侯 華，周月陽，祝本明

（中國兵器工業(yè)第五八研究所 四川 綿陽 621000）

目前， 隨著國內(nèi)工業(yè)縫紉機的制造和設計水平逐年提高，帶有數(shù)字交流伺服控制系統(tǒng)的工業(yè)縫紉機， 因其服裝加工效率高、省電省時、能夠極大的改善工人作業(yè)的勞動強度， 其需求和產(chǎn)量正逐年提高， 國內(nèi)大部分服裝廠開始普及和推廣這種全自動化的縫制設備。但是隨著交流伺服控制技術(shù)在縫制設備上的推廣， 縫紉機生產(chǎn)廠家對伺服控制系統(tǒng)的可靠性、性價比和多機種適配性提出了更高的要求[1]。縫紉機控制系統(tǒng)一般由主軸交流伺服電機（主軸，上下運動）、水平橫向進給軸電機（X軸，橫向運動）、水平豎向進給軸電機（Y軸，縱向運動）、水平旋轉(zhuǎn)進給軸電機（Z軸，水平旋轉(zhuǎn)）組成。根據(jù)縫制工藝要求，進給軸電機與主軸電機需保持同步聯(lián)動，主軸伺服電機主要負責帶動主軸電機旋轉(zhuǎn)從而帶動機針上下運動，同時主軸電機還要向X、Y、Z軸驅(qū)動器發(fā)送同步位置控制信號。該同步位置控制信號驅(qū)動相應的電機帶動相應機械部分，實現(xiàn)對壓框的運動控制[2]。因此，交流伺服驅(qū)動器的設計直接關(guān)系到縫紉機控制系統(tǒng)整體性能。

1 設計原理

隨著縫制設備控制系統(tǒng)集成度的提高，系統(tǒng)硬件日益復雜，強弱電混合、模數(shù)電路混合、工作頻率增高，導致系統(tǒng)內(nèi)干擾更加嚴重。交流伺服系統(tǒng)作為功率器件，電源設計的可靠性直接影響系統(tǒng)的性能[3]。交流伺服驅(qū)動系統(tǒng)框圖如圖1所示。

2 硬件設計

交流伺服驅(qū)動器以高性能DSP為處理器，運用現(xiàn)代伺服電機控制理論，以旋轉(zhuǎn)編碼器和電流傳感器為反饋，以智能功率模塊（IPM）為逆變器實現(xiàn)對交流伺服電機的高性能控制。交流伺服驅(qū)動器系統(tǒng)主要完成電機位置環(huán)、速度環(huán)、電流環(huán)的實時控制[4-7]。專用縫紉機交流伺服驅(qū)動器設計原理框圖如圖2所示。

2.1 DSP模塊

系統(tǒng)以TI公司的TMS320F28335為主控芯片，以Lattice公司的ISP-4128V為輔助芯片，外擴一片容量為512 KB的RAM以及一片256字的EEPROM，具有4通道的DA輸出口，并且具備SCI和CAN通訊功能。

DSP主要完成電機位置環(huán)、速度環(huán)、電流環(huán)的實時控制，通過改變輸出脈沖的總個數(shù)和頻率就能控制電機的轉(zhuǎn)動位置和轉(zhuǎn)速。

圖1 交流伺服驅(qū)動框圖Fig.1 Block diagram of AC servo drive

圖2 軟件設計的流程圖Fig.2 Flow chart the software design

在控制程序中主要有以下幾種控制模式:位置控制、速度控制、轉(zhuǎn)矩控制。控制程序在Dsp內(nèi)完成，通訊方式主要為SCI與CAN通訊，在Dsp內(nèi)編寫了專門的測試程序，用于對電機電流、位置、反饋等信息的實時檢測，通過總線將采集的數(shù)據(jù)存放于外擴RAM中，然后通過CAN接口上傳到PC調(diào)試軟件，調(diào)試軟件對電機的上傳數(shù)據(jù)進行分析、生成波形等。

