（信号与信息处理专业论文）基于dsp的电脑绣花机电机控制系统的研究与实现.pdf

武汉理i ：人学硕十学位论文 摘要 随着改革丌放的深入和服装业的飞速发展，作为服装产业附属产业之一的 刺绣业也兴旺发达起来，刺绣这一传统的手工艺术在信息社会中得到了质的飞 跃。电脑绣花机就是传统的刺绣与电子、机械相结合的产物，电机控制是它的 核心。对于这种成本要求较高的产品，迫切需要开发高性价比的数控系统，本 文就是针对工业电脑绣花机电机控制系统进行研究设计。 论文首先分析了构成电脑绣花机的两种电机的特点、结构、工作原理及控 制方法。介绍了无刷直流同步电机的几种驱动方式并选择三相电机星形连接全 桥驱动方式作为本系统的控制策略；深入探讨了步进电机的各种驱动方法后选 取细分驱动技术，然后在对空间矢量p w m ( s v p w m ) 算法进行细致学习的基础 上，将其与细分控制技术结合，实现了一种基于d s p 的s v p w m 细分驱动及控 制技术。 硬件方面，选用1 1 公司的电机控制专用d s p 芯片t m s 3 2 0 f 2 8 1 2 作为主控 芯片。通过深入分析伺服系统各组成环节，根据t m s 3 2 0 f 2 8 1 2 的特点，完成直 流无刷同步电机伺服系统的设计：详细研究了基于t m s 3 2 0 f 2 8 1 2 的s v p w m 细 分技术，实现了对三相混合式步进电机的驱动和控制。 软件方面，使用模块化程序设计方法，针对上位机人机交互界面，采用c 语言完成所有图形库的设计；对于下位机电机主控系统，采用汇编语言与c 语 言相结合，实现了对主轴运动无刷直流同步电机、绣框运动三相混合式步进电 机的控制算法，在c c s 3 1 环境下对程序进行了调试和完善后下载烧写到d s p 的片内r a m 中进行协调运动控制。 在实验硬件装置和软件控制的基础上，进行了大量的测试和分析，实验证 明本文研究丌发的电脑绣花机电机控制系统设计精密合理、简单、可靠、高效， 具有快速响应、定位精确的特点，可实现人机交互、起停控制、调速、倒缝等 功能。测试结果表明整套控制系统硬件和软件设计合理可行，满足电脑绣花机 的缝制需要，性能稳定、可靠，具备良好的市场前景。 关键词：直流伺服电机，步进电机，细分，s v p w m ，d s p 武汉理。l ：人学硕士学位论文 a bs t r a c t a so n eo ft h ea t t a c h e di n d u s t r i e so ft h ec l o t h i n gi n d u s t r y , t h ee m b r o i d e r y i n d u s t r yf l o u r i s h e da l o n gw i t ht h ef u r t h e r i n go fr e f o r m a t i o na n do p e n i n ga n dt h e h i g h - s p e e dd e v e l o p m e n t o ft h e c l o t h i n gi n d u s t r y t h et r a d i t i o nh a n d w o r k i n ga r t e m b r o i d e r yh a sb e e nd e v e l o p e db yl e a p sa n db o u n d si ne s s e n c ei nt h ei n f o r m a t i o n s o c i e t y t h ec o m p u t e r i z e de m b r o i d e r ym a c h i n ei s t h ec o m b i n a t i o no ft h et r a d i t i o n e m b r o i d e r ya n de l e c t r i ca n dm a c h i n e r y , a n dt h ec o r eo fi ti st h ec o n t r o lo ft h em o t o r s i ti si n e v i t a b l et od e v e l o pt h en u m e r i c a lc o n t r o ls y s t e mw i t hh i 。g hp e r f o r m a n c e - p r i c e r a t i of o rt h i s p r o d u c to fh i g hc o s t t h en u m e r i c a l c o n t r o ls y s t e mf o ri n d u s t r i a l c o m p u t e r i z e de m b r o i d e r ym a c h i n eh a sb e e nr e s e a r c h e da n dd e s i g n e di nt h i sp a p e r f i r s t ，t h ec h a r a c t e r i s t i c ，t h es t r u c t u r e ，t h ew o r k i n gp