陳禹伶，何臻祥

（1.綿陽市維博電子有限責(zé)任公司四川綿陽621000；2.西南財經(jīng)大學(xué)天府學(xué)院，四川綿陽621000）

傳統(tǒng)的工業(yè)縫紉機主軸驅(qū)動多采用離合器電機，縫制動作主要通過機械和人工配合完成，存在工作效率低，調(diào)速性能差，位置控制難等問題。另一方面，國外的工業(yè)縫紉機由于其工作效率高、加工精度高、作業(yè)效率高贏得了相當(dāng)大的市場，但是其價格高昂，很多中小型企業(yè)難以承擔(dān)[1]。與此同時，人們對服飾的質(zhì)量和樣式的追求越來越高，而傳統(tǒng)的伺服系統(tǒng)運動精度低，縫紉機加工出來服飾質(zhì)量較差，不能滿足這樣的要求。因此本文對縫紉機伺服系統(tǒng)進行了研究，設(shè)計出一種基于DSP的直流無刷電機伺服控制系統(tǒng)，精確的速度和位置控制，顯著提高縫紉機的工作效率和精度[2]。

1　硬件設(shè)計

1.1　硬件系統(tǒng)設(shè)計

文中采用TI公司的DSP（TMS320LF2407）作為主處理芯片，搭建了直流無刷電機伺服控制系統(tǒng)。硬件電路主要包括整流電路、驅(qū)動電路、逆變電路和控制電路。硬件系統(tǒng)框圖如圖1所示。

圖1　硬件系統(tǒng)框圖

1.2　電源電路設(shè)計

如圖2所示為系統(tǒng)電源設(shè)計電路，本系統(tǒng)采用多電源供電，24 V主要用于電機供電，12 V用于功率模塊的供電，QD5V用電流檢測回路中的運算放大器，而外接5 V、3.3 V用于DSP處理器供電。

圖2　電源電路

1.3　DSP最小系統(tǒng)設(shè)計

DSP的最小系統(tǒng)包括復(fù)位電路、濾波電路、晶振電路。為了滿足開發(fā)的需求，對最小系統(tǒng)加入了鎖相環(huán)、JTAG接口、片外外存儲器以及指示燈。

1.4　功率驅(qū)動模塊

為了控制簡單可靠，本文采用智能功率模塊（IPM），選擇IR2136搭建了如圖3所示的功率驅(qū)動電路。

1.5　逆變器

隨著電機轉(zhuǎn)速的提高，換相的速度也要求越來越快。因此本設(shè)計中采用高速大功率IGBT設(shè)計H橋電路，如圖4所示，和IR2136配合工作，形成無刷電機驅(qū)動電路。

1.6　電流檢測

圖3　IR2136智能功率模塊

圖4　H橋驅(qū)動電路

目前對電流采樣較為常用的方法有電阻直接取樣法、利用霍爾元件（LEM）取樣法和利用電流互感器取樣法。其中電阻取樣法比較簡單，故本設(shè)計采用這種方式進行電流檢測。測試電阻選用康銅，其優(yōu)點有具有較低的電阻溫度系數(shù)，較寬的使用溫度范圍（480℃以下），加工性能良好。其檢測電路如圖5所示。

1.7　速度檢測

2　系統(tǒng)控制模型

2.1　無刷電機換相原理

直流無刷電動機相當(dāng)于3個換向片的普通直流電動機，不同的是它的換向是由開關(guān)管（mos管，IGBT等）來完成的。因此，電樞繞組是靜止不動的，而磁極旋轉(zhuǎn)[3-4]。直流無刷電動機的工作原理如圖6所示。

圖5　電流檢測電路

當(dāng)依次使開關(guān)管按61→12→23→34…的順序?qū)ǎ敲崔D(zhuǎn)子也會以一定的順序依次轉(zhuǎn)過60度。下面主要從電機內(nèi)部磁場變化來分析一下其旋轉(zhuǎn)的原理。當(dāng)開關(guān)管61導(dǎo)通時，此時的電流流向為：電源正極→開關(guān)管1→A相繞組→B相繞組→開關(guān)管6→電源負極。而這個時候定子磁勢Fa與C相繞組的軸線垂直，如圖6（a）所示。轉(zhuǎn)子磁極的磁勢設(shè)為Fr，定子磁場和轉(zhuǎn)子磁場方向的夾角為120度，故此時轉(zhuǎn)子順時針旋轉(zhuǎn)。當(dāng)轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)到Fr1的位置時，F(xiàn)a與Fr1的夾角為90度，此時電機的電磁轉(zhuǎn)矩到達最大。轉(zhuǎn)子繼續(xù)轉(zhuǎn)動，當(dāng)轉(zhuǎn)到Fr2的位置時，F(xiàn)a與Fr2的夾角為60度，而這個時候就需要控制電路使開關(guān)管2導(dǎo)通、開關(guān)管6截止。電流的流向變?yōu)椋弘娫凑龢O→開關(guān)管1→A相→C相→開關(guān)管2→電源負極。此時Fa轉(zhuǎn)過60度，如6（b）所示，而Fa與Fr之間的夾角又變成120度。如此重復(fù)，始終保持Fa與Fr之間的夾角在60°～120°的范圍內(nèi)。在無刷電機中，由于定子磁勢與轉(zhuǎn)子磁勢之間的夾角是周期性變化的（60°～120°），所以其電磁轉(zhuǎn)矩也是脈動的。

2.2　數(shù)學(xué)模型

和一般直流電機的電壓平衡方程，直流無刷電機的電壓平衡方程如下：

圖6　直流無刷電動機工作原理圖

則三相定子繞組的電壓平衡方程可用如下狀態(tài)方程表示：

分析以上狀態(tài)方程，可以把無刷電機等效成圖7的電路。

圖7　無刷電機等效電路

無刷電機的平均電磁轉(zhuǎn)矩：

其中 Ω=2πn/60；

在通電期間，無刷電機的通電直流導(dǎo)體處于相同的磁場下，通電相繞組的感應(yīng)電動勢為

則星型連接的無刷電機繞組感應(yīng)電動勢

因此無刷電機的最終電磁轉(zhuǎn)矩可表示為

3　軟件設(shè)計

3.1　控制流程

如圖8所示為系統(tǒng)控制流程圖。

圖8　系統(tǒng)控制流程圖

3.2　換相控制流程

如圖9所示，HA、HB、HC為霍爾傳感器信號，表示為當(dāng)前電機轉(zhuǎn)子的位置。A、B、C代表電機的三相，在本設(shè)計的軟件控制中即采用上述的換相時序，成功地驅(qū)動了電機。

圖9　電機換向流程

3.3　PID流程

所圖10所示為PID算法，此算法時該伺服系統(tǒng)的核心，其執(zhí)行率直接影響本系統(tǒng)的精度，因此放在中斷中。本系統(tǒng)采用了模糊自整定PID算法，處理器自動調(diào)整PID參數(shù)[5]，其結(jié)構(gòu)如圖11所示。

4　結(jié)束語

圖10　PID算法

圖11　自適應(yīng)模糊PID

文中對工業(yè)縫紉機無刷直流電機伺服系統(tǒng)進行了分析，實現(xiàn)了基于DSP的直流無刷伺服系統(tǒng)，改善了傳統(tǒng)縫紉機伺服系統(tǒng)的缺陷。同時，作者將本系統(tǒng)與當(dāng)前的縫紉機相結(jié)合，比較成功地達到了更高的縫紉精度和縫紉效率。

參考文獻：