基于DSP的工业缝纫机用电机控制系统

引言

根据工业缝纫机的性能，提出了一套以DSP为核心的永磁同步电机控制系统设计方案。详述了其关键部分的功能与实现方法，设计了电路原理图，完成了系统软、硬件设计和系统的安装；并对样机系统的各项性能进行了测试。很好地实现了系统的调速范围宽、定位精度高的要求，增强了产品的市场竞争力。

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，日本重机，日本兄弟等国外公司，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。

图3 永磁同步电机实行磁场定向控制的原理框图

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。

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