2.2 驅(qū)動電路

驅(qū)動器是驅(qū)動電機運轉(zhuǎn)的關(guān)鍵部分，其作用就是將220 V交流輸入經(jīng)過整流濾波，再逆變后給永磁同步電機供電的電路，包括整流濾波電路、功率逆變、前置驅(qū)動、SVPWM驅(qū)動輸出及多種保護電路。

整流濾波電路將輸入220 V交流電，先經(jīng)過濾波后，在經(jīng)過整流橋整流，使其成為幅值平緩的直流電。

功率開關(guān)器件決定功率變換電路可以達到的最高頻率、最大電流、逆變電壓。該電路采用6個獨立的絕緣柵極雙極性晶體管(IGBT)組成功率變換電路。IGBT是功率場控晶體管MOSFET和電力晶體管GTR的復合器件，因此它既具有MOSFET的工作速度、輸入阻抗高、驅(qū)動電路簡單、熱溫度性好的特點，又包含了GTR通態(tài)壓降小、阻斷電壓高、載流能力大等多項優(yōu)點。

功率驅(qū)動芯片選用PS21867 ，其內(nèi)部集成了驅(qū)動緩沖電路和各種故障檢測保護電路。各個開關(guān)采用高速光耦驅(qū)動，所有PWM 引腳都上拉為高電平以防止開關(guān)誤通損壞IPM。在IPM的輸出端各串聯(lián)采樣電阻，通過光耦實時檢測電機電流的瞬時值。

2.3 速度控制設計

在速度控制器的輸入端將速度指令信號與速度反饋信號進行比較，再通過放大器將該偏差信號放大輸出作為多路乘法器的輸入信號。速度控制電路如圖3所示。

圖3 速度控制電路Fig.3 The speed control circuit

調(diào)整電位器RP1、RP2來改變放大器的增益， R1、C1決定速度控制電路的截止頻率。調(diào)節(jié)RP1來調(diào)整速度指令和速度反饋之間的相對大小，適當調(diào)整該電位器，可以抑制速度超調(diào)量。當電動機加上負載時，如果改變電位器RP2使反饋量增加，放大器的增益變小，要獲得同樣的輸出，在放大器的輸入端就必然存在較大的偏差，這就意味著速度下降較大。如果調(diào)整RP2使放大器反饋量變小，其增益必然增加，則速度下降較小。如果負載去掉后，最好調(diào)整RP2使放大器反饋量為零，反饋量為零即意味著放大器的增益將變得很大，速度降落當然很小，因為此時沒有負載施于電動機軸上。

2.4 電流控制器設計

電流控制是提高伺服系統(tǒng)的響應速度、控制精度，提高控制性能的關(guān)鍵，電流控制電路結(jié)構(gòu)如圖4所示。電流控制器也是按PI控制規(guī)律調(diào)節(jié)電流的。

電流控制器與速度控制器一樣，也是由反饋電阻R6，電容C6等組成的近似的比例積分型放大器，它的傳遞函數(shù)與速度控制器的傳遞函數(shù)相同，不過傳遞函數(shù)中的時間常數(shù)應選得小一些。調(diào)整R 可以調(diào)節(jié)電流控制放大器的反饋量，也就調(diào)節(jié)了增益。根據(jù)R6、C6來決定電流局部控制的截止頻率。而R6、C6所決定的時間常數(shù)應大致與電動機的電磁時間常數(shù)相等。

圖4 電流控制電路Fig.4 The current control circuit

2.5 位置控制設計

圖5 表示為以轉(zhuǎn)角為輸入量的位置控制系統(tǒng)方框圖。圖中的位置控制器主要為比例（P）控制，而把系統(tǒng)中擾動的影響都用速度內(nèi)環(huán)的速度控制器來補償，在位置環(huán)中可不考慮對擾動的補償。

圖5 位置控制系統(tǒng)方框圖Fig.5 Block diagram of position control

在圖5所示的位置控制系統(tǒng)方框圖中，速度控制系統(tǒng)（PI控制）的傳遞函數(shù)為

3 軟件設計

伺服控制程序由3個部分組成：主程序、定時中斷程序、縫紉模式。

主程序內(nèi)完成系統(tǒng)的初始化，I/O接口控制信號，DSP內(nèi)各個控制模塊寄存器的設置等，然后進入循環(huán)程序，主程序如圖6所示。

