（控制理论与控制工程专业论文）工业平缝机控制系统设计.pdf

两北1 ：业大学硕士学位论文摘要 摘要 随着服装业的兴起，工业缝纫机越来越受到人们的重视，而伺服控制器是 工业缝纫机的核心。对于这种成本要求较高的产品，迫切需要丌发高性价比的 伺服系统。本文就是针对工业缝纫机伺服系统进行研究设计。 论文首先分析了缝纫机伺服系统的原理、结构。其次，在无刷直流电机的 工作原理和数学模型的基础上，分析比较了满足稳速伺服要求的控制方法，选 用全数字双闭环控制策略。其中，速度调节环采用模糊p i d 控制算法、电流调 节环采用积分分离的p i 控制算法。再次，针对无刷直流电机转矩脉动问题，选 择能较好抑制转矩脉动的p w m调制方式。_oil 在整个控制系统中，硬件部分选用h a t e l 公司的8 0 c 1 9 6 单片机作为主控芯 片，三菱p s l l 0 1 5i p m 作为功率驱动模块。硬件设计精密合理，具有简单、可 靠、高效的特点。软件部分的设计使用c 语言和汇编语言，采用模块化程序设 计方法，其中包括：系统初始化子程序、键盘扫描子程序、换相子程序、速度 环模糊p f f ) 子程序、电流环积分分离p i 子程序、数据计算及处理子程序、工 缝机各种模式功能模块。 系统具有快速响应、定位精确的特点，可实现自动上下停针位、自动切线、 自动倒缝、自动定针缝等功能。同时设计脚踏板调速器实现调速功能，并没计 机头定位器实现上下停针功能。缝纫模式和参数由操作面板进行设置。测试结 果表明整套控制系统硬件和软件设计合理i _ l _ j 1 亍，满足工业平缝机的缝制需要， 性能稳定、可靠，具备良好的市场前景。 关键词：工业平缝机控制系统，无刷直流电动机，模糊p i d 控制， 8 0 c 1 9 6 m c ，智能功率模块 硒北工业大学硕士学位论文a b s t r a c t a b s t r a c t w i t ht h er i s i n go ft h er a gt r a d e ，t h ei n d u s t r ys a r t o r i u sb e c a m em o r ea n dm o f e i m p o r t a n t ，a n dt h es e r v oc o n t r o l l e ri st h ec o r eo fi n d u s t r ys a r t o r i u s ，e s p e c i a l l yf o r s u c hh i 曲p r o d u c t i o nc o s ti n d u s t r i a ls e w i n gm a c h i n e s ，t h es e r v oc o n t r o ls y s t e mw i t h l o wc o s tb u th i g hp e r f o r m a n c ei si nu r g e n tn e e d t h er e s e a r c ha n dd e s i g no ft h i s a r t i c l ew e r ed o n ef o rt h ei t e mo f i n d u s t r ys a r t o r i u s a tf i r s t ，t h et h e s i sd i s c u s s e st h ee l e m e n t sm a dt h ef l a m eo fi n d u s t r ys a r t o r i u s s e r v oc o n t r o ls y s t e m s e c o n d l y a f t e ri n t r o d u c i n gt h ep r i n c i p l ea n dm a t h e m a t i c sm o d e l o fb l c d m ，t h ef u l ld i g i t a ld u a l l o o pc o n t r o lt a c t i ci s a d o p t e dt oa c h i e v eg o o d d y n a m i ca n ds t a t i