基于矢量控制的工業(yè)縫紉機(jī)用低成本永磁同步電動機(jī)驅(qū)動系統(tǒng) - 圖文-

1、中圖分類號:T M351T M341文獻(xiàn)標(biāo)識碼:A 文章編號:100126848(20060920051203基于矢量控制的工業(yè)縫紉機(jī)用低成本永磁同步電動機(jī)驅(qū)動系統(tǒng)朱宏偉1,鄒繼斌1,陳阿三2(1.哈爾濱工業(yè)大學(xué)電氣工程系,哈爾濱150001;2.寧波韻升高新技術(shù)研究院,寧波315040摘要:給出一種低成本工業(yè)縫紉機(jī)用永磁同步電動機(jī)(P MS M 驅(qū)動系統(tǒng)方案。首先通過改進(jìn)永磁同步電動機(jī)的結(jié)構(gòu),簡化了加工工藝,同時采用簡易的光電編碼器作為位置傳感器,選用新型器件設(shè)計了低成本高性能的驅(qū)動控制器硬件系統(tǒng)?；谑噶靠刂萍夹g(shù),進(jìn)行了驅(qū)動控制系統(tǒng)的軟件設(shè)計。采用P I D 控制策略,實現(xiàn)驅(qū)動系統(tǒng)的加速、

2、減速、調(diào)速及準(zhǔn)確定位等控制功能。所設(shè)計的系統(tǒng)滿足工業(yè)縫紉機(jī)的性能需求,動態(tài)響應(yīng)良好,而且降低了驅(qū)動系統(tǒng)的成本。實驗表明系統(tǒng)方案可行。關(guān)鍵詞:矢量控制;縫紉機(jī);永磁同步電動機(jī);P I D 控制A Low Cost P M S M Dr i ve Syste m for I ndustry Sewi n g Machi n e Based on Vector ControlM ethodZ HU Hong 2wei 1,Z OU J i 2bin 1,CHEN A 2san2(1.Electrical Engineering Depart m ent,Harbin I nstitute of Te

3、chnol ogy,Harbin 150001,China;2.N ingbo Yunsheng H igh and Ne w Technol ogy Acade my,N ingbo 315040,China ABSTRACT:A l ow cost P MS M (per manent magnet synchr onous mot or drive syste m for industry se wing machine is p resented in this paper .The ne w p r oduct power module and contr ol I C were u

4、sed t o design aset of l ow cost,high perf or mance hard ware .And the syste m cost was reduced advanced by si m p lify mo 2t or manufacture p r ocedure and using a l ow cost encoder .The real ti m e contr ol s oft w are was p r ogra mmedbased on the P MS M vect or contr ol method .Stable perfor man

5、ces of s peed adjust and positi on l ocati on wasachieved by using the P I regulat or .The experi m ental results show that the syste m can satisfy the app lica 2ti on field requires,and the l ow cost drive syste m has high dyna m ic perf or mance .KEY WO R D S:Vect or contr ol;Se wing machine;P MS

6、M;P I D contr ol收稿日期:20062052090引言工業(yè)縫紉機(jī)在中國的市場巨大。為了提升服裝質(zhì)量和提高生產(chǎn)效率,生產(chǎn)廠家已經(jīng)逐漸淘汰過去落后設(shè)備而轉(zhuǎn)向了能耗低、縫紉穿透能力強(qiáng)、控制靈活的新機(jī)型。我國高性能縫紉機(jī)的核心技術(shù)市場長期被國外企業(yè)占領(lǐng)。值得欣慰的是近幾年我國在該項技術(shù)上取得了實質(zhì)的進(jìn)步。除縫紉機(jī)的結(jié)構(gòu)設(shè)計技術(shù)之外,控制機(jī)頭旋轉(zhuǎn)、停針和剪線等電氣驅(qū)動控制技術(shù)也是工業(yè)縫紉機(jī)設(shè)計的核心技術(shù)。本文主要針對工業(yè)縫紉機(jī)的驅(qū)動控制系統(tǒng),給出了一種高性能、低成本的設(shè)計方案,實現(xiàn)了快速起停、調(diào)速、上下停針、自動剪線、自動撥線等功能,為自動抬壓腳、加固縫、倒縫和程序縫等打下了基礎(chǔ)。實驗結(jié)果

