宋海燕，陳 康

(福州大學(xué) 電氣工程與自動(dòng)化學(xué)院，福建 福州 350002)

基于DSP&IPM的電腦平縫機(jī)低成本PMSM控制系統(tǒng)的研究

宋海燕，陳 康

(福州大學(xué) 電氣工程與自動(dòng)化學(xué)院，福建 福州 350002)

為了降低電腦平縫機(jī)控制系統(tǒng)的成本，提高控制系統(tǒng)性能，提出無(wú)光耦隔離驅(qū)動(dòng)方式、分塊獨(dú)立供電模式和采集模塊高速光耦隔離防護(hù)措施，利用SVPWM矢量控制策略與PI調(diào)節(jié)器，并加入抗積分飽和與死區(qū)補(bǔ)償策略，以提高系統(tǒng)的準(zhǔn)確性和穩(wěn)定性?；?2位浮點(diǎn)型DSP和IPM智能功率模塊完成了一套高集成、低成本的全數(shù)字化電腦平縫機(jī)控制系統(tǒng)。系統(tǒng)測(cè)試結(jié)果表明，在調(diào)速范圍、響應(yīng)速度和控制精度等方面均滿(mǎn)足工業(yè)要求。

電腦平縫機(jī)；低成本；DSP&IPM；空間矢量控制；全數(shù)字化控制

0 引言

隨著我國(guó)對(duì)稀土材料的大力開(kāi)發(fā)，以及永磁同步電機(jī)(PMSM)自身的低成本、小體積、動(dòng)態(tài)性能好等優(yōu)點(diǎn)，使PMSM在工業(yè)生產(chǎn)中得到了廣泛應(yīng)用，并且，與異步電機(jī)相比，PMSM更容易實(shí)現(xiàn)先進(jìn)的控制算法，可以簡(jiǎn)化控制流程，提高交流伺服系統(tǒng)的控制性能。所以，電腦縫紉機(jī)的執(zhí)行裝置正朝著PMSM的全數(shù)字化控制系統(tǒng)的方向發(fā)展[1]。而隨著數(shù)字化、集成化、電力電子等技術(shù)的不斷提高，用戶(hù)對(duì)控制系統(tǒng)的性能和體積提出了更高的要求，同時(shí)，由于電腦平縫機(jī)市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)日益劇烈，所以如何降低成本成為了最大的研究熱點(diǎn)。

在研究分析了電腦平縫機(jī)及PMSM結(jié)構(gòu)原理的基礎(chǔ)上，考慮到用戶(hù)對(duì)控制系統(tǒng)性能及成本的要求，本文研究開(kāi)發(fā)了一套基于DSP28335和IPM智能功率模塊的高集成化全數(shù)字控制系統(tǒng)。利用SVPWM控制方法實(shí)現(xiàn)電壓型矢量控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，并結(jié)合雙閉環(huán)PI調(diào)節(jié)與SVPWM死區(qū)補(bǔ)償，提高了系統(tǒng)可靠性。通過(guò)對(duì)實(shí)際應(yīng)用分析、硬件電路及元件原理分析，采用無(wú)光耦隔離驅(qū)動(dòng)的方案，在改善控制精度的同時(shí)降低了硬件成本，提高了系統(tǒng)集成度。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，該控制系統(tǒng)在調(diào)速范圍和動(dòng)態(tài)性能參數(shù)等方面滿(mǎn)足系統(tǒng)指標(biāo)，運(yùn)行可靠。

1 矢量控制系統(tǒng)

為了解除PMSM本身的強(qiáng)耦合性，采用等效直流電機(jī)控制思想，考慮簡(jiǎn)化控制算法和硬件成本，本文采用空間矢量控制策略。根據(jù)PMSM的結(jié)構(gòu)原理，依據(jù)PMSM的解析模型，在忽略鐵芯飽和效應(yīng)和不計(jì)渦流和磁滯損耗等因素的前提下，利用坐標(biāo)矢量變換，得到PMSM在d、q旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系下的電壓方程矩陣(1)和電磁轉(zhuǎn)矩方程矩陣(2)，進(jìn)而建立PMSM的數(shù)學(xué)模型。

(1)

(2)

其中，ud與uq分別為d、q軸定子電壓；Tem為電磁轉(zhuǎn)矩；Rs為定子繞組的電阻；Ld與Lq為d、q軸定子等效電感；ωr為轉(zhuǎn)子角速度；id與iq分別是矢量合成在d、q軸定子電流；Ψr為轉(zhuǎn)子永磁磁鏈；Pn為電機(jī)極對(duì)數(shù)。