cc h a r a c t e r i s t i c s f o rt h es e r v oc o n t r o l s y s t e mb a s e do ns o m e b e n e f i c i a lp r a c t i c a lr e s e a r c ha b o u tt h em a i na l g o r i t h m f u z z y p i dc o n t r o l l e ri su s e di n t h ev e l o c i t yi n n e rl o o pd e s i g n ；i n t e g r a t i o ns e p a r a t i o np i dc o n t r o la r i t h m e t i ci sc h o s e n i nt h ec i r c u i to u t e rl o o p a i m i n ga tt h ed i s t u r b a n c eo ft h eb l d c mt o r q u er i p p l e ，t h et h e s i sc o n c i s e l y a n a l y z e st h ed i f f e r e n tp w m m o d e si n f l u e n c e so nt h es t a t i ca n dc o m m u t a t i o nt o r q u e r i p p l e i nd e t a i l t h ep w m o nm o d u l a t i o nt y p ei s a d o p t e db e c a u s e o fi t s b e s t p e r f o r m a n c et or e d u c et h et o r q u er i p p l e 8 0 c 1 9 6 m cm c ui ss e l e c t e da st h ec p uo ft h ew h o l eh a r d w a r es y s t e ma n d p s l 10 15i n t e l l i g e n tp o w e r m o d u l e ( i p m ) i ss e l e c t e df o rp o w e rd r i v e c i r c u i td e s i g ni s p r e c i s ea n dr e a s o n a b l ew i t ht h ec h a r a c t e r i s t i c so fs i m p l e ，t m s t w o r t h ya n dh i g h e f f i c i e n c y cl a n g u a g ea n da s s e m b l el a n g u a g ea r eu s e di nt h es o f t w a r ed e s i g no ft h e s e r v os y s t e mw h i c ha d o p t e dm o d u l a r i z e dd e s i g nm e t h o d t h es y s t e ms o f t w a r e i n c l u d e ss e v e r a lm o d u l e s ，s u c ha ss y s t e mi n i t i a l i z a t i o nm o d u l e ，k e y b o a r ds c a n n i n g m o d u l e ，p h a s ec o m m u t a t i o nm o d u l e ，v e l o c i t ym o d u l e ，c u r r e n ti n t e g r a t i o ns e p a r a t i o n p im o d u l e ，d a t ac o m p u t i n ga n dd e a l i n g ，c o n t r o lf u n c t i o nm