解讀采用DSP工業(yè)電機(jī)控制系統(tǒng)電路

　　根據(jù)工業(yè)縫紉機(jī)的性能，提出了一套以DSP為核心的永磁同步電機(jī)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案。詳述了其關(guān)鍵部分的功能與實(shí)現(xiàn)方法，設(shè)計(jì)了電路原理圖，完成了系統(tǒng)軟、硬件設(shè)計(jì)和系統(tǒng)的安裝；并對樣機(jī)系統(tǒng)的各項(xiàng)性能進(jìn)行了測試。很好地實(shí)現(xiàn)了系統(tǒng)的調(diào)速范圍寬、定位精度高的要求，增強(qiáng)了產(chǎn)品的市場競爭力。傳統(tǒng)的工業(yè)縫紉機(jī)，主軸驅(qū)動大多采用離合器電機(jī)，縫制過程中的動作都靠機(jī)械和人工配合完成，存在效率低、體積大、調(diào)速范圍窄、位置控制難、自動化程度低。另一方面，傳統(tǒng)的工業(yè)縫紉機(jī)，由于主軸驅(qū)動靠離合器電機(jī)，通電后不管機(jī)器是否正處于縫制狀態(tài)，電機(jī)都一直在高速運(yùn)轉(zhuǎn)耗電，不能實(shí)現(xiàn)有縫制動作時機(jī)器運(yùn)轉(zhuǎn)，沒有縫制動作時機(jī)器停止，從而造成了大量電能浪費(fèi)。

　　系統(tǒng)設(shè)計(jì)完成的是整體電控縫紉機(jī)的總體技術(shù)方案，它是完成電控縫紉機(jī)設(shè)計(jì)的最關(guān)鍵的一個步驟，該電控系統(tǒng)主要包括控制器、驅(qū)動器、電機(jī)、編碼器、傳感器、電磁鐵等幾個部分，系統(tǒng)框圖如圖1所示。

　　控制器

　　圖1的控制器作為工業(yè)縫紉機(jī)控制系統(tǒng)的核心，一方面產(chǎn)生伺服電機(jī)驅(qū)動信號，送給驅(qū)動器控制縫紉機(jī)完成定針位，并完成各種不同線跡的控制功能，另一方面產(chǎn)生開關(guān)信號給功率開關(guān)電路，完成縫紉機(jī)的剪線、撥線、前后加固、抬壓腳等動作。控制器的動作需要電機(jī)編碼器信號、機(jī)頭同步信號、腳踏板加減信號、電機(jī)電流傳感器信號等信號的參與運(yùn)算，以協(xié)調(diào)整個機(jī)器完成相應(yīng)動作。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(xiàn)對永磁同步電機(jī)實(shí)行磁場定向控制。對永磁同步電機(jī)實(shí)行磁場定向控制的原理框圖如圖3。

　　圖3 永磁同步電機(jī)實(shí)行磁場定向控制的原理框圖

　　通過電流傳感器測量逆變器輸出的定子電流iA、iB，經(jīng)過DSP的A/D轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換成數(shù)字量，并利用iC=-（iA+ iB）計(jì)算出iC。通過Clarde變換將電流iA、iB、iC變換成旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系中的直流分量isq、isd，isq、isd作為電流環(huán)的負(fù)反饋量。利用增量式編碼器測量電動機(jī)的機(jī)械轉(zhuǎn)角位移qm，并將其轉(zhuǎn)換成電角度qe和轉(zhuǎn)速n。電角度qe用于參與Park變換和逆變換的計(jì)算。轉(zhuǎn)速n作為速度環(huán)的負(fù)反饋量。給定轉(zhuǎn)速nref與轉(zhuǎn)速反饋量n的偏差經(jīng)過速度PI調(diào)節(jié)器，其輸出作為用于轉(zhuǎn)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)過電流PI調(diào)節(jié)器，分別輸出dq旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系的相電壓分量Vsqref和Vsdref。 Vsqref和Vsdref再通過park逆變換轉(zhuǎn)換成a b直角坐標(biāo)系的定子相電壓矢量的分量Vsaref和Vsbref。當(dāng)定子相電壓矢量的分量Vsaref、Vsbref和其所在的扇區(qū)數(shù)已知時，就可以利用電壓空間矢量SVPWM技術(shù)，產(chǎn)生PMW控制信號來控制逆變器。