分析永磁同步電機(jī)的數(shù)學(xué)模型后，為了解除其強(qiáng)耦合性和非線性，采用直軸電樞電流id=0的控制策略[2]，即式(2)可簡(jiǎn)化為式(3):

(3)

由于簡(jiǎn)化后的電機(jī)電磁轉(zhuǎn)矩與交軸電流iq呈線性關(guān)系，從而提高了控制輸出轉(zhuǎn)矩的性能，且消除了退磁現(xiàn)象，減少了維修成本，提高了伺服系統(tǒng)的性?xún)r(jià)比。

針對(duì)PMSM的SVPWM算法的特點(diǎn)，為了提高控制精度和可靠性，本文采用雙閉環(huán)PI調(diào)節(jié)和SVPWM死區(qū)補(bǔ)償策略[3]，對(duì)PMSM實(shí)施如圖1所示的矢量控制。

圖1 PMSM矢量控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

圖3 電源模塊電路原理圖

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

依據(jù)上述控制原理和PMSM控制系統(tǒng)性能要求，本節(jié)進(jìn)行了整體的硬件系統(tǒng)設(shè)計(jì)，主要包括控制電路、驅(qū)動(dòng)電路和檢測(cè)保護(hù)電路3個(gè)部分。如圖2所示。

圖2 PMSM矢量控制硬件系統(tǒng)框圖

其中，控制電路以32位浮點(diǎn)型DSP28335為控制核心，其具有150 MHz主頻、256 KB×16片上Flash和34 KB×16 SRAM儲(chǔ)存空間[4]，提高了運(yùn)算速度，使系統(tǒng)的實(shí)時(shí)性得到大幅度提升，并為系統(tǒng)存儲(chǔ)提供了足夠的Flash空間，縮減了硬件體積。并且，DSP28335自身具有豐富的函數(shù)庫(kù)，為SVPWM的三角函數(shù)運(yùn)算提供方便。因此，可以很好地縮短代碼長(zhǎng)度，提高控制系統(tǒng)實(shí)時(shí)性，進(jìn)而提升了高頻通斷器件的穩(wěn)定性。利用其產(chǎn)生的六路PWM驅(qū)動(dòng)信號(hào)，完成對(duì)驅(qū)動(dòng)模塊的控制；檢測(cè)保護(hù)電路包括：相電流檢測(cè)、直流母線電壓檢測(cè)、速位檢測(cè)以及故障信號(hào)檢測(cè)與處理電路，考慮系統(tǒng)成本與體積要求，進(jìn)行了電源模塊一體化設(shè)計(jì)。

2.1 電源模塊

考慮到工業(yè)成本和集成度的要求，本文摒棄穩(wěn)壓電源供電方案，在控制板上，直接將用戶(hù)220 V電壓，通過(guò)不同的電源轉(zhuǎn)換電路，實(shí)現(xiàn)電源一體化，既縮小了控制系統(tǒng)體積和降低了開(kāi)發(fā)成本，也更加方便和通用。為了杜絕同一PCB板上強(qiáng)弱電間的干擾，本系統(tǒng)采用強(qiáng)弱電隔離獨(dú)立供電的措施，杜絕了強(qiáng)弱電聯(lián)通對(duì)處理器等元件的損壞。

基于對(duì)DSP、IPM模塊和傳感器等元件電壓的需求分析，利用變壓器產(chǎn)生隔離的雙路AC18 V電壓，一路經(jīng)整流濾波后，利用LM7815產(chǎn)生+15 V電壓專(zhuān)供IPM驅(qū)動(dòng)電源，另一路利用LM7805與LM1117-3.3產(chǎn)生+5 V和+3.3 V電壓供DSP與霍爾元件等使用，系統(tǒng)一體化電源電路原理如圖3所示。

2.2 驅(qū)動(dòng)模塊

為縮短產(chǎn)品開(kāi)發(fā)時(shí)間，提高系統(tǒng)集成度和降低因電機(jī)故障而帶來(lái)的逆變模塊的損壞，本文選用三菱第五代IPM智能模塊PS21563來(lái)代替?zhèn)鹘y(tǒng)的IGBT。IPM具有開(kāi)關(guān)速度快、功耗低和可靠性高等特點(diǎn)，并且內(nèi)置多種保護(hù)電路，且具有故障診斷處理功能，極大地降低了因故障帶來(lái)的其他損失和縮小了PCB體積。在PWM驅(qū)動(dòng)電路中，光耦隔離中光耦是電流驅(qū)動(dòng)型，需要足夠大的電流才能使發(fā)光二極管導(dǎo)通，如果輸入信號(hào)太小，發(fā)光二極管不會(huì)導(dǎo)通，其輸出信號(hào)將非線性失真[5]，且輸入輸出信號(hào)間有延時(shí)的缺陷，所以，本文提出采用無(wú)光耦隔離驅(qū)動(dòng)輸出，利用電容及二極管對(duì)驅(qū)動(dòng)信號(hào)進(jìn)行處理，使系統(tǒng)在控制精度上得到提高，并考慮IPM驅(qū)動(dòng)電源問(wèn)題，采用自舉電路提供4路+15 V電壓，如圖4所示。