r i n c i p l ea n dt h ec o n t r o l m e t h o do ft h em a i nt w ok i n d so fm o t o rc o m p o s e dt ot h ec o m p u t e r i z e de m b r o i d e r y m a c h i n eh a sb e e na n a l y z e d s e v e r a ld r i v i n gw a y sf o rt h es y n c h r o n o u sb r u s h l e s s d i r e c tc u r r e n tm o t o rh a sb e e na n a l y z e da n dt h e f u l l b r i d g ed r i v i n g m e t h o di n s t a r - s t y l ec o n n e c t i o no ft h r e e - - p h r a s em o t o rh a sb e e nc h o s e na st h ec o n t r o ls t r a t e g yi n t h i sp a p e r ；k i n d so fd r i v i n gw a y so fs t e p p i n gm o t o rh a sb e e nd e e p l yd i s c u s s e da n dt h e s u b d i v i s i o nd r i v i n gt e c h n o l o g yh a sb e e nc h o s e n t h es p a c ev e c t o ra l g o r i t h mh a sb e e n m e t i c u l o u s l ys t u d i e da n dac o n t r o lt e c h n o l o g yo fs v p w ms u b d i v i s i o nd r i v i n gb a s e d o nt h ed s ph a db e e na d v a n c e db yc o m b i n i n gt h es u b d i v i s i o nd r i v i n ga n dt h e s v p w m i nt h ea s p e c to fh a r d w a r e ，t h et m s 3 2 0 f 2 8 1 2d s pc h i pw h i c hi ss p e c i a l l yu s e d f o rm o t o rc o n t r o lo ft ic o m p a n yh a sb e e nu s e da st h em a i n c o n t r o lc h i pi nt h i sp a p e r b ya n a l y z i n ge v e r yc o m p o s i n gc h a i no fs e r v os y s t e md e e p l y , a n da c c o r d i n gt ot h e c h a r a c t e r i s t i co ft m s 3 2 0 f 2 8 12 ，t h ed e s i g no nt h es e r v os y s t e mo fb r u s h l e s sd i r e c t c u r r e n th a sb e e nf i n i s h e d t h es u b d i v i s i o nd r i v i n gt e c h n o l o g yw i t hs v p w mb a s e do n t m s 3 2 0 f 2 8 12h a sb e e nd e t a i l e da n a l y z e da n dt h e d r i v i n g a n dt h ec o n t r o lo f t h r e e p h r a s eh y b r i ds t e p p i n gm o t o rh a sb e e nr e a l i z e d i nt h ea s p e c to fs o f t w a r e ，t h em o d u l a r i z e dp r o g r a m m i n gm e t h o dh a sb e e n i i 武汉理j ：人学硕士学位论文 a d o p t e da n dt h ecl a n g u a g eh a sb e e nu s e dt od e s i g nt h ee n t i r ef i g u r es t a c k r e g a r dt o t h ec o n t r o ls y s t e mo fm a l l m a c h i n ei n t e r f a c eo fp c ，t h ea s s e m b l el a n g u a g ea n dt h ec l a