o d u l e s s e r v oc o n t r o ls y s t e mf o ri n d u s t r i a ll o c k s t i t c hs e w i n gm a c h i n ep r o v i d e sf a s t r e s p o n s ea n ds u f f i c i e n tp r e c i s i o nc o n t r o lo fs p e e da n dp o s i t i o n a u t o m a t i cf u n c t i o n s s u c ha sn e e d l ep o s i t i o n i n g ，a u t o m a t i ct r i m m e ra n dw i p e r ，b a c k t r a c k i n g ，c o n s t a n t - s t i t c hs e w i n ga r ef u l f i l l e d p e d a ls e n s o ri sd e s i g n e df o rs p e e da d j u s t m e n ta n d s y n c h r o n i z e ri sd e s i g n e df o rn e e d l ep o s i t i o n i n g a no p e r a t i o np a n e li sa l s od e s i g r i e d t os e ts e w i n gp a t t e r na n ds e w i n gp a r a m e t e r s r e s u l t so f t h es y s t e mt e s t ss h o wt h a tt h ed e s i g no f t h es o f t w a r ea n dh a r d w a r ea r e r e a s o n a b l ew h i c hs a r i s f yt h es e w i n gn e e d s t h ew h o l ec o n t r o ls y s t e mh a sg o o d 两北工业大学硕士学位论文 a b s t t a c t p e r f o r m a n c ew i t hl o w e rc o s ta n dh a sb r i g h tm a r k e tp r o s p e c t k e yw o r d s ：s e r v oc o n t r o ls y s t e mf o ri n d u s t r i a l l o c k s t i t c hs e w i n gm a c h i n e ， b r u s h l e s sd cm o t o r , f u z z y c o n t r o l ，8 0 c19 6 m c ，i p m i i i 西北工业大学 学位论文知识产权声明书 本人完全了解学校有关保护知识产权的规定，即：研究生在校攻读 学位期间论文工作的知识产权单位属于西北工业大学。学校有权保留并 向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电予版。本人允许论文被查 阅和借阅。学校可以将本学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进 行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。 同时本人保证，毕业后结合学位论文研究课题再撰写的文章律注明作 者单位为西北工业大学。 保密论文待解密后适用本声明。 学位论文作者签名： 盂堡选 d 7 年华月 石日 指导教师签名 篮 旌塑 v 月6 日 西北工业大学 学位论文原创性声明 秉承学校严谨的学风和优良的科学道德，本人郑重声明：所墨交的 学位论文，是本人在导师的指导下进行研究12 作所取得的成果。尽我所 知，除文中已经注明引用的内容和致谢的地方外，本沧文不包含任何其 他个人或集体已经公开发表或撰写过的研究成果，不包含本人或他人已 申请学位或其它用途使用过的成果。