7、表明所設(shè)計的系統(tǒng)達(dá)到了預(yù)期目標(biāo)。1系統(tǒng)結(jié)構(gòu)本文設(shè)計的一臺普通工業(yè)平縫機(jī)的驅(qū)動控制系統(tǒng)框架如圖1所示。系統(tǒng)的核心控制器采用一塊DSP 芯片,圍繞核心芯片搭建外圍線路后構(gòu)成圖1中所示的DSP 控制板?？刂瓢鍖崟r采集操作者的腳踏板速度輸入指令(線性霍爾器件生成的0V5V 的模擬電壓及動作指令(如運行、剪線開關(guān)等,然后根據(jù)光電編碼器反饋的電機(jī)位置信息和驅(qū)動板反饋的電流信息,應(yīng)用永磁同步電動機(jī)的矢量控制方法分別進(jìn)行電流環(huán)、速度環(huán)及位置環(huán)的調(diào)節(jié)控制,最后運算生成S VP WM 信號,給到驅(qū)動板,由驅(qū)動板上的智能功率模塊完成驅(qū)動P MS M 旋轉(zhuǎn)、15制動等功能。 系統(tǒng)的縫紉機(jī)頭負(fù)載與驅(qū)動電機(jī)之間通過三角皮

8、帶連接。因此針位傳感器安裝在縫紉機(jī)頭的軸頭端,有下針位和上針位兩個開關(guān)型傳感器。系統(tǒng)中電機(jī)的位置傳感器采用一個180線的增量式光電編碼器。編碼器直接安裝在電機(jī)的驅(qū)動軸上。 圖1工業(yè)縫紉機(jī)驅(qū)動控制系統(tǒng)框圖111電機(jī)結(jié)構(gòu) 目前市場上驅(qū)動縫紉機(jī)的永磁同步電機(jī)的額定指標(biāo)一般為功率400W ,轉(zhuǎn)速4000r/m in,采用正弦波驅(qū)動方式,系統(tǒng)供電方式為單相50Hz,交流220V 。為了減小定位轉(zhuǎn)矩,常采用斜槽結(jié)構(gòu)。本文對上述的典型電機(jī)方案進(jìn)行了改造設(shè)計,在保持定子沖片不變的情況下,將定子結(jié)構(gòu)從斜槽改為直槽,重新設(shè)計電機(jī)轉(zhuǎn)子,合理設(shè)計磁場分布,實現(xiàn)磁場正弦化,減小定位轉(zhuǎn)矩。改進(jìn)后的電機(jī)繞組系數(shù)提高,槽滿率

9、增加,在額定負(fù)載下,電機(jī)銅損減小,從而有效降低了溫升,同時定子鐵心的制造工藝得到簡化,電機(jī)嵌線容易,也為廉價的實現(xiàn)自動化疊壓提供了可能。綜上原因,整個電機(jī)的制造成本得到降低。改造后電機(jī)的參數(shù):極對數(shù)為2,額定功率400W ,系統(tǒng)額定供電電壓交流220V,50Hz,額定電流215A ,額定轉(zhuǎn)速4000r/m in 。改造前與改造后電機(jī)的線反電動勢波形對比如圖2所示。從圖中可以看出,由于轉(zhuǎn)速關(guān)系,除電動勢系數(shù)外,電機(jī)電動勢的正弦性基本不變,能夠滿足正弦波驅(qū)動的要求。本文還對改造前后電機(jī)的定位轉(zhuǎn)矩進(jìn)行了對比測試,所測得的對應(yīng)定位轉(zhuǎn)矩的電信號如圖3所示。從圖中第一通道的信號可以看出,改造后電機(jī)的定位轉(zhuǎn)

10、矩峰峰值比改造前略有增加,但變化不明顯。同時隨著結(jié)構(gòu)變化,頻率有所改變。圖2改造前的斜槽電機(jī)線反電動勢測試波形(a 和改造后的直槽電機(jī)的線反電動勢測試波形(b 比較圖3改造前的斜槽電機(jī)定位轉(zhuǎn)矩測量波形(a 和改造后的直槽電機(jī)的定位轉(zhuǎn)矩測量波形(b 112電機(jī)位置傳感器結(jié)構(gòu)工業(yè)縫紉機(jī)的工作轉(zhuǎn)速在100r/m in6000r/m in 之間,而且當(dāng)縫紉機(jī)要停在特定的下針位或上針位時,其定位精度為±2°機(jī)械角度。因此所設(shè)計的電機(jī)中使用了一個每周180線的正交編碼器。碼盤經(jīng)過4細(xì)分,每周可以得到720個跳變沿信息,則該碼盤可以達(dá)到015°的分辨力,能夠滿足此類使用場合的要

