基于DSP的工业缝纫机控制系统设计

作者：贲礼进 王正高 曹莹 孙美华 浦振托 南通纺织职业技术学院   2009-09-08  来源:电子产品世界  

　　引言

　　传统的工业缝纫机，主轴驱动大多采用离合器电机，缝制过程中的动作都靠机械和人工配合完成，存在效率低、体积大、调速范围窄、位置控制难、自动化程度低。另一方面，传统的工业缝纫机，由于主轴驱动靠离合器电机，通电后不管机器是否正处于缝制状态，电机都一直在高速运转耗电，不能实现有缝制动作时机器运转，没有缝制动作时机器停止，从而造成了大量电能浪费。

　　近年来德国杜克普(DURKOOP)，日本重机(JUKI)，日本兄弟(BROTHER)等国外公司，相继推出了缝纫机电脑控制系统，实现了缝制动作的自动化，大大提高了工作效率，降低了能耗，深受市场欢迎，但其价格一直居高不下，国内一般企业很难承受。为此开发低能耗、高可靠性，能实现较宽的调速范围、精确快速的位置控制并且价格低廉的高速工业缝纫机控制系统，替代进口，将会具有很好的市场前景。

　　系统设计

　　系统设计完成的是整体电控缝纫机的总体技术方案，它是完成电控缝纫机设计的最关键的一个步骤，该电控系统主要包括控制器、驱动器、电机、编码器、传感器、电磁铁等几个部分，系统框图如图1所示。



　　控制器

　　图1的控制器作为工业缝纫机控制系统的核心，一方面产生伺服电机驱动信号，送给驱动器控制缝纫机完成定针位，并完成各种不同线迹的控制功能，另一方面产生开关信号给功率开关电路，完成缝纫机的剪线、拨线、前后加固、抬压脚等动作。控制器的动作需要电机编码器信号、机头同步信号、脚踏板加减信号、电机电流传感器信号等信号的参与运算，以协调整个机器完成相应动作。该控制器的硬件电路如图2所示。



　　该控制器的主体核心采用TMS320F2406 DSP(U4)进行程序编程，以实现对永磁同步电机实行磁场定向控制。对永磁同步电机实行磁场定向控制的原理框图如图3。

　　通过电流传感器测量逆变器输出的定子电流iA、iB，经过DSP的A/D转换器转换成数字量，并利用iC=-(iA+ iB)计算出iC。通过Clarde变换将电流iA、iB、iC变换成旋转坐标系中的直流分量isq、isd，isq、isd作为电流环的负反馈量。

　　利用增量式编码器测量电动机的机械转角位移qm，并将其转换成电角度qe和转速n。电角度qe用于参与Park变换和逆变换的计算。转速n作为速度环的负反馈量。

　　给定转速nref与转速反馈量n的偏差经过速度PI调节器，其输出作为用于转矩控制的电流q轴参考分量isqref。isqref和 isdref(等于零)与电流反馈量isq、isd的偏差经过电流PI调节器，分别输出dq旋转坐标系的相电压分量Vsqref和Vsdref。 Vsqref和Vsdref再通过park逆变换转换成a b直角坐标系的定子相电压矢量的分量Vsaref和Vsbref。

　　当定子相电压矢量的分量Vsaref、Vsbref和其所在的扇区数已知时，就可以利用电压空间矢量SVPWM技术，产生PMW控制信号来控制逆变器。

　　以上操作可以全部采用软件来完成，从而实现三相永磁同步伺服电动机的全数字实时控制。

　　驱动器

　　驱动器是系统的功率变换部分，是驱动电机运转的关键部分，该部份包括整流、逆变、前置驱动、SVPWM驱动输出、电流检测及多种保护功能。硬件电路如图4所示。



　　电流环的运算需要DSP对电机相电流的检测 ，该系统设计只需要采集两相的电流(图3中iA，iB)，根据电流定理就可以知道第三相的电流了。本系统所采用电流传感器为LEM(莱姆)公司的LTS6-NP，如图4中U2，U3，其为霍尔型电流传感器。

　　图4中的IR2136(U1)是IR公司的高压IGBT驱动器，它接受来自DSP的6路PWM信号，处理后驱动图4中6只IGBT(Q1-Q6)，产生SVPWM信号，控制永磁同步电机的运转，以达到理想的伺服控制性能。

　　编码器

　　永磁同步电机精确控制离不开编码器，DSP只有通过对编码器A、B信号及U、V、W信号的检测计算，才能完成电机仍至整个系统的精确控制。另一方面，我们只有自己设计并制作编码器，才可将价格降到最低限度。

　　图5为编码器硬件图，U1(HEDS9701)采集A、B信号，PH-U、PH-V、PH-W三只光电开关检测产生U、V、W信号，它们与码盘一起装在电机内，检测电机转速、判断转子位置,并将采集信号送给DSP。DSP(TMS320F2406)内部带有正交编码模块，从编码器输出的正交信号输入DSP的PHASEA引脚和PHASEB引脚，内部的正交编码模块将信号进行四倍频，再由位置计数器计数从而可以确定转子的速度和位置。



　　PHASEA和PHASEB的输入信号首先必须通过一个干扰信号滤波器，该滤波器可以数字延时，可以滤除毛刺，保证只有真正的信号才进行计数。同时对于只用单个信号的控制，均可配置为单个的脉冲计数。

　　对于一个高速转轴编码器，转轴速度可以通过计算每单位时间内位置计数器的变化值来得到。对于电机低速时，由于输入PHASEA和PHASEB与通用定时器相连均可作为输入捕捉引脚，可以利用定时器测量正交相位之间的时间周期来得到高分辨率的速度测量。定时器模块利用一个16位的计数器，通过对总线时钟的分频来计数。对于一个1000齿的编码器来说，通过利用定时器测量速度可以精确测量到0.15转每分。