对本文的研究做出重要贡献的个人 和集体，均已在文中以明确方式标明。 本人学位论文与资料若有不实，愿意承担一切相关的法律责仔。 学位论文作者签名： 盘囊疆 d 7 年乒月# e l 曲el 一业人学硕十学 市论文第一章绪论 第一章绪论 本章首先分析课题产生的背景，概述工业缝纫机及其伺服控制系统的技术背 景和发展现状，进而根据技术和市场需求提出工业缝纫机控制系统的设计方案。 然后对控制系统设计上的关键技术：永磁无刷直流电机伺服控制系统、其控制策 略和脉宽调制方式的研究现状进行总结和综述。最后给出了本文重点研究的内容 和文章的结构安排。 1 1 课题产生的背景 1 1 1 工业缝纫机概念 工业缝纫机是相对于机械式缝纫机而言，其含义概要地说就是缝纫机的挑 线、钩线、送料等执行部件仍沿用原机械机构，而控制方面则采用电子或微电脑 系统控制1 1 】。产品一般可分为两种：一是含有编程和c p u 处理控制系统的称为“微 机控制”或“电脑控制系统”；二是无编程和c p u 处理的称为“电子控制系统”， 其中电子控制技术较为简单。从控制内容的广度来区分又可分为”单机电脑控制” 和”缝纫单元( 缝纫组合) 电脑控制两大类，后者智能化、自动化程度更高。相对于 机械式缝纫机而言，工业缝纫机在多个方面有显著的优势。例如，机械式缝纫机 无法完成的自动停针位、自动线迹技术、自动加固缝、自动缝绣等操作，工业缝 纫机都可以轻松地完成，还可以根据缝制过程中工作条件的变化，在自动检测和 信息反馈后自动重新设定缝制工作的数据，并继续正常工作；其优点还有诸如减 少机械零部件的应用、操作省力、使用伺服马达系统可以节省能源消耗等。 从工业缝纫机的实际用途和使用范围来区分，工业缝纫机总体上可分为普通 缝纫机和特种缝纫机两大类。普通缝纫机，一般指各种使用最普通的平缝机，这 种缝纫机，可以完成一般服装加工的拼、傍、接、合、钩、订、纳、夹、缉等工 序，把一件衣服缝制成功。特种缝纫机，一般指各种只能完成单一工序或只能在 有限工序上使用的缝纫设备，所以也叫专用缝纫机。例如：包缝机、钉扣机、锁 眼机、曲折缝缝纫机、橇边机、绣花机等【2 】。本文设计的就是工业平缝机。 曲北i 业大学硕十学位论文第一章绪论 1 1 2 工业平缝机发展现状1 3 | 1 4 国内机电一体化缝纫机生产起步于上世纪8 0 年代中期，其需求量现在正以 指数增长趋势在稳步增长。到2 0 0 0 年，我国的智能化工业缝纫机保有量不超过 2 万台。到了2 0 0 4 年，每年对于智能化工业缝纫机的需求就超过5 万台，而且 这一需求还在不断飞速增大。 然而碍于条件发展得较慢，就目前国内市场而言，以平缝机为例，机电一体 化的电脑平缝机约占平缝机市场2 0 的市场份额。机电一体化缝纫机技术含量 高，优势是能够在很大程度上提高生产效率，但是因为先期研制开发投入较大， 相对成本较高，成批生产还有赖于社会电子工业的配合和提供合适的元器件，因 此机电一体化缝纫机在价格上就处于劣势了。8 0 年代末，在电脑刺绣机领域内 首先取得成功。上世纪9 0 年代，科技发展和电脑技术的日趋成熟，高速平缝机 这个产品在缝纫机行业的应用也有所突破。目前，中国工业缝纫机的产量已占全 球市场的7 0 以上，但竞争力与国际先进水平相比还有一段差距。中国工业缝纫 机行业中的5 个中国名牌产品( 上工、标准、飞跃、中捷、宝石) 在科技、管理、 质量、信息等方面正紧追德国、日本等国家先进水平，在某些方面国产品牌已经 可以直接与国际知名品牌抗衡，甚至产品性价比已远远超过国际品牌。来自中国 缝制机械行业的最新信息表明，工业缝纫机自2 0 0 3 年入围中国名牌产品评价目 录，并于同年9 月产生了上工、标准、飞跃、中捷、宝石等5 个中国名牌产品以 来，全行业品牌发展意识不断增强，并在规模化生产、市场占有率等方面呈现出 良好发展态势，而且名牌产品的领跑作用越发明显。目前，中国工业缝纫机的产 量已占全球市场的7 0 以上，但全行业核心竞争力与德国、日本等国际先进水平 相比，尚有一定差距，特别是在中高端产品领域，国内品牌的竞争优势和品牌优 势还未充分体现。