11、求。實驗證明,該碼盤可以滿足25P MS M的矢量控制的需要。由于本控制系統(tǒng)所使用的編碼器相對高精度光電編碼器的位置分辨信息少,可以使用常規(guī)加工方法加工的機(jī)械式遮光片來實現(xiàn),也不需要高速光電器件,還可以通過常規(guī)設(shè)備組裝而成。此類編碼器的成本大約為商業(yè)編碼器的1/10左右。113控制器硬件結(jié)構(gòu)本設(shè)計使用dsP I C作為核心處理芯片。該芯片是一種16位的數(shù)字信號控制器。片內(nèi)既有DSP運算引擎,又具有MCU的外圍接口能力,能夠在215V至515V內(nèi)全范圍工作,最高可以運行至30M I PS,而其價錢卻相當(dāng)于MCU的價格。該系列產(chǎn)品封裝豐富,從28腳到80腳有多種封裝。除常用的通訊接口及定時器等功能

12、外,其電機(jī)控制系列產(chǎn)品內(nèi)部具備6路(或8路P WM專用模塊和正交編碼器接口模塊,方便了電機(jī)控制領(lǐng)域的應(yīng)用。芯片的I/O管腳繼承了P I C單片機(jī)的特點,具有較強(qiáng)的驅(qū)動能力,每個管腳可以提供最高25mA的驅(qū)動電流,同時具有豐富的模擬數(shù)字輸入通道。以上特點使得系統(tǒng)在設(shè)計時無需考慮電平轉(zhuǎn)換及外圍接口問題,簡化了控制板的電源設(shè)計及接口設(shè)計,也不需要復(fù)雜的電源系統(tǒng)及接口電平變換線路,從而有效降低了硬件和生產(chǎn)成本。在所設(shè)計系統(tǒng)上進(jìn)行實驗表明,該芯片工作可靠,抗干擾能力強(qiáng),運算速度快,完全滿足P MS M電機(jī)矢量控制的運算需求。本系統(tǒng)的電機(jī)功率驅(qū)動部分采用智能功率模塊。該系列模塊在同一封裝下有10A至30A

13、的幾種產(chǎn)品,方便設(shè)計系列產(chǎn)品使用。該模塊采用了較新的I G BT技術(shù),有效降低了功率器件的開關(guān)損耗,與其它相當(dāng)產(chǎn)品相比,體積小、價格低。由于其內(nèi)置HV I C驅(qū)動線路,只需一路電源即可驅(qū)動模塊,接口容易。該模塊有內(nèi)置過流保護(hù)、低壓側(cè)短路保護(hù)和驅(qū)動電壓欠壓保護(hù)等功能。模塊的三相下橋臂器件的發(fā)射基分別引出,有利于對三相橋臂分別進(jìn)行可靠地保護(hù)。模塊的散熱基板采用了陶瓷或銅基基板,導(dǎo)熱效果良好。模塊可以在20kHz的開關(guān)頻率下保證標(biāo)稱的電流輸出。由于以上特點,所設(shè)計的功率驅(qū)動部分外圍線路少,保護(hù)可靠,占用PCB空間少,生產(chǎn)調(diào)試簡便,有效地降低了生產(chǎn)管理成本。實驗表明驅(qū)動部分在16kHz的開關(guān)頻率下能夠

14、有效地工作。114控制器軟件結(jié)構(gòu)系統(tǒng)軟件結(jié)構(gòu)采用的矢量控制方案如圖4所示。P WM算法使用空間矢量S VP WM方法實現(xiàn),系統(tǒng)軟件采用C語言和匯編語言混合編寫 。圖4系統(tǒng)軟件所采用的矢量控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖系統(tǒng)的開關(guān)頻率設(shè)為16kHz,系統(tǒng)電流環(huán)的調(diào)節(jié)頻率也設(shè)為16kHz。當(dāng)系統(tǒng)采集得到電機(jī)的兩相電流值后,首先把電流值進(jìn)行等幅Clarke變換,然后根據(jù)簡易編碼器測量得到的電機(jī)轉(zhuǎn)子位置信息,再次把電流值進(jìn)行等幅Park變換,得到當(dāng)前一拍電機(jī)定子繞組中實際流過的在兩相轉(zhuǎn)子同步旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系下的交直軸電流。將實際電流與當(dāng)前速度環(huán)運算得到的參考電流進(jìn)行比較,同時采用直軸電流參考值固定為0的控制方式,通過比例積分

15、(P I調(diào)節(jié)器運算得到所需加給電機(jī)兩相轉(zhuǎn)子同步旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系下交直軸的電壓量。根據(jù)位置信息進(jìn)行等幅Park逆變換,結(jié)果得到需加給電機(jī)的兩相靜止坐標(biāo)系下電壓量,然后經(jīng)過S VP WM算法最終計算得到控制橋臂開關(guān)的導(dǎo)通時間。經(jīng)由三相逆變器驅(qū)動單元驅(qū)動,電機(jī)就可以按照預(yù)期的電流運轉(zhuǎn)了。系統(tǒng)速度環(huán)的調(diào)節(jié)頻率為400Hz,其參考值為用戶的腳踏板輸入,實際值通過對簡易編碼器的位置信息求導(dǎo)得到,速度環(huán)也采用比例積分(P I調(diào)節(jié)器進(jìn)行整定。由于采用id=0的控制方式,因此速度環(huán)只負(fù)責(zé)計算q軸電流參考值的任務(wù)。2系統(tǒng)實現(xiàn)及實驗結(jié)果系統(tǒng)在同樣容量及功能下,所設(shè)計的控制器體積小且成本明顯降低。(下轉(zhuǎn)第100頁35造成轉(zhuǎn)

