袁 野，廖紅華，田相鵬，樊 姍，段勇強，鄭 才

(湖北民族大學(xué) 信息工程學(xué)院，湖北 恩施 445000)

無刷直流電機因其利用電子換向器取代傳統(tǒng)機械電刷和機械換向裝置，較好地克服了因電刷及換向器所帶來的一些缺點[1-3]，如噪聲、換相火花、電磁干擾、電刷磨損以及可靠性差等，在工業(yè)縫紉機直流伺服控制系統(tǒng)中的應(yīng)用越來越廣.

無刷直流電機的工業(yè)縫紉機伺服系統(tǒng)是一個多變量、非線性、強耦合、大滯后的系統(tǒng)，系統(tǒng)指標(biāo)要求其具有很強的快速性、穩(wěn)定性，如啟動快，停車迅速，其時間、調(diào)速平滑等[4-6].

本文針對于實際項目需求，設(shè)計了一種基于R7F0C009B單片機的工業(yè)縫紉機控制器，該控制器能實現(xiàn)工業(yè)縫紉機系統(tǒng)的快速穩(wěn)定響應(yīng)，其控制方式采用雙閉環(huán)調(diào)速控制方式.

1 工業(yè)縫紉機雙閉環(huán)調(diào)速控制模型

基于雙閉環(huán)調(diào)速控制的工業(yè)縫紉機雙閉環(huán)調(diào)速控制系統(tǒng)原理圖如圖1所示.

系統(tǒng)控制采用的雙閉環(huán)調(diào)速控制策略，即：電流內(nèi)環(huán)與速度外環(huán)[7].其中轉(zhuǎn)速外環(huán)起主導(dǎo)作用，用以實現(xiàn)電機在變負載時以給定的轉(zhuǎn)速運轉(zhuǎn).實際轉(zhuǎn)速與給定轉(zhuǎn)速的差值作為控制母線電流參考電流的輸入控制量，實現(xiàn)變負載條件下轉(zhuǎn)速能夠快速跟隨給定的轉(zhuǎn)速.電流內(nèi)環(huán)主要控制電流的變化，實現(xiàn)變負載情況下的轉(zhuǎn)矩適時調(diào)整，同時也起到限流的作用，防止定子繞組電流過大燒壞電機或者IGBT開關(guān)管.在雙閉環(huán)調(diào)速控制策略的控制下系統(tǒng)通過PWM波形直接控制IGBT的導(dǎo)通，實現(xiàn)電機的轉(zhuǎn)速、電流控制.

圖1 工業(yè)縫紉機雙閉環(huán)調(diào)速控制系統(tǒng)原理圖Fig.1 The principle diagram of double closed loop speed control system for industrial sewing machine

圖2 基于直流無刷電機的工業(yè)縫紉機系統(tǒng)框圖Fig.2 The block diagram of industrial sewing machine system based on DC brushless motor

圖3 R7F0C009B最小系統(tǒng)電路圖Fig.3 The circuit diagram of minimum system based on R7F0C009B MCU

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計

系統(tǒng)主要包含三部分：無刷直流電機、無刷直流電機控制、工業(yè)縫紉機機車傳感器及輔助部分.其中無刷直流電機控制器主要包含電網(wǎng)電壓的前級處理電路、IGBT及驅(qū)動電路、R7F0C009B最小系統(tǒng)、母線電流采樣電路、踏板傳感器調(diào)理電路、定針傳感器調(diào)理電路和低壓電源電路等；工業(yè)縫紉機機車傳感器及輔助部分包括人機交互界面，如按鍵電路和LED顯示電路，實現(xiàn)轉(zhuǎn)速設(shè)置，啟動時間等；踏板傳電路、定針傳感電路以及機架等.設(shè)計時踏板傳感電路采用線性霍爾元件和磁鐵相配合的設(shè)計方案.基于直流無刷電機的工業(yè)縫紉機系統(tǒng)整體框圖如圖2所示.