基于此，中国缝制机械协会将在今年工业缝纫机再度进入中国 名牌产品复评之机，进一步加大全行业名牌战略实施力度，引导企业加大自主创 新力度以及产品结构调整力度，不断提高核心竞争力，逐渐缩小与国际品牌的差 距。“十一五”期间，中国缝制机械协会将加大培育一批拥有自主知识产权的知名 品牌和有较强国际竞争能力的优势企业。 从以上两个方面看来，飞速增大的市场空间与相对短缺的供应水平构成了极 大的对比，因而也鲜明体现出智能化工业缝纫机控制系统的巨大前景和发展空 间。所以机电一体化的产品应该是今后我国缝制机械制造企业主攻的方向，可以 预计机电一体化缝纫机普及将成为我国缝纫机工业技术发展的必然趋势f 5 l 。 2 砷北j - 业人学硕十学仿论文第一章绪论 1 2 系统控制策略 随着控制理论的发展，经典控制理论和现代控制理论己经形成了比较完善的 体系，并在无刷直流电机伺服控制系统中得到了成功的应用。无刷直流电机是一 个非线性、多变量、强耦合的高阶控制对象，近年来国内外控制专家采用现代控 制理论的方法进行了广泛深入的研究并取得了显著的进步。主要分为如下几类1 6 】： 1 1 矢量变换控制技术 2 ) 直接转矩控制技术 3 ) p i d 控制 4 1 自适应控制 5 1 滑模变结构控制 6 ) 智能控制，较为成熟的有模糊控制和神经网络控制 7 1 预测函数控制 8 1 基于遗传算法的优化技术 9 ) 复合控制策略 结合实际情况，在本系统中电流环采用积分分离的p i 控制法，速度环选用 模糊p i d 控制方法。下面就详细叙述各控制方法的特点。 ( 1 ) 积分分离的p i 控制3 】 为了满足不同控制系统的需要，需要对普通p i d 控制算法进行改进，而积分 分离的p i 控制正是其中的一种改进措施。在普通的控制中，积分的目的主要是 消除误差、提高精度。但在过程的启动、结束或大幅度增减设定值，短时间内系 统出现了很大的误差，会造成误差的大量累积，最终引起系统较大的超调，甚至 引起系统的振荡，这是在控制当中不允许的。积分分离法就是在开始时不进行积 分，直至偏差达到一定的值，才引入积分累积。这样一方面防止有过大的控制量， 另一方面即使进入饱和后，因积分累计小，也能较快退出，减少了系统超调。 ( 2 ) p i d 控制 p i d 控制是比例p 、积分i 、微分d 控制的简称。只要比例数、积分时间、 微分时间三个参数整定恰当，就可以避免调节过程过分振荡，又能实现无差控制， 而且具有抑制超调的作用，能够有效地克服动态误差和缩短调节过程时间。p i d 控制结构简单、算法易懂、使用方便、适应性广、鲁棒性强，是工业过程控制中 最常见的控制器，p i d 控制回路占世界工业控制回路总数的8 0 9 0 t 。 ( 3 ) 模糊控制【1 4 】 自从1 9 6 5 年美国加利福尼亚大学的z a d e n 教授创建模糊集理论和1 9 7 4 年英 3 两北l 业大学硕十学位论文第一章绪论 国的m a m d a n e 成功地将模糊控制应用于锅炉和蒸汽机控制以来，模糊控制得以 广泛发展并在工业实践中得以成功应用1 8 , 9 j 。模糊控制是基于模糊推理，模仿人 的思维方式，对难以建立精确数学模型的对象实施的一种控制方法。它是模糊数 学同控制理论相结合的产物和智能控制的重要组成部分，是处理控制系统中不精 确和不确定性的一种有效方法。由于无刷直流电动机是一种非线性、强耦合、多 变量的控制对象，所以模糊控制在解决交流电动机的控制方面取得了许多重要的 结果【8 1 ”，是一种在运动控制中比较成熟的智能控制。图1 1 所示为模糊控制系 统的基本原理框图。 给麓斟圈埋摊剐斟酬 模糊控制器 图卜1模糊控制系统的原理框图 它的组成核心是具有智能性的模糊控制器。模糊控制系统的主要部件是模糊 化过程、知识库( 含数据库和规则库) 、推理决策和精确化计算。模糊控制器的控 制规律由计算机的程序实现。图1 2 是其结构图。 图1 - 2 模糊控制器基本结构图 模糊控制器必须具备下列三个重要功能： ( 1 ) 把系统的输入量从数字量转化为模糊量。 ( 2 ) 对模糊量由给定的规则进行模糊推理( 规则库、推理决策完成) 。 ( 3 ) 把推理结果的模糊输出量转化为实际系统能够接受的精确数字量和模拟 量( 精确化接口) 。 