圖4 U相驅(qū)動(dòng)及自舉電路原理圖

2.3 相電流檢測(cè)

針對(duì)矢量控制算法的需求，本文對(duì)直流母線電壓和三相電流進(jìn)行在線監(jiān)測(cè)。由于TMS320F28335自帶12位采樣精度的AD模塊，并且在傳統(tǒng)芯片的基礎(chǔ)上，提高了系統(tǒng)采樣基準(zhǔn)，進(jìn)而降低了增益誤差，且能夠自行糾正偏置誤差，為電腦平縫機(jī)的高精度要求提供了保障。所以，對(duì)于相電流的檢測(cè)，通過(guò)對(duì)比各種元件性能、成本和體積等因素，本系統(tǒng)采用中霍的電壓型閉環(huán)霍爾電流傳感器，其所需電源電壓為+3.3 V，且響應(yīng)快、帶寬大。U相電流檢測(cè)電路如圖5所示。

圖5 U相電流檢測(cè)電路原理圖

圖7 軟件設(shè)計(jì)程序流程圖

考慮片內(nèi)AD模塊的輸入電壓范圍為0～3 V，本文通過(guò)軟件處理，將各個(gè)采樣信號(hào)調(diào)節(jié)在AD的范圍內(nèi)，供AD采樣數(shù)據(jù)處理，完成對(duì)相電流和直流母線電壓的檢測(cè)。這樣不僅降低了開(kāi)發(fā)成本，還降低了干擾，提高了系統(tǒng)的可靠性。

2.4 故障檢測(cè)與處理

圖6 IPM故障硬件處理電路原理圖

2.5 速度位置檢測(cè)

根據(jù)工業(yè)縫紉機(jī)±2°機(jī)械角精度要求，本文采用2500PPR、4倍頻的增量式光電編碼器，對(duì)電機(jī)進(jìn)行速度檢測(cè)，完全符合工業(yè)要求，且成本相對(duì)于高精度編碼器較低，易于接線維護(hù)。將光電編碼器的兩路正交脈沖輸出經(jīng)三極管放大，并隔離處理后輸入到DSP28335的EQEP1和EQEP2引腳上，降低了強(qiáng)弱電的干擾。為了獲得更精準(zhǔn)的控制性能，本文考慮電腦平縫機(jī)的運(yùn)行特點(diǎn)，利用M/T算法進(jìn)行速度測(cè)算。M/T算法兼具M(jìn)法和T法兩者之長(zhǎng)[6-7]，可同時(shí)測(cè)量檢測(cè)時(shí)間和該時(shí)間內(nèi)產(chǎn)生的脈沖數(shù)以確定轉(zhuǎn)速。其中，計(jì)算公式如下：

n=60M1F0/(ZM2)

(4)

由于DSP28335可同時(shí)進(jìn)行位置計(jì)數(shù)和捕獲，彌補(bǔ)了傳統(tǒng)控制芯片在使用EQP功能時(shí)，CAP單元被禁止的缺點(diǎn)，所以，該設(shè)計(jì)簡(jiǎn)化了軟件算法處理，提高了系統(tǒng)時(shí)效性，使整個(gè)系統(tǒng)的控制精度得到了極大提高。

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

依據(jù)前文的控制方案，結(jié)合數(shù)字式控制系統(tǒng)DSP的設(shè)計(jì)理念，實(shí)施了控制系統(tǒng)軟件的設(shè)計(jì)。由于本系統(tǒng)選用TMS320F28335作為控制核心，其獨(dú)具的浮點(diǎn)運(yùn)算、EQEP模塊和高精度AD等特點(diǎn)，大大簡(jiǎn)化了軟件程序的設(shè)計(jì)。所以，針對(duì)該系統(tǒng)的控制程序，從主程序和中斷程序兩部分出發(fā)，降低了程序的復(fù)雜性，更利于系統(tǒng)的調(diào)試和用戶(hù)的讀取。軟件設(shè)計(jì)程序流程如圖7所示，包括主程序、矢量控制中斷程序和故障中斷程序。

其中，主程序主要完成系統(tǒng)初始化、外設(shè)模塊初始化、故障判斷和主循環(huán)等待中斷等；矢量控制程序主要完成SVPWM驅(qū)動(dòng)信號(hào)的生成，包括直流母線電壓、相電流的采樣和速度位置的檢測(cè)；中斷處理主要完成各中斷的相應(yīng)功能，例如故障處理、通信調(diào)試。

