，該電控系統主要包括控制器、驅動(dòng)器、電機、編碼器、傳感器、電磁鐵等幾個(gè)部分，系統框圖如圖1所示。

　　控制器

　　圖1的控制器作為工業(yè)縫紉機控制系統的核心，一方面產(chǎn)生伺服電機驅動(dòng)信號，送給驅動(dòng)器控制縫紉機完成定針位，并完成各種不同線(xiàn)跡的控制功能，另一方面產(chǎn)生開(kāi)關(guān)信號給功率開(kāi)關(guān)電路，完成縫紉機的剪線(xiàn)、撥線(xiàn)、前后加固、抬壓腳等動(dòng)作?？刂破鞯膭?dòng)作需要電機編碼器信號、機頭同步信號、腳踏板加減信號、電機電流傳感器信號等信號的參與運算，以協(xié)調整個(gè)機器完成相應動(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)現對永磁同步電機實(shí)行磁場(chǎng)定向控制。對永磁同步電機實(shí)行磁場(chǎng)定向控制的原理框圖如圖3。

　　圖3 永磁同步電機實(shí)行磁場(chǎng)定向控制的原理框圖

　　通過(guò)電流傳感器測量逆變器輸出的定子電流iA、iB，經(jīng)過(guò)DSP的A/D轉換器轉換成數字量，并利用iC=-（iA+ iB）計算出iC。通過(guò)Clarde變換將電流iA、iB、iC變換成旋轉坐標系中的直流分量isq、isd，isq、isd作為電流環(huán)的負反饋量。利用增量式編碼器測量電動(dòng)機的機械轉角位移qm，并將其轉換成電角度qe和轉速n。電角度qe用于參與Park變換和逆變換的計算。轉速n作為速度環(huán)的負反饋量。給定轉速nref與轉速反饋量n的偏差經(jīng)過(guò)速度PI調節器，其輸出作為用于轉矩控制的電流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(guò)電流PI調節器，分別輸出dq旋轉坐標系的相電壓分量Vsqref和Vsdref。 Vsqref和Vsdref再通過(guò)park逆變換轉換成a b直角坐標系的定子相電壓矢量的分量Vsaref和Vsbref。當定子相電壓矢量的分量Vsaref、Vsbref和其所在的扇區數已知時(shí)，就可以利用電壓空間矢量SVPWM技術(shù)，產(chǎn)生PMW控制信號來(lái)控制逆變器。

　　驅動(dòng)器

　　驅動(dòng)器是系統的功率變換部分，是驅動(dòng)電機運轉的關(guān)鍵部分，該部份包括整流、逆變、前置驅動(dòng)、SVPWM驅動(dòng)輸出、電流檢測及多種保護功能。硬件電路如圖4所示。電流環(huán)的運算需要DSP對電機相電流的檢測 ，該系統設計只需要采集兩相的電流（圖3中iA，iB），根據電流定理就可以知道第三相的電流了。本系統所采用電流傳感器為L(cháng)EM（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驅動(dòng)器，它接受來(lái)自DSP的6路PWM信號，處理后驅動(dòng)圖4中6只IGBT（Q1-Q6），產(chǎn)生SVPWM信號，控制永磁同步電機的運轉，以達到理想的伺服控制性能。

　　編碼器

　　永磁同步電機精確控制離不開(kāi)編碼器，DSP只有通過(guò)對編碼器A、B信號及U、V、W信號的檢測計算，才能完成電機仍至整個(gè)系統的精確控制。另一方面，我們只有自己設計并制作編碼器，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，PH-U、PH-V、PH-W三只光電開(kāi)關(guān)檢測產(chǎn)生U、V、W信號，它們與碼盤(pán)一起裝在電機內，檢測電機轉速、判斷轉子位置，并將采集信號送給DSP。DSP（TMS320F2406）內部帶有正交編碼模塊，從編碼器輸出的正交信號輸入DSP的PHASEA引腳和PHASEB引腳，內部的正交編碼模塊將信號進(jìn)行四倍頻，再由位置計數器計數從而可以確定轉子的速度和位置。

　　PHASEA和PHASEB的輸入信號首先必須通過(guò)一個(gè)干擾信號濾波器，該濾波器可以數字延時(shí)，可以濾除毛刺，保證只有真正的信號才進(jìn)行計數。同時(shí)對于只用單個(gè)信號的控制，均可配置為單個(gè)的脈沖計數。對于一個(gè)高速轉軸編碼器，轉軸速度可以通過(guò)計算每單位時(shí)間內位置計數器的變化值來(lái)得到。對于電機低速時(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(lái)得到高分辨率的速度測量。定時(shí)器模塊利用一個(gè)16位的計數器，通過(guò)對總線(xiàn)時(shí)鐘的分頻來(lái)計數。對于一個(gè)1000齒的編碼器來(lái)說(shuō)，通過(guò)利用定時(shí)器測量速度可以精確測量到0.15轉每分。

　　機頭同步定位器

　　編碼器是裝在電機里，而機頭同步定位器則是裝在機頭里，它們均屬于傳感器的范疇。微機控制縫紉機的一個(gè)重要指標是停機位置的準確度，這里包括上針位和下針位的停機，所以，縫紉機在這兩個(gè)位置必須各給出一個(gè)信號，DSP才可以通過(guò)檢測這兩個(gè)信號來(lái)控制電機停止，這是機頭同步定位器的主要作用。另外電機運轉通過(guò)皮帶與機頭連接傳動(dòng)，皮帶可能存在打滑現象，只有結合電機編碼器信號與機頭同步信號，才能準確判斷系統狀態(tài)，從而保證系統運轉在最佳狀態(tài)。上下針位信號的產(chǎn)生主要是依靠安裝在機頭上的兩塊極性相反的磁鐵（跟著(zhù)電機旋轉），對兩個(gè)相反安裝的開(kāi)關(guān)型霍爾傳感器（固定）作用，即每塊磁鐵僅對應一個(gè)傳感器起作用。當機頭旋轉到上針位或下針位位置上時(shí)，相應的開(kāi)關(guān)霍爾傳感器因為磁場(chǎng)到達其跳變的閾值，而產(chǎn)生輸出跳變，也就是需要的開(kāi)關(guān)信號，即機頭同步信號。我們選用Allegro公司的U3144，應用方便，性能穩定。

　　目前該縫紉機控制系統已開(kāi)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)現了縫紉機針位控制的快速性與準確性，保證了高低速運行的平穩性，同時(shí)使縫紉機具備了自動(dòng)剪線(xiàn)、自動(dòng)撥線(xiàn)、自動(dòng)前后加固的功能?；贒SP的磁場(chǎng)定向控制技術(shù)是運用于縫紉機電氣控制系統的突破口，它的成功開(kāi)發(fā)，其意義不僅在于可以在工業(yè)縫紉機電控系統中獲得較高的性能，另外可將該技術(shù)演化到其他種類(lèi)的縫制紡織設備中去，以實(shí)現針位控制的快速性與準確性。