所以，模糊控制器的设计问题就是模糊化过程、知识库( 含数据库和规则库) 、 4 西北1 二业大宁硕十宁何论文第一章绪论 推理决策和精确化计算四部分的设计问题。模糊化过程主要完成：测量输入变量 的值，并将数字表示形式的输入量转化为通常用语言值表示的某一限定码的序 数。每一个限定码表示论域内的一个模糊子集，并由其隶属函数来定义。对于某 一个输入值，它必定与某一个特定限定码的隶属程度相对应。知识库包括数据库 和规则库。数据库提供必要的定义，包含了语言控制规则论域的离散化、量化和 正则化以及输入空间的分区、隶属度函数的定义等。规则库根据控制目的和控制 策略给出了一套由语言变量描述的并由专家或自学习产生的控制规则的集合。推 理决策逻辑是模糊控制的核心，它利用知识库的信息模拟人类的推理决策过程， 给出合适控制量。精确化是将推理得到的模糊集合中取一个能最佳代表这个模糊 推理结果可能性的精确值的过程。 模糊控制特别适合于非线性、强耦合、多变量的控制对象。因此，在交流电 动机的控制应用中有较强的优势，但是单纯地将一个简单的传统的模糊控制器用 于高精度电机传动系统，还不能得到令人满意的性能。模糊控制系统只有与其他 控制方法结合，才能获得优良的性能。 ( 4 ) 模糊p i d 控制【1 1 , 1 2 它是一种把p i d 控制策略引入f u z z y 控制器中的控制方法。在工业控制过 程中，经常会遇到滞后、时变、非线性的复杂系统。而且其中有的参数未知或者 随着环境的变化不断变化，有的根本无法获得精确的数学模型。考虑到使用模糊 控制器实现的简易性和快速性，通常用二维模糊控制器结构形式。它具有类似于 常规p d 控制器的作用，具有良好的动态特性，而静态特性不令人满意。在线性 控制理论知识中，比例控制作用动态响应快，积分作用能消除稳态误差，但动态 响应慢。因此把p i d 控制策略引入模糊控制器，构成模糊p i d 复合控制，是改 善模糊控制器稳态性能的一种途径。目前这种复合控制器有多种构成形式，其工 作原理也有所差别f 13 1 。将模糊与p i d 控制结合起来，扬长避短，即具有模糊控制 灵活而适应性强的优点，又具p i d 控制精度高的优点。 1 3 系统基本工作原理概述 本系统采用i n t e l8 0 c 1 9 6 m c 单片机作为控制核心，对永磁同步无刷直流伺 服电机进行全过程精确控制；平缝机的机头的转动是通过无刷直流电机驱动来完 成；自动剪线，自动挑线，自动反缝等功能分别由控制器控制剪线阀，挑线阀， 反缝阀与机械机构配合来完成；还可以通过操作面板实现与控制系统的信息交 换，信息设置，并有液晶显示器l c d 来显示系统当前的状态；可以由脚踏板提 5 曲北r 业人学硕十学付论文第一苹绪论 供调速、剪线、挑线和制动等信号给控制系统。另外，也可以通过面板设置用户 需要的某些功能，例如是否需要剪线，是否需要反缝，设詈最大转速，设置需要 缝纫的针数等一系列参数，而仅由脚踏板提供起动信号，即可完成相应的功能， 操作简单易学。整个控制系统结合运用了光、机、电、磁、电力电子、数字控制、 通信技术与故障诊断技术，适应力矩变化大、反应快速、定位准确的技术要求， 具有过压、欠压、短路、过流、堵转等保护功能。电机采用无刷直流伺服电机， 且功率大、转速高、效率增加；并具有运行振动小、噪声低的特点。可以广泛应 用于自动电脑平缝机、皮革厚料缝纫机等。 1 4 课题研究过程中的主要工作 工业平缝机伺服系统的研究工作很复杂，其中涉及许多相关学科和知识，笔 者进行的主要工作内容如下： 1 在对伺服系统进行了深入分析后，选用i n t e l 公司的8 0 c 1 9 6 芯片作为控制 器，设计了硬件电路并编写了软件程序。在完成系统各部分独立调试后进行了系 统联调。 2 建立了基于无刷直流电机的仿真模型，对双闭环控制策略中的电流调节 环和速度调节环分别建模，在此基础上对整个控制系统进行了仿真分析。 3 设计了基于无刷直流伺服系统的双环控制算法。在转速调节器的控制方 法上，采用模糊p i d 控制方法；在电流调节器的设计中，采用了积分分离的p i 控制方法。系统调试结果满足性能指标要求。 4 参照目前一些抗干扰和可靠性方面技术，在分析本系统和控制器8 0 c 1 9 6 特点基础上，提出了基于此系统的硬件抗干扰和软件抗干扰的实用方法。 