n g u a g eh a sb e e nc o m b i n e du s e dt or e a l i z et h ec o n t r o la l g o r i t h m so fa l lm o t o r si nt h e c o m p u t e r i z e de m b r o i d e r ym a c h i n e a n dt h ep r o g r a m sh a sd e b u g g e da n dp e r f e c t e di n c c s 3 1a n dt h e nb u r n e di n t ot h er a mi nd s pf o rc o o r d i n a t em o v e m e n tc o n t r 0 1 a g r e a tq u a n t i t yo fe x p e r i m e n tt e s t i n ga n da n a l y z eh a sb e e nw o r k e do u ti nt h e b a s eo fh a r d w a r ei n s t a l l a t i o na n dc o n t r o ls o f t w a r e t h ee x p e r i m e n tr e s u l tp r o v e dt h a t t h en u m e r i c a lc o n t r o ls y s t e mo fc o m p u t e r i z e de m b r o i d e r ym a c h i n ed e s i g n e da n d d e v e l o p e di nt h i sp a p e ri se q u i t a b l e ，s i m p l e ，r e l i a b l ea n dh i g he f f e c t i th a st h ef e a t u r e o f r e s p o n s eq u i c k l y a n dl o c a t i o na c c u r a t ea n di tc a nr e a l i z et h ef u n c t i o n so f m a i l m a c h i n ei n t e r f a c e ，s t a r t s t o p p i n gc o n t r o l ，s p e e dr e g u l a t i o na n db a c k s t i t c h t h e t e s t i n gr e s u l td e m o n s t r a t e st h a tt h ew h o l eh a r d w a r ea n ds o f t w a r ei n t h i sc o n t r o l s y s t e mi sd e s i g n e dr e a s o n a b l ea n dp r a c t i c a b l e i tc a ns a t i s f yt h ed e m a n do ft h e c o m p u t e r i z e de m b r o i d e r ym a c h i n e t h ep e r f o r m a n c eo fi ti ss t e a d ya n dr e l i a b l e ，a n d t h ec o m p u t e r i z e de m b r o i d e r ym a c h i n eh a sf i n em a r k e tp r o s p e c t k e yw o r d s - d i r e c tc u r r e n ts e r v om o t o r , s t e p p i n gm o t o r , s u b d i v i s i o nd r i v i n g ， s v p w m ，d s p i i i 此页若属实，请研究生及导师签名，并装订在学位论文的摘要前。 独创性声明 本人声明，所呈交的论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成 果。据我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人已经发表 或撰写过的研究成果，也不包含为获得武汉理工大学或其它教育机构的学位或证书而使 用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说 明并表示了谢意。 研究生( 签名) ：趁她日期 关于论文使用授权的说明 徊g 玑2 0 本人完全了解武汉理工大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有权保留送 交论文的复印件，允许论文被查阅和借阅；学校可以公布论文的全部内容，可以采用影 印、缩印或其他复制手段保存论文。 ( 保密的论文在解密后应遵守此规定) 研究生( 签名) ：邀 导师( 签名) ：亘2 !