16、矩均有所降低,起動轉(zhuǎn)矩下降22.5%,最大轉(zhuǎn)矩下降16.9%。定子軛部磁通密度較原先未改造前有所增大。因為加轉(zhuǎn)后定子繞組分布系數(shù)和短距系數(shù)減小,總磁通量增大。軛部面積是恒值,起動轉(zhuǎn)矩雖下降,仍為額定轉(zhuǎn)矩1165倍,最大轉(zhuǎn)矩為1182倍。電機(jī)溫升升高有限,仍可滿足壓縮機(jī)要求。電機(jī)各種技術(shù)指標(biāo)都符合要求,說明上述改造是可行的。3結(jié)束語CO2壓縮機(jī)由125r/m in加轉(zhuǎn)到150r/m in后,壓縮機(jī)打氣量增加了25%,每年可增加利潤約54萬元,而整個改造費用為3萬余元,取得了很好的效益。經(jīng)過2年多的運行,電機(jī)的各項參數(shù)都在允許范圍內(nèi),說明擴(kuò)容改造完全達(dá)到了預(yù)期的目的。參考文獻(xiàn)1李隆年.電機(jī)設(shè)計M.

17、北京:清華大學(xué)出版社, 1992.2程福秀, 林金銘.現(xiàn)代電機(jī)設(shè)計M.北京:機(jī)械工業(yè)出版社,1992.3李發(fā)海.電機(jī)學(xué)M.北京:科學(xué)出版社,1999.4電機(jī)工程手冊編輯委員會.電機(jī)工程手冊(4M.北京:機(jī)械工業(yè)出版社,1992.作者簡介:呂梅蕾(1967-,女,副教授,從事教學(xué)與科研工作,發(fā)表論文10余篇。趙建偉(1969-,男,高級工程師,從事技術(shù)與管理工作,發(fā)表論文20余篇。(上接第53頁圖5給出了電機(jī)以614A的峰值電流拖動縫紉機(jī)加速時的相電流波形。可以看出,控制器能較好地控制相電流,電流波形畸變小。圖6給出了系統(tǒng)在加速、平穩(wěn)運行和制動3個階段下的轉(zhuǎn)速曲線和電流波形。在起動、加速、運行、

18、減速、停止整個工作范圍內(nèi),系統(tǒng)較好地控制著電流。系統(tǒng)從靜止加速到4000r/m in的時間不到200m s,從4000r/m in到停止的減速時間不到150m s,動態(tài)特性良好。圖5電機(jī)拖動縫紉機(jī)頭加速時刻的相電流測試波形圖6電機(jī)加速、平穩(wěn)運行及制動時的轉(zhuǎn)速曲線和相電流測試波形3結(jié)語本文用較低的成本實現(xiàn)了一套工業(yè)縫紉機(jī)用伺服驅(qū)動系統(tǒng),基于一片dsP I C芯片實現(xiàn)了復(fù)雜的矢量控制功能和電流環(huán)、速度環(huán)雙閉環(huán)系統(tǒng)。實驗表明控制特性良好,滿足使用場合的需求。同時基于同一塊控制芯片實現(xiàn)了輔助控制功能。本系統(tǒng)為實現(xiàn)工業(yè)縫紉機(jī)的低成本高性能驅(qū)動控制提供了示例。參考文獻(xiàn)1陸健.日本縫紉機(jī)技術(shù)發(fā)展動態(tài)J.紡織信息周刊,2004,(23:18.2劉峙飛,黃海,韓安太等.高速工業(yè)曲折縫縫紉機(jī)的控制系統(tǒng)設(shè)計J.機(jī)床與液壓,2004,(7:1422143.3姜淑忠,祁賁.工業(yè)縫紉機(jī)永磁同步伺服電動機(jī)系統(tǒng)J.微電機(jī),2004,37(4:50251.4楊薇薇,沈安文.基于DSP的工業(yè)縫紉機(jī)驅(qū)動控制器的研究J.機(jī)械研究與應(yīng)用,2005,18(3:1192120.5詹陽,邱阿瑞,肖曦.基于DSP全數(shù)字工業(yè)縫紉機(jī)交流伺服系統(tǒng),電力電子技術(shù),2005,39(2:86