2.1 R7F0C009B單片機

系統(tǒng)微控制器選用瑞薩8位微控制器芯片R7F0C009B，該微控制器針對直流無刷電機方面的應(yīng)用主要優(yōu)勢有：最短指令執(zhí)行時間可從高速(0.041 67 μs，高速內(nèi)部振蕩器時鐘24 MHz運行)到低速(1.0 μs，高速內(nèi)部振蕩器時鐘1 MHz運行)的最短指令執(zhí)行；具有閃存ROM和RAM容量，滿足低成本的電機控制；內(nèi)置單電源閃存(有塊擦除/編程禁止功能)，可以實現(xiàn)掉電數(shù)據(jù)保存；內(nèi)置上電復(fù)位(POR)電路和電壓檢測電路(LVD)，可省略外部復(fù)位電路；支持乘除和乘加運算指令，可實現(xiàn)計算量較大的算法運算；內(nèi)置定時器RD，該定時器有4個通道，每個通道均有一對互補輸出引腳，適合無刷直流電機的控制，對于三相星型連接的無刷直流電機，僅需其中三路互補輸出即可，可快速實現(xiàn)換相操作；內(nèi)置模擬放大器(PGA)、兩路比較器，結(jié)合事件連接器ELC，當(dāng)電機過流時，ELC可以直接通知定時器RD實現(xiàn)快速關(guān)斷開關(guān)管，而不需要經(jīng)過中斷或者CPU，提高響應(yīng)速度，快速實現(xiàn)電機的過流保護等.系統(tǒng)設(shè)計時，三路霍爾信號通過調(diào)理電路后，可直接與中斷接口相連，中斷配置為上升沿/下降沿觸發(fā)中斷，既可以實現(xiàn)快速換相操作，也可以結(jié)合內(nèi)置定時器陣列單元實現(xiàn)轉(zhuǎn)速的測量.基于R7F0C009B的最小系統(tǒng)電路圖如圖3所示.

圖4 U相/V相IGBT及驅(qū)動電路原理圖Fig.4 The U/V-Phase IGBT and the driving circuits schematic diagram

圖5 W相IGBT、IGBT驅(qū)動電路與母線電流采樣電路圖Fig.5 The W-Phase IGBT,the IGBT driving circuits and the bus current sampling circuit diagram

圖6 4位數(shù)碼管顯示電路原理圖Fig.6 The schematic diagram of 4-digit digital tube display circuits

圖7 參數(shù)按鍵輸入電路原理圖Fig.7 The schematic diagram of parameter key input circuits

2.2 IGBT及驅(qū)動電路

由于所控制的無刷直流電機額定功率為600 W，系統(tǒng)設(shè)計時，選用半橋式MOSFET柵極驅(qū)動器IR2103S芯片控制IGBT開關(guān)管(IKA15N60CFD).在選擇IGBT開關(guān)管時，將最大耐壓值、最大導(dǎo)通電流作為優(yōu)先考慮因素[8].考慮到IGBT開關(guān)時的浪涌值，選擇IGBT的額定電壓為600 V，最大導(dǎo)通電流為15 A.

由于無刷直流電機為三相.即：U相、V相、W相.所以系統(tǒng)中需要三片IR2103S，其中，設(shè)計時U相與V相電路參數(shù)相同，U相/V相IGBT及驅(qū)動電路原理圖如圖4所示.

電路中的R29和R31阻值為200 kΩ，主要是考慮到電機的為感性負載，降低IGBT在打開或者關(guān)閉瞬間因為感性負載導(dǎo)致的沖擊電壓，從而保護IGBT.

W相IGBT及驅(qū)動電路驅(qū)動與母線電流采樣電路原理圖如圖5所示.

W相驅(qū)動電路和U、V相驅(qū)動電路相比較，不同之處在于添加了兩個CBB濾波電容和母線電流采樣電路.母線電流采樣電阻采用兩個0.1 Ω/1W/1%的電阻，分為兩路輸入到單片機.一路接入到單片機的PGA接口用于做過流保護，該路用一個10 kΩ上拉電阻，其目的是為了減小紋波對電流信號的影響；另一路通過RC低通濾波后直接輸入到微控制器內(nèi)置的ADC，用于對母線電流采樣，實現(xiàn)電流內(nèi)環(huán)的PI調(diào)節(jié).