日期幽：竺：垫 武汉理工大学硕十学位论文 第1 章绪论 1 1 电脑绣花机控制系统的现状与发展 “缝纫机”是人们比较习惯和熟悉的产品。这一产品的范围在社会发展和 时代进步中不断被放大、充实，至今已被赋予了更新、更广的内涵。缝纫机的 发明给人类社会进步和文明做出了巨大的贡献。有人曾对此做出这样的评价： 缝纫机是发明农用锄具之后对人类贡献极大的又一次发明。电脑绣花机就是传 统的刺绣与电子、机械相结合的产物，是缝纫机械中的一种高科技的机电产品， 主要用于进行大批量的刺绣生产。 电脑绣花机是当代最先进的绣花机械，它能使传统的手工绣花得以高速度、 高效率的实现，并且还能实现手工绣花无法达到的多层次、多功能、统一性和 完美性的要求。目前，世界上已有多家企业进军这一市场，其中不乏著名的电 脑绣花机品牌及机型。在国产电脑绣花机市场中，许多原来不生产绣花机的大 中型缝制设备企业纷纷涉足电脑绣花机领域，尤其是2 0 0 4 年掀起的生产绣花机 热潮后，这一趋势更加明显。 电脑绣花机是在电脑缝纫机的基础上发展起来的。多年来一直由机械技术 占统治地位的缝纫机领域，白1 9 7 5 年以来引入了电子技术，从此缝纫机开始进 入了电脑控制的机电一体化时代。电脑绣花机属于机电结合的高科技产物，它 通过电控系统来对机械部分进行运动控制，即绣花机的电路电控系统相当于人 的大脑及神经，它的诸多功能基本都是由电控系统决定。评价一台电脑绣花机 功能的好坏很大程度上就取决于该机型控制系统设计和完成的质量。 1 1 1 电机控制系统组成 随着控制理论和计算机技术的不断发展，工业和军事领域的相关技术要求 不断提高，对控制系统的体积、可靠性、快速性、廉价性的要求也越来越严格。 一个完整的闭环控制系统一般都包括前向通道、后向通道以及反馈通道等几个 部分。前向通道，即控制指令的输入通道，此通道一般可通过a d 转换接口或 其它通信方式；后向通道，即控制结果的输出，一般可通过d a 、p w m 或其它 武汉理一j ：人学硕士学位论文 的方式实现；反馈通道，是闭环控制系统的关键部分，一般通过a d 、s p i 、s c i 或特定的接口电路来实现。 影响一个控制系统性能好坏的另一个技术因素是控制算法的可靠实现1 1 】。控 制算法按实现方式可以分为模拟式和数字式，其中模拟式控制方法广泛应用于 2 0 世纪6 0 、7 0 年代，其控制算法( o hp i d 法) 由硬件电路实现，改变控制算法就 需改变电路结构，调试周期长，且由于电路器件参数可能随环境条件变化而变 化，控制稳定性很差，所以这种控制方式现已基本淘汰；数字式控制方式即为 计算机控制方式，其控制算法由软件实现，在不改变电路基本结构的情况下， 可随意改变控制算法及控制参数，调试极为方便，同时也为复杂控制算法的实 现提供了可能。 1 1 2 电机控制系统的发展概况 全数字化是电机控制系统发展的一个重要方向。自动控制技术与计算机技 术是同步发展的，计算机是控制系统的核心。由于单片机的出现，计算机在控 制领域的应用得到了一次新的突破。单片机具有体积小、成本低、功耗小、可 靠性高等一系列优点，在各种智能控制设备和仪器系统的应用中，可以真正做 到机、电、仪一体化。同时，单片机可方便的应用于多机控制或分布式控制， 从而使控制系统的控制效率和可靠性得到大大的提高。 作为一种特殊的单片机，d s p 也是将中央处理器、控制单元以及外围设备 集成到一块芯片上。不同于普通单片机的是，d s p 采用了多组总线技术实现并 行运行机制，从而极大地提高了运行速度。 早期的d s p 是针对数字信号处理的，尤其是语音信号、图像信号的处理， 由于这类信号处理的算法复杂，就要求d s p 具有强大的运算速度。随着d s p 技 术的不断改进，丌发软件和工具的不断完善，以及销售价格的大幅下降，d s p 在控制领域的应用也逐渐扩大。 1 2 电脑绣花机的控制策略 电脑绣花机是用微处理器进行三轴数控。数控系统控制x 和y 方向的两个步 进电机带动工作台作平面运动，同时监视检测绣针进行上下z 方向运动的伺服电 机的回转，) a 而对x - y 工作台及绣针的摆动完成间断运动的控制。在此基本原 2 武汉理l 人学硕士学位论文 理上，电脑绣花机还必须完成断线检测、数据存储等功能，使其工作稳定便捷。 它具有结构简单、工作稳定、功能多、自动化程度高、操作简便及噪声小等特 点。 1 2 1 直流电机的伺服控制 永磁无刷直流电机是近年随着电力电子技术和永磁材料的进步而迅速发展 起来的一种新型电机。它用一套电子换向装置代替了有刷直流电动机的机械换 向装置，既克服了有刷直流电动机机械换向带来的一系列缺点，又具备直流电 动机运行效率高、无励磁损耗以及调速性能好等诸多特点，因此在各个领域中 得到了广泛应用l 2 。 永磁无刷直流电动机是一种典型的机电一体化产品，主要由电动机本体、 位置传感器和电子开关线路组成，它的发展与永磁材料、电力电子技术、计算 机控制技术和检测技术的发展密切相关。而这些技术作为极具发展潜力的新兴 技术，必将在新技术蓬勃发展的2 1 世纪，获得更快、更大的发展，为永磁无刷 直流电机技术的高速发展提供不竭的动力。 伺服电动机又称为执行电动机，在自动控制系统中，用作执行元件，把所 收到的电信号转换成电动机轴上的角位移或角速度输出，它提供闭环反馈信号 来控制位置和转速。