　　驅(qū)動器

　　驅(qū)動器是系統(tǒng)的功率變換部分，是驅(qū)動電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)的關(guān)鍵部分，該部份包括整流、逆變、前置驅(qū)動、SVPWM驅(qū)動輸出、電流檢測及多種保護(hù)功能。硬件電路如圖4所示。電流環(huán)的運(yùn)算需要DSP對電機(jī)相電流的檢測 ，該系統(tǒng)設(shè)計(jì)只需要采集兩相的電流（圖3中iA，iB），根據(jù)電流定理就可以知道第三相的電流了。本系統(tǒng)所采用電流傳感器為LEM（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(qū)動器，它接受來自DSP的6路PWM信號，處理后驅(qū)動圖4中6只IGBT（Q1-Q6），產(chǎn)生SVPWM信號，控制永磁同步電機(jī)的運(yùn)轉(zhuǎn)，以達(dá)到理想的伺服控制性能。

　　編碼器

　　永磁同步電機(jī)精確控制離不開編碼器，DSP只有通過對編碼器A、B信號及U、V、W信號的檢測計(jì)算，才能完成電機(jī)仍至整個系統(tǒng)的精確控制。另一方面，我們只有自己設(shè)計(jì)并制作編碼器，才可將價格降到最低限度。圖5為編碼器硬件圖，U1（HEDS9701）采集A、B信號，PH-U、PH-V、PH-W三只光電開關(guān)檢測產(chǎn)生U、V、W信號，它們與碼盤一起裝在電機(jī)內(nèi)，檢測電機(jī)轉(zhuǎn)速、判斷轉(zhuǎn)子位置，并將采集信號送給DSP。DSP（TMS320F2406）內(nèi)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(nèi)部的正交編碼模塊將信號進(jìn)行四倍頻，再由位置計(jì)數(shù)器計(jì)數(shù)從而可以確定轉(zhuǎn)子的速度和位置。

　　PHASEA和PHASEB的輸入信號首先必須通過一個干擾信號濾波器，該濾波器可以數(shù)字延時，可以濾除毛刺，保證只有真正的信號才進(jìn)行計(jì)數(shù)。同時對于只用單個信號的控制，均可配置為單個的脈沖計(jì)數(shù)。對于一個高速轉(zhuǎn)軸編碼器，轉(zhuǎn)軸速度可以通過計(jì)算每單位時間內(nèi)位置計(jì)數(shù)器的變化值來得到。對于電機(jī)低速時，由于輸入PHASEA和 PHASEB與通用定時器相連均可作為輸入捕捉引腳，可以利用定時器測量正交相位之間的時間周期來得到高分辨率的速度測量。定時器模塊利用一個16位的計(jì)數(shù)器，通過對總線時鐘的分頻來計(jì)數(shù)。對于一個1000齒的編碼器來說，通過利用定時器測量速度可以精確測量到0.15轉(zhuǎn)每分。

　　機(jī)頭同步定位器

　　編碼器是裝在電機(jī)里，而機(jī)頭同步定位器則是裝在機(jī)頭里，它們均屬于傳感器的范疇。微機(jī)控制縫紉機(jī)的一個重要指標(biāo)是停機(jī)位置的準(zhǔn)確度，這里包括上針位和下針位的停機(jī)，所以，縫紉機(jī)在這兩個位置必須各給出一個信號，DSP才可以通過檢測這兩個信號來控制電機(jī)停止，這是機(jī)頭同步定位器的主要作用。另外電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)通過皮帶與機(jī)頭連接傳動，皮帶可能存在打滑現(xiàn)象，只有結(jié)合電機(jī)編碼器信號與機(jī)頭同步信號，才能準(zhǔn)確判斷系統(tǒng)狀態(tài)，從而保證系統(tǒng)運(yùn)轉(zhuǎn)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(jī)頭上的兩塊極性相反的磁鐵（跟著電機(jī)旋轉(zhuǎn)），對兩個相反安裝的開關(guān)型霍爾傳感器（固定）作用，即每塊磁鐵僅對應(yīng)一個傳感器起作用。當(dāng)機(jī)頭旋轉(zhuǎn)到上針位或下針位位置上時，相應(yīng)的開關(guān)霍爾傳感器因?yàn)榇艌龅竭_(dá)其跳變的閾值，而產(chǎn)生輸出跳變，也就是需要的開關(guān)信號，即機(jī)頭同步信號。我們選用Allegro公司的U3144，應(yīng)用方便，性能穩(wěn)定。

　　目前該縫紉機(jī)控制系統(tǒng)已開發(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(xiàn)了縫紉機(jī)針位控制的快速性與準(zhǔn)確性，保證了高低速運(yùn)行的平穩(wěn)性，同時使縫紉機(jī)具備了自動剪線、自動撥線、自動前后加固的功能?；贒SP的磁場定向控制技術(shù)是運(yùn)用于縫紉機(jī)電氣控制系統(tǒng)的突破口，它的成功開發(fā)，其意義不僅在于可以在工業(yè)縫紉機(jī)電控系統(tǒng)中獲得較高的性能，另外可將該技術(shù)演化到其他種類的縫制紡織設(shè)備中去，以實(shí)現(xiàn)針位控制的快速性與準(zhǔn)確性。