2.3 顯示電路與輸入電路

顯示電路采用4位數(shù)碼管顯示方案，設(shè)計時，主要考慮到低成本的伺服控制系統(tǒng)通常只需要顯示轉(zhuǎn)速、轉(zhuǎn)向、故障代碼、功能設(shè)置，而且功能設(shè)置通常采用一些自定義的編號即可.其數(shù)碼管顯示電路原理圖如圖6所示.

參數(shù)按鍵輸入電路采用4個按鍵，功能分別設(shè)置為定針、轉(zhuǎn)向、速度+和速度-.參數(shù)按鍵輸入電路電原理如圖7所示.

設(shè)計時，為了節(jié)省微控制IO端口，采用ADC采樣的方式進行按鍵功能判別.當(dāng)按鍵S4按下時，輸入到ADC的電壓為0 V；當(dāng)按鍵S3按下時，輸入到ADC的電壓為1.25 V；當(dāng)按鍵S2按下時，輸入到ADC的電壓為5 V；當(dāng)按鍵S1按下的時候，輸入到ADC的電壓為3.75 V.ADC根據(jù)采樣到的電壓值來判斷是哪一個按鍵被按下.

2.4 霍爾傳感器及信號調(diào)理電路

系統(tǒng)設(shè)計時，選擇SS461A型號霍爾傳感器，該霍爾傳感器為雙極性鎖存開關(guān)型霍爾傳感器，動點/釋放點對稱于零點高斯(雙極鎖存)，具有很高的輸出電流能力，最大絕對電流達到50 mA[9].霍爾信號為驅(qū)動無刷直流電機運行的關(guān)鍵信號，因為直流無刷電機是根據(jù)霍爾信號的高低電平來換相操作，如果霍爾信號錯誤或者被干擾，那么將導(dǎo)致IGBT驅(qū)動信號錯誤，輕則引起電機不轉(zhuǎn)動，重則燒壞IGBT或者電機.因此，霍爾信號調(diào)理電路的設(shè)計和濾波處理就顯得非常重要.

圖8 系統(tǒng)軟件狀態(tài)轉(zhuǎn)換圖Fig.8 The state transition diagram of system software

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計

系統(tǒng)主程序采用狀態(tài)機的方法編程，主要分為五個狀態(tài)，分別是：空閑模式、運行模式、停止模式、過流保護模式和調(diào)速拉桿下拉模式.其系統(tǒng)軟件狀態(tài)轉(zhuǎn)換如圖8所示.

系統(tǒng)上電完成初始化后，系統(tǒng)進入空閑模式，在該模式下開關(guān)管處于關(guān)閉狀態(tài)，電機停止轉(zhuǎn)動；運行按鍵調(diào)整程序，檢測霍爾信號和調(diào)速拉桿的模擬電壓，當(dāng)拉桿輸入的電壓大于1.8V時并且霍爾信號檢測正常(電機正常接入)，系統(tǒng)進入到運行模式.在運行模式下，電機的運行分為三個狀態(tài)：啟動狀態(tài)、正常運行狀態(tài)和剎車狀態(tài)；當(dāng)檢測到調(diào)速拉桿歸位(典型輸入到單片機的電壓為1.2 V)，系統(tǒng)進入到停止模式.在停止模式下，當(dāng)檢測到電機停轉(zhuǎn)并且調(diào)速拉桿歸位時，系統(tǒng)返回到空閑態(tài).在正常運行模式下，當(dāng)檢測到電流過流，就進入到過流保護模式.在過流保護模式下，當(dāng)檢測到電機停轉(zhuǎn)并且調(diào)速拉桿歸位時，系統(tǒng)返回到空閑態(tài).調(diào)速拉桿下拉模式暫為保留模式，便于后期開發(fā)其它功能選用.

4 測試與分析

測試分為兩個部分：一是控制器的關(guān)鍵硬件部分的波形分析；二是控制器功能測試.其中前者主要有IGBT驅(qū)動電壓波形測試分析、霍爾信號波形測試分析、母線電流波形分析等.后者主要測試啟動時間測試、剎車時間測試、轉(zhuǎn)速穩(wěn)定性測試、過載保護等功能測試.