伺服电机驱动器接收电机编码器的反馈信号，并和指令脉 冲进行比较，从而构成了一个位置的半闭环控制。所以伺服电机不会出现丢步 现象，每一个指令脉冲都可以得到可靠响应。 伺服系统是使物体的位置、方位、状态等输出被控量能够跟随输入目标( 或 给定值) 的任意变化的自动控制系统。伺服的主要任务是按控制命令的要求、对 功率进行放大、变换与调控等处理，使驱动装置输出的力矩、速度和位置控制 灵活方便。 伺服系统在机电设备中具有重要的地位，高性能的伺服系统可以提供灵活、 方便、准确、快速的驱动。永磁无刷直流电动机是一个采用大功率电子开关元 件组成的逆变驱动电路供电的永磁同步电动机，可以说，除了永磁材料技术外， 电力电子技术( 含微电子技术) 和微型计算机技术( 含单片机) 又是永磁无刷直流电 动机发展的最为重要的支撑技术之一，其中大功率半导体器件的发展严重制约 着永磁无刷直流电动机的发展水平。电力电子技术自2 0 世纪5 0 年代后期诞生 以来，发展速度很快，其主功率器件经历了从最初的晶闸管到g t r 到m o s f e t 3 武汉理l ：人学硕士学位论文 再到i g b t ，从而使永磁无刷直流电动机具有更大的容量和更高的过载能力。特 别是7 0 年代后期，各种高速、全控型器件先后问世，使电力电子技术朝着全控 化、集成化、高频化和多功能化方向发展，为逆变器实现智能化、高频化和小 型化等创造了条件。在p w m 技术中采用功率场效应晶体管( m o s f e t ) 矛i 绝缘栅 双极性晶体管( i g b t ) ，丌关频率可达1 0 k h z 以上，电磁噪声和电流波形都得到 了改善，这些为永磁无刷直流电动机的驱动电路性能的提高开辟了道路。电力 电子技术作为一门极具发展潜力的新兴技术，在2 1 世纪必将获得更快更大的发 展，从而为永磁无刷直流电动机技术的高速发展提供强大的动力。 微型计算机( 含单片机) 自2 0 世纪6 0 年代后期诞生以来，发展速度十分迅猛， 其应用领域几乎成几何级数增长，如今已成功进入国民经济及社会发展的各个 领域，而电机控制也不例外。永磁无刷直流电动机性能的改善和提高，除了与 制成电动机本体尤其是转子永磁材料及电子驱动电路有关外，更与其控制器密 切相关，而由于永磁材料和功率半导体器件性能的提高受到许多客观因素的制 约和影响，在一定条件下具有一定的局限性，因此自2 0 世纪8 0 年代以来随着 微型计算机技术、控制技术、控制理论等的飞速发展，人们更多地从提高控制 器性能这条途径着手来提高永磁无刷直流电动机的性能，并取得了一些可喜的 成果。特别是进入9 0 年代以后，高速微处理器和d s p 器件的出现，保证了无刷 直流电动机性能的快速提高。此外先进的控制方法如滑模控制、变结构控制、 模糊控制和专家控制等被相继引入无刷电机控制器，从而推动着永磁无刷直流 电动机朝着高智能化、人性化、全数字化方向发展，为其进入数字化时代开辟 了新纪元。 1 2 2 步进电机的矢量控制 步进电机是纯粹的数字控制电动机，它将电脉冲信号转变成角位移，即给 一个脉冲信号，步进电机就转动一个角度。与交流伺服电机及直流伺服电机相 比，其突出优点就是价格低廉，并且无积累误差。但是，步进电机运行存在许 多不足之处，如低频振荡、噪声大、分辨率不高等，又严重制约了步进电机的 应用范围。 三相混合式步进电机的工作原理十分类似于交流永磁同步伺服电机，其转 子上所用永磁磁铁同样是具有高磁密特性的稀土永磁材料，在结构上，它相当 于一种多极对数的交流永磁同步电机。由于输入是三相正弦电流，因此产生的 4 武汉理工人学硕十学位论文 空间磁场呈圆形分布，而且可以用永磁式同步电机的结构模型分析三相混合式 步进电机的转矩特性。 1 9 7 1 年，由e b l a s c h k e 提出的矢量控制理论的基本原理为：以转子磁链这 一旋转空间矢量为参考坐标，将定子电流分解为相互正交的两个分量。一个与 磁链同方向，代表定子电流励磁分量；另一个与磁链方向正交，代表定子电流 转矩分量，然后分别对其进行独立控制，即实现解耦，以使电机获得像直流电 机一样良好的动态特性。矢量控制方法在实现过程中需要复杂的坐标变换，而 且对电机的参数依赖性较大【引。 1 3 基于d s p 的电脑绣花机控制系统的研究意义 近几年刺绣机行业的快速发展带动国内电机驱动领域的进步。控制主轴、 绣框运动的电机作为刺绣机执行机构也受到关注。电机的好坏，决定机器是否 能按照人们设定的要求正常工作；控制系统的质量决定了电机是否能精确执行 指令，是否能最大限度保证绣品质量，是否能在意外状况发生时自我保护，并 保障电机的正常工作。 数字化电机控制技术的发展，使得电机控制系统的性能得到了大幅度的提 高。由于现代电机控制理论的不断发展，对电机控制核心c p u 的要求也在 不断提高。目前的电机控制，不论电机的种类如何，绝大多数使用了p w m 控制 技术。由于高性能电机控制需要引入复杂的电机控制理论和信号处理技术，因 此为了在一个p w m 周期内完成信号采集、坐标变换、调节器运算、数字滤波和 p w m 生成等复杂算法，势必要求电机控制主芯片具有较高的运算能力。 考虑到成本和程序的安全性，实际电机控制系统较多采用片内存储器，因 此，对电机主控芯片的片内存储器空间也有了更高的要求。