圖6 主程序Fig.6 Flow chart of main program

定時器中斷服務是系統(tǒng)軟件的核心部分。定時器的定時周期即為系統(tǒng)的控制周期。該子程序?qū)崿F(xiàn)的是對電機的實時控制，定時器程序如圖7。外部保護中斷主要針對智能功率模塊IPM。IPM的報警信號接入DSP芯片的PDPINT引腳，當IPM報警后會在該引腳上產(chǎn)生一個邊沿跳變，從而觸發(fā)中斷。

圖7 定時器中斷Fig.7 Timer interrupt

根據(jù)工業(yè)縫紉機工藝要求，縫紉機需要完成多種不同的基本操作，根據(jù)用戶設置，選擇完成其中一種模式，縫紉模式選擇如圖8。當系統(tǒng)進入到主程序后，首先會檢測到啟動開關(guān)信號，根據(jù)用戶的設置，判斷當前系統(tǒng)的工作模式，然后按照預定的模式完成相應的行程。

圖8 縫紉模式選擇Fig.8 Sewing mode selection

4 結(jié) 論

文中設計了一種基于DSP的縫紉機專用甲流伺服系統(tǒng)，針對縫紉機應用的具體情況，在保證交流伺服驅(qū)動器優(yōu)異性能和滿足實際需要的前提下，對驅(qū)動器進行簡化設計，以高性能DSP為處理器、以旋轉(zhuǎn)編碼器和電流傳感器為反饋、智能功率模塊IPM為逆變器，并根據(jù)縫紉機運動的特性優(yōu)化了電機位置環(huán)、速度環(huán)、電流環(huán)實時控制算法，實現(xiàn)對交流伺服電機的高性能控制。經(jīng)過一年多的實踐應用，本設計可以應用于各種工業(yè)縫紉機控制系統(tǒng)。

[1]朱蘭斌，王嘉寧.基于TMS320F28034 的工業(yè)縫紉機多功能交流伺服控制系統(tǒng)設計[J]. 機電產(chǎn)品開發(fā)與創(chuàng)新,2011，24（2）:7-9.ZHU Lan-bin,WANG Jia-ning.Design of multifunction AC Servo control system for Industrial sewing machine based on TMS320F28034[J].Development ＆ Innovation of Machinery＆ Electrical Products，2011，24（2）:7-9.

[2]楊奕昕，張玉輝，趙毅忠.嵌入式技術(shù)在花樣縫紉機控制系統(tǒng)中的應用[J]. 兵工自動化，2010,29(12):73-74.YANG Yi-xin,ZHANG Yu-hui,ZHAO Yi-zhong. The application of embedded technology to pattern sewing machine control System [J], Jouranal of Sichuan Ordnance,2010,29(12):73-74.

[3]李勇,陳志錦,郭麗. 交流伺服系統(tǒng)電磁兼容設計[J],四川兵工學報,2012,33(6)：98-99,108.LI Yong,CHEN Zhi-jin,GUO Li. Design of AC servo system EMC[J], Jouranal of Sichuan Ordnance,2012,33(6)：98-99,108.

[4] 郭麗，石航飛.基于DSP的雙軸交流伺服運動控制系統(tǒng)[J],兵工自動化，2010,29(9):79-81.GUO Li,SHI Hang-fei.Double servo and sovement control system based on DSP[J]. Ordnance Industry Automation,2010,29(9) :79-81.

[5]朱蘭斌，秦倉法，王嘉寧. 一種多功能數(shù)字交流伺服控制系統(tǒng)設計與應用[J]. 機械設計與研究,2012,28(1):72-75.ZHU Lan-bin,QIN Cang-fa,WANG Jia-ning.Design and application of a new multifunction digital AC servo control system[J].Machine Design and Research, 2012,28(1):72-75.

[6]張朝立.工業(yè)平縫機伺服控制系統(tǒng)的研究[D].杭州：浙江大學,2010.

[7]王曉明, 王玲. 電動機的DSP控制—TI公司DSP應用[M].北京: 北京航空航天大學出版社, 2004.