4.1 電路波形分析

控制器測試平臺及測試信號波形如圖9所示.

(a) (b) (c) (d) (a)為基于R7F0C009B單片機的工業(yè)縫紉機控制器及測試平臺；(b)為模擬負載條件下母線電流波形；(c)為 U/V相驅(qū)動電壓測試波形；(d)為霍爾信號測試波形.圖9 測試平臺及測試信號波形Fig.9 The test platform and the test signal waveforms

測試時，為了安全考慮，母線電壓選采用60V直流電壓供電，圖9(b)為模擬負載條件下的母線電流波形，該電流波形為脈沖波形，脈沖波形的幅值隨著負載的變化而變化，當(dāng)負載較重時，幅值增大；當(dāng)負載較輕時，幅值減小.同時也可以看到電流波形的毛刺較多，為了減小毛刺干擾的影響，在系統(tǒng)設(shè)計時，可在PWM-ON的中間時刻采樣電流值.由于選用的為Siglent 的SDS2304-E型示波器，測試通道僅4路，為此對6路換相信號波形測試僅測試UV相；圖9(c)為U/V相換相信號HO、VS波形，經(jīng)對比時序可以看出，時序控制正常，同時，進一步放大U+相的IGBT驅(qū)動電壓波形，可知IGBT的控制端口的上升沿和下降沿均較為陡峭，進一步放大波形，可以看出上升沿的時間為1 μs，下降沿的時間為1.5 μs，驅(qū)動效果較好；圖9(d)為3路霍爾信號波形，該組波形是經(jīng)過74HC14整形后輸入到單片機的3路霍爾信號的波形圖，由圖9可以看出，經(jīng)施密特電路整形后的波形效果較好，時序關(guān)系也與理論相一致.

4.2 控制器功能測試

1)電機啟動時間測試.系統(tǒng)設(shè)計要求電機從檢測到調(diào)速拉桿被踩下到設(shè)定的最大轉(zhuǎn)速，啟動時間應(yīng)小于200 ms.實際調(diào)試時，為準(zhǔn)確測試啟動時間，利用單片機定時器TAU的通道0產(chǎn)生的1 ms定時中斷，在程序中設(shè)定一個計數(shù)變量，用來記錄從檢測到調(diào)速拉桿被踩下到電機達到設(shè)定的轉(zhuǎn)速之間的時間，并將這個時間顯示在LED數(shù)碼管上，實際測試結(jié)果如表1所示.

表1 電機啟動時間測試結(jié)果Tab.1 The test results of motor start-up time

表2 電機剎車(制動)時間測試結(jié)果Tab.2 The test results of motor brake time

從表1可以看出，所設(shè)計的控制器啟動時間滿足要求，在達到最大轉(zhuǎn)速5 000 r/min的啟動時間均不超過200 ms，達到了設(shè)計目標(biāo).

2)控制器剎車時間測試.系統(tǒng)設(shè)計要求電機剎車(制動)時間應(yīng)小于200 ms，測試方法與測試啟動時間方法類似，其測試結(jié)果如表2所示.

從表2可以看出，所設(shè)計的控制器剎車(制動)時間滿足設(shè)計的要求，在最大轉(zhuǎn)速5 000 r/min時剎車(制動)時間小于200 ms，達到了設(shè)計目標(biāo).

5 結(jié)語

基于R7F0C009B單片機設(shè)計了一種用于工業(yè)縫紉機直流無刷電機控制的控制器，該控制器采用雙閉環(huán)調(diào)速控制方式實現(xiàn)系統(tǒng)電流、轉(zhuǎn)速的精準(zhǔn)控制.試驗結(jié)果表明：采用該方案設(shè)計的控制器具有電路結(jié)構(gòu)簡單、體積小、系統(tǒng)性能穩(wěn)定、起控性能好、性價比高等優(yōu)點，能滿足工業(yè)縫紉機直流無刷電機實際控制的動態(tài)和靜態(tài)性能要求，具有較好的市場前景,適合于批量生產(chǎn).