4 系統(tǒng)測(cè)試與分析

本文測(cè)試電機(jī)由廠家提供，具體參數(shù)：額定電壓UN=220 V，額定功率PN=750 W，額定轉(zhuǎn)速nN=4 500 r/min，額定電流IN=1.5 A,額定轉(zhuǎn)矩TN=2.39 N*m，極對(duì)數(shù)p=2。

考慮電腦平縫機(jī)的實(shí)際需求，測(cè)定了不同轉(zhuǎn)速給定下的穩(wěn)態(tài)性能，如圖8所示。即在穩(wěn)態(tài)下，對(duì)1 000 r/min、2 000 r/min、3 000 r/min和4 500 r/min進(jìn)行響應(yīng)跟蹤。通過(guò)數(shù)據(jù)可知，電機(jī)響應(yīng)達(dá)到給定之后，會(huì)有細(xì)微波動(dòng)，且隨著給定轉(zhuǎn)速的增大波動(dòng)增大，但在最高速度時(shí)其超調(diào)仍小于5%，完全滿(mǎn)足工業(yè)要求。

圖8 穩(wěn)態(tài)轉(zhuǎn)速跟蹤曲線

為了測(cè)試系統(tǒng)控制性能，考慮實(shí)際主要應(yīng)用速度范圍，本文對(duì)啟動(dòng)至3 000 r/min時(shí)的U、V相電流進(jìn)行了檢測(cè)，如圖9所示。

圖9 啟動(dòng)至3 000 r/min時(shí)U、V相電流波形

由以上實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)可知，該控制系統(tǒng)動(dòng)態(tài)響應(yīng)快，在達(dá)到給定速度后，電機(jī)電流響應(yīng)平滑，因而穩(wěn)定性較好。

5 結(jié)論

根據(jù)工業(yè)經(jīng)濟(jì)發(fā)展要求，在分析了PMSM特點(diǎn)與SVPWM矢量控制系統(tǒng)的基礎(chǔ)上，本文利用DSP28335和IPM智能功率模塊為控制系統(tǒng)骨架，實(shí)現(xiàn)了數(shù)字化、一體化的電腦平縫機(jī)控制系統(tǒng)，并通過(guò)對(duì)元件的合理選用，降低了控制板硬件的干擾與成本，同時(shí)，降低了控制系統(tǒng)的算法復(fù)雜度。最后通過(guò)PCB制作，完成硬件系統(tǒng)，利用CCS6.0平臺(tái)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)測(cè)試，證明了本系統(tǒng)在穩(wěn)定性、準(zhǔn)確性和快速性上都能很好地達(dá)到工業(yè)實(shí)際要求，因此，本文研究開(kāi)發(fā)的電腦平縫機(jī)控制系統(tǒng)平臺(tái)具有極高的性?xún)r(jià)比，符合工業(yè)經(jīng)濟(jì)的發(fā)展需求。

[1] 胡睿．縫紉機(jī)的現(xiàn)狀與發(fā)展趨勢(shì)[J]．商業(yè)文化月刊,2011(9):316-317.

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Research on low cost PMSM control system of computer lockstitch based on DSP & IPM

Song Haiyan, Chen Kang

(College of Electrical Engineering and Automation, Fuzhou University, Fuzhou 350002, China)

In order to reduce the cost of the control system of the computer sewing machine and improve the performance of the control system, it is proposed that the optocoupler isolation drive mode, the independent power supply mode and the acquisition module high-speed optocoupler isolation protection measures. In this paper, SVPWM vector control strategy and PI regulator are used, and the anti - integral saturation and dead zone compensation strategy are added to improve the accuracy and stability of the system. Based on 32-bit floating point DSP and IPM intelligent power module to complete a set of highly integrated, low-cost, all-digital computer sewing machine control system. The test results show that the speed range, response speed, control accuracy and so on can meet the industrial requirements.

computer sewing machine; low cost; DSP&IPM; space vector control; full digital control

TM341; TM301.2

A

10.19358/j.issn.1674- 7720.2017.23.002

宋海燕，陳康.基于DSP&IPM的電腦平縫機(jī)低成本PMSM控制系統(tǒng)的研究[J].微型機(jī)與應(yīng)用，2017,36(23)：5-8,20.

2017-06-06)

宋海燕(1990-)，通信作者，女，碩士研究生，主要研究方向：嵌入式與集成電路設(shè)計(jì)。

陳康(1974-)，男，碩士，副教授，主要研究方向：嵌入式與集成電路設(shè)計(jì)。