目前，工业上通用 的电机控制器越来越多地加入了p l c 的一些功能，使电机控制的功能不断扩展， 所以电机控制软件的体积也就不可避免的持续膨胀。另外，高度集成的片内外 设对电机控制系统来说是必不可少的。鉴于以上种种需求，d s p 的出现是势在 必行，而且它的技术也在不断完善，各个d s p 生产厂家也推出了一系列针对电 机控制的专用d s p 产品。 在电机专用d s p 芯片中，内部f l a s h 存储器的空间多在3 2 k b 以上，甚至多 达1 2 8 k b 以上，d s p 处理器的片内r a m 也越来越大。大多数定点d s p 处理器 武汉理_ j ：大学硕士学位论文 的数据宽度为1 6 位，但有的也使用2 0 、2 4 或3 2 位或更宽的数据宽度。而且它 们通常还会集成输入输出模块、p w m 模块、定时器模块、a d 转换模块和通信 模块等；有些d s p 甚至还会集成正交解码器模块、d a 转换模块、比较器模块 和温度传感器模块等。所有这些，都为电机控制提供了便利，增加了电机控制 系统的集成度，并有效地降低了系统的成本，同时还使系统的可靠性大大提高。 另外，d s p 的软件开发环境越来越多的支持c 语言编程；同时，c 语言和 汇编语言的混合编程也更加灵活、方便。一款良好的d s p 软件开发环境必然能 够给用户带来巨大的经济效益，这是因为电机控制系统的丌发主要是软件控制 算法的实现，良好的软件开发环境可以大大缩短产品开发周期，提高开发效率， 保证系统的可靠性。良好的软件开发环境不仅能提供便利的d s p 系统配置框架， 而且应能提供足够的设计参考例程，以便用户能在最短的时间内对d s p 处理器 内部功能模块有较深入的认识，能将d s p 中集成的各种功能有效地发挥其应有 的作用。 对于工业用电机控制应用领域，性价比是决定系统成败的关键因素之一， 好的d s p 处理器应该能够在满足系统性能要求的基础上做到价格最低【4 】。 1 4 论文的主要内容 随着高性能微处理器的诞生，电机控制系统正在向小型化、数字化、智能 化、高性能方向发展。本文借助于经典控制理论和现代控制理论相结合的方法， 围绕直流无刷同步电机和混合式步进电机构成的电控系统展开了研究，论文的 主要内容如下： 第1 章阐述本文选题的背景、目的、意义，对电脑绣花机控制系统的历史、 现状与发展做综述，然后介绍本文中电脑绣花机控制系统的控制策略和选取d s p 作为主控芯片的意义。 第2 章讲述电脑绣花机的d s p 控制方法。首先介绍基于d s p 的电脑绣花机 控制系统的系统组成，然后分别给出直流无刷同步电机和混合式步进电机的结 构、工作原理和驱动控制方法。分析直流无刷同步电机的几种驱动方式并选择 三相电机星形连接全桥驱动方式作为本系统对直流电机的控制方法；介绍步进 电机特点和混合式步进电机的工作原理和驱动技术，分析在步进电机控制领域 中广泛使用的细分驱动技术，研究控制永磁同步电机效果良好的空间矢量p w m 6 武汉理j ：人学硕+ 学位论文 算法( s v p w m ) 并将之与细分控制技术结合，确定混合式步进电机控制系统的控 制策略。 第3 章研究电脑绣花机控制系统的硬件设计、主控芯片的选择和介绍、直 流电机和步进电机控制系统的设计和实现方法。通过深入分析伺服系统各组成 环节，完成直流无刷同步电机伺服系统的设计；详细分析了基于t m s 3 2 0 f 2 8 1 2 的s v p w m 细分技术并实现对三相混合式步进电机的驱动和实现。 第4 章介绍电脑绣花机电机控制系统的软件设计及实现方法。首先介绍本 系统软件的总体结构，然后分别针对上位机人机交互界面和下位机电机主控系 统进行设计和开发，完成各界面函数和控制算法的设计。 第5 章展示本文设计的控制系统的运行结果，分上位机人机交互界面图形 和下位机电机运行波形图形，并给出相关介绍和分析。最后是全文总结。 7 武汉理j ：人学硕士学位论文 第2 章电脑绣花机的d s p 电机控制系统的原理研究 工业电脑绣花机由传统缝纫机机械部分、电机及电机控制器组成。绣花机 机械部分主要由主轴控制、绣框运动控制、换色控制、剪线控制等组成，这些 机构都是通过电机传动过来的动能进行工作。 目前，电脑绣花机电机伺服控制系统一般用同步电机作为驱动电机，使用 具有高精度的光电编码器作为位置传感器，采用高集成度的电流检测模块作为 电流传感器；在控制策略方面，采用三相电机星形连接全桥驱动方式，结合光 电编码器和电流传感器检测到的精确位置和相电流作精度较高的闭环控制1 5 j 。 2 1 电脑绣花机电机控制系统的总体架构 工业电脑绣花机电机控制系统是单头工业电脑绣花机控制系统的重要组成 部分。其系统的控制框图如图2 - 1 。 覃覃草覃 图2 - 1 单头绣电机控制系统框图 本控制系统的设计主要包括直流同步伺服电机放大器、混合式步进电机的 细分驱动控制、四相六线步进电机的驱动和控制三部分。其中绣花机下针速度 的控制( 即对主轴z 轴的控制) 由直流同步伺服电机放大器完成；x 和y 轴绣花 机移框的走向由混合式步进电机主要控制；电脑绣花机运行时的持针、换色、 剪线、勾线等功能由四个四相六线小步进电机完成，七个电机根据系统要求实 现加减速和长短针的变化时始终保持协调平稳的运行。 8 武汉理i ：人学硕+ 学位论文 2 2 直流电机的d s p 伺服控制 “伺, 眼( s e r v o ) ”这个词语源于希腊语，含有“奴隶”的意思，是按照控制 信号的要求而动作：控制信号到来之前，被控对象是静止不动的：接收到控制 信号后，被控对象则按要求动作；控制信号消失之后，被控对象又能自行停止。 伺服系统的主要任务就是按照控制命令的要求，对信号进行变换、调控和功率 放大等处理，使驱动装置输出的力矩、速度及位置都能得到灵活方便的控制。 伺服电机分为直流和交流伺服电动机两大类，其主要特点是，可使控制速 度，位置精度非常准确，当信号电压为零时无自转现象，转速随着转矩的增加 而匀速下降。永磁材料的发展极大地推动了永磁同步电动机的开发应用。在同 步电动机中用永磁体取代传统的电激磁磁极的好处是用永磁体替代电激磁磁 极，简化了结构，消除了转子的滑坏、电刷，实现了无刷结构，缩小了转子体 积；省去了激磁直流电源，消除了激磁损耗和发热。当今中小功率的同步电动 机绝大多数己采用永磁式结构。 综上所述，根据各种伺服电机的特点以及各种流行的控制器和算法，本控 制系统采用永磁无刷直流电机作为本项目的伺服电机。 2 2 1 无刷直流电动机的结构组成 直流无刷电动机的结构原理如图2 2 所示。 图2 2 直流无刷电动机的结构原理图 9 武汉理一r 人学硕十学位论文 由图2 2 可看出，直流无刷电动机主要由电动机本体、位置传感器和电子开 关线路三部分组成。电动机本体在结构上与永磁同步电动机相似，但没有笼型 绕阻和其他起动装置。其定子般制成多相( 三相、四相、五相不等) ，转子由永 久磁钢按一定极对数( 2 p = 2 ，4 ，) 组成。图2 2 中的电动机本体为三相两极。 三相定子绕组分别与电子开关线路中相应的功率开关器件联结，在图2 2 中，a 相、b 相、c 相绕组分别与功率开关管v l 、v 2 、v 3 相接。位置传感器的跟踪转 子与电动机转轴相连接。 当定子绕组的某一相通电时，该电流与转子永久磁钢的磁极所产生的磁场 相互作用而产生转矩，驱动转子旋转，再由位置传感器将转子磁钢位置变换成 电信号，去控制电子开关线路，从而使定子各相绕组按一定顺序导通，定子相 电流随转子位置的变化而按一定的次序换相。由于电子开关线路的导通次序是 与转子转角同步的，因而起到了机械换向器的换向作用。 因此，所谓直流无刷电动机，就其基本结构而言，可以认为是一台由电子 开关线路、永磁式同步电动机以及位置传感器三者组成的“电动机系统”，其原 理框图如图2 3 所示。 图2 3 直流无刷电动机的原理框图 电动机转子的永久磁钢与永磁有刷电动机中所使用的永久磁钢的作用相 似，均是在电动机的气隙中建立足够的磁场。其不同之处在于，直流无刷电动 机中永久磁钢装在转子上，而直流有刷电动机的磁钢装在定子上。 直流无刷电动机电子开关线路是用来控制电动机定子上各相绕组通电的顺 序和时间，主要由功率逻辑开关单元和位置传感器信号处理单元两个部分组成。 功率逻辑丌关单元是控制电路的核心，其功能是将电源的功率以一定逻辑关系 分配给直流无刷电动机定子上各相绕组，以便使电动机产生持续不断的转矩， 而各相绕组导通的顺序和时间主要取决于来自位置传感器的信号。但位置传感 器所产生的信号一般不能直接用来控制功率逻辑开关单元，往往需要经过一定 逻辑处理后才能去控制逻辑开关单元，如图2 4 所示。 1 0 武汉理一l 人学硕十学位论文 图2 4 直流无刷电动机的组成框图 2 2 2 无刷直流电动机的基本工作原理 直流无刷电动机为了实现无电刷换向，首先要求把一般直流电动机的电枢 绕组放在定子上，把永磁磁钢放在转子上，这与传统直流永磁电动机的结构刚 好相反。但仅这样做还是不行的，因为用一般直流电源给定子各绕组供电，只 能产生固定磁场，它不能与运动中转子磁钢所产生的永磁磁场相互作用，以产 生单一方向的转矩来驱动转子转动。所以，直流无刷电动机除了由定子和转子 组成电动机的本体以外，还要由位置传感器、控制器以及功率逻辑开关共同构 成的换向装置，使得直流无刷电动机在运行过程中定子绕组所产生磁场和转动 中的转子磁钢产生的永磁磁场，在空问始终保持一定的电角度。 下面以三相星型联结绕组为例来进步阐述直流无刷电动机的工作原理和 特点，图2 5 为三相直流无刷电动机半控桥电路原理图。 图2 - 5 三相绕组直流无刷电动机 武汉理一j ：人学硕十学位论文 在图2 。5 中，采用光电器件作为位置传感器，以三只功率晶体管v 1 、v 2 和 v 3 构成功率逻辑单元。三只光电器件v p l 、v p 2 、v p 3 的安装位置各相差1 2 0 0 ， 均匀分布在电动机一端。借助安装在电动机轴上的旋转遮光板( t g 称截光器) 的作 用，使得从光源射来的光线依次照射在各个光电器件上，并依照某一光电器件 是否被照射到光线来判断转子磁极的位置。图2 5 所示的转子位置和图2 6 ( a ) 所示的位置相对应。 c b ( b ) c b ( c ) ( d ) 图2 6 开关顺序及定子磁场旋转示意图 由于此时光电器件v p l 被光照射，从而使功率晶体管v 1 呈导通状态，电流 流入绕组a a ，该绕组电流同转子磁极作用后所产生的转矩使转子的磁极按图 2 - 6 中的箭头方向( 顺时针方向) 转动。当转子磁极转到图2 - 6 ( b ) 所示的位置时， 直接装在转子轴上的旋转遮光板亦跟着同步转动，并遮住v p l 而使v p 2 受光照 射，从而使晶体管v 1 截止，晶体管v 2 导通，电流从绕组a - a ，断开而流入绕组 b b ，使得转子磁极继续朝箭头方向转动，并带动遮光板同时朝顺时针方向旋 转。当转子磁极转到图2 - 6 ( c ) 所示位置时，此时旋转遮光板已经遮住v p 2 ，使 v p 3 被光照射，导致晶体管v 2 截止、晶体管v 3 导通，因而电流流入绕组c c ， 于是驱动转子磁极继续朝顺时针方向旋转，并重新回到图2 - 6 ( a ) 的位置。 这样，随着位置传感器转子扇形片的转动，定子绕组在位置传感器v p l 、 v p 2 、v p 3 的控制下，便一相相地依次馈电，实现了各项绕组电流的换相。不 难看出，在换相过程中，定子各相绕组在工作气隙内所形成的旋转磁场是跳跃 式的。这种旋转磁场在3 6 0 0 电角度范围内有三种磁状态，每种磁状态持续1 2 0 。 1 2 武汉理t 大学硕士学位论文 电角度。 图2 7 表示了各相绕组的导通示意图，设图2 6 ( a ) 为第一状态，f a 为绕 组a a ，通电后所产生的磁动势。绕组电流与转子磁场的相互作用，使转子顺时 针方向旋转；转过1 2 0 0 电角度后，便进入第二状态，这是绕组a a ，断电，而绕 组b b 随之通电，即定子绕组所产生的磁场转过了1 2 0 0 ，如图2 6 ( b ) 所示， 电动机转子继续顺时针方向旋转；再转过1 2 0 。电角度，便进入第三状态，这时 绕组b b 断电，c c 通电，定子绕组所产生的磁场又转过了1 2 0 。电角度，如图 2 6 ( c ) 所示；它继续驱动转子顺时针方向转过1 2 0 。电角度后就恢复到初始状态 了。 l 二i 二 垡 b b ，+ i 垡 c d b。 i 垡 图2 7 各相绕组的导通示意图 这样周而复始，电动机转子便连续不断地旋转。由以上分析可知当转子每 转过6 0 。电角度时，逆变器开关管之间就进行一次换流，定子磁状态就改变一次。 可见，电机定子有6 个磁链状态，其中每一状态都是两相绕组导通，每相绕组 中流过电流的时间相当于转子旋转1 2 0 。电角度，每个开关管的导通角也是1 2 0 。， 故该变器是1 2 0 。两两导通型。因此为了保证无刷直流同步电动机的正常换向， 必须有位置检测单元，为其提供转子的位置信号。 2 2 3 无刷直流电动机的驱动控制方法 直流无刷电动机的应用，己遍及各个技术领域，其控制方法和运行方式五 花八门，层出不穷。从一定意义上说，直流无刷电动机的一个分支，除了不能 采用变励磁调速方法( 因转子磁极为永久磁刚) 外，其他一切直流电动机的转速控 制方法均可用来控制直流无刷电动机。 在前面有介绍过，直流无刷电动机实际上是一个由电动机本体、功率管主 电路和转子磁钢位置传感器合并在一起，称之为电子换向器，其主要功能是保 1 3 武汉理l ：人学硕士学位论文 证无刷直流电机的工作原理动机定子绕组准确换向，确保直流无刷电动机在运 行过程中，定转子两磁场始终保持基本上垂直，以提高其运行效率。直流无刷 电动机的本体，主要分为定子和转子两部分。 2 2 3 1 驱动方式选择 无刷直流电机有多种结构，相数有三相、四相、五相不等。每种电机可分 为半桥驱动和全桥驱动，全桥驱动时电机绕组又可分为星形和三角形连接以及 不同的通电方式( 即同时通电的相数) ，不同的绕组接法和驱动方式的选择将会使 电动机产生不同的性能并且成本也不同，主要从以下三个方面来进行分析： ( 1 ) 绕组利用率。无刷直流电动机的绕组是断续通电的，适当的提高绕组通 电利用率将可以使同时通电导体数增加，使电阻下降，提高效率。从这个角度 来看，三相比四相好，四相比五相好，全桥比半桥好。 ( 2 ) 转矩的波动。无刷直流电动机的输出转矩波动比普通直流电动机大，因 此希望尽量减小转矩波动。一般相数越多，转矩的波动越小，全桥驱动比半桥 驱动转矩的波动小。 ( 3 ) 电路成本。相数越多，驱动电路所使用的开关管越多，成本越高，全桥 驱动比半桥驱动所使用的开关管多一倍，因此成本要高。多相电动机的结构复 杂，成本也副。丌。 综合上述分析，三相电机星形连接全桥驱动方式综合性能最好，应用最多， 本系统即是选择的这种控制方式。 2 2 3 2 驱动原理 图2 8 三相无刷直流电机星型连接全桥驱动电路 1 4 武汉理t 大学硕+ 学位论文 t 、 义f ，一、? 3 旋毒 撩麓 止髹 羝 、舡幽 b h 2 - ，w 图2 9 电子换向器的工作原理 图2 8 是三相无刷直流电动机星形连接全桥驱动时的电路原理图，采用两相 导通三相六状态工作方式，在电机运行过程中，霍尔位置传感器不断检测电机 当前位置，控制器根据当前位置信息来判断下一个电子换向器的导通时序。 如图2 - 9 、图2 1 0 是本系统电机j 下常运行时，电机各相绕组的导通时序和霍 尔传感器输出信号关系图。 1 8 0 03 6 0 0 5 4 0 0 图2 1 0 霍尔元件发生时序图 图中h 1 ，h 2 和h 3 分别表示霍尔位置传感器的信号，h i 的有效期为x 轴 到u 轴的正半周，h 2 的有效期为v 轴到y 轴的正半周，h 3 的有效期为w 轴 到z 轴的j 下