1 5 课题的技术难点 1 系统起动和停止快速性要求，对伺服电机过电流能力和伺服控制的动态 性能提出了较高的要求。 2 系统的机针停止定位精度不易保证，同时这也影响到是否能顺利切线和 拨线。在目前系统硬件条件下，如何将定位精度控制在2 5 0 以内有一定的难度。 3 负载具有很大的非线性，如何防止系统出现振荡，给系统的设计和调试 带来很大困难。 4 电机起停非常频繁，对脚踏板和控制器硬件电路的可靠性有很高的要求。 6 西北l 业入学硕十学俯论文第一章绪论 1 6 论文研究的内容和结构 根据系统性能指标的要求，查找资料，进行系统设计方案的论证和设计。提 出带转速、电流反馈的双闭环伺服控制系统。其中包括以下几方面：伺服电机的 选择、伺服电机数学模型的建立、伺服电机脉宽调制方式选择，以及转矩脉动的 分析和抑制等问题。 系统的快速制动是伺服系统的重要指标，也是系统的难点。论文对系统的制 动过程能量转换进行了分析和研究，最后提出了软件制动和反接制动相互结合的 方案。 系统硬件电路的设计和实现，包括构成系统的四个部分设计与实现，尤其对 于驱动部分的设计进行了详细的介绍。 系统软件的设计与调试。使用模块化的设计方法，分别实现系统的功能。包 括系统初始化模块、人机交互模块、电机调速模块、程序缝模块、系统制动模块 等的实现。 对调试好的系统进行性能测试。如果不满足要求，进行修改，直至达到要求。 以下是本文的结构安排： 第一章绪论 第二章控制系统总体方案设计 第三章伺服系统建模与仿真分析 第四章系统硬件主要部分设计 第五章系统软件主要部分设计 第六章测试结果 7 两北 j 业人学硕十学何论文第二章伺服系统总体方案设计 第二章伺服系统总体方案设计 本章首先介绍工业平缝机控制系统的组成原理及其实现方案，然后通过对伺 服电机运动规律和其数学模型的分析，确定了伺服控制系统的控制策略。 2 1 控制系统组成 如图2 - 1 所示，工业平缝机控制系统主要由四个部分组成：伺服控制器、功 率驱动器、伺服电机( 无刷直流电机) 、电磁阀。各部分的功能如下： 1 伺服控制器：控制单台电机即主驱动电机的运动，面向操作者，接收设定 的信息，显示运行状况，驱动电磁铁，完成辅助机构的功能，如：剪线、扫线、 前后加固等。 2 功率驱动器：主要完成伺服电机的定子电流的产生，并保护电路不被损坏。 3 电磁阀：接收伺服控制器的指示完成剪线、吸放反缝阀、抬压脚、扫线头 等动作。 摊竹i 敬臂憾板撺倒鳓鹱l 辩嚣 之乡 佃瞅控制器控制赫电路槭) 么 之乡彳 功翠骐动嚣 电融一 机又倪簧 ( i 电路板批堪料 电帆自【拦l商警爿之之胡机导p 图2 - 1 平缝机伺服系统结构图 其中，伺服控制器，i p m 功率器、控制踏板传感器都安装在一个箱体中，通 常把这个箱体叫做控制盒。伺服电机和电机位置传感器集成在一起，电磁阀、机 头位置传感器都安装在缝纫机机体上。除了主要的控制箱以外，还有两个重要的 硬件系统，一个是脚踏板传感器，另外一个是缝纫机机头位置传感器。脚踏板传 感器在缝纫机系统中起的作用：作为电机的启动信号，速度给定信号以及剪线信 号的发生控制器。机头位置传感器提供伺服电机位置信号。 8 曲北1 业人中硕十学位论文 第一章伺服系统总体方案设计 此外，其它部分的功能分别为：操作面板提供人机接口，可以设定当前的缝 纫模式或系统参数，比如最大速度、反缝速度、是否自动剪线等；伺服电机通过 皮带带动缝纫机轴旋转。 2 2 系统性能指标要求1 t s l 工业平缝机控制系统的技术指标叙述如下： 1 可实现自动剪线、自动反缝、自动挑线，并符合实际缝纫需要； 2 所有电磁阀工作电压：3 6 v d c ：i 作电流小于5 a ； 3 起动轻柔、迅速，起动时间小于2 0 0 m s ： 4 停针迅速、准确，制动时间小于1 2 0 m s ； 5 要求缝纫机停位精度控制在皮带轮对应的上下针位2 5 。以内，并保证 自动剪线和挑线时不打断缝纫机机针； 6 制动后缝纫机从高速到停止动作连惯，没有滞后的痕迹； 7 从高速到停止到剪线，整个过程动作连贯，剪线后，布料上线头长度小 于7 m m ； 8 缝纫时线迹重合精度要好，误差l o ： 9 机头发生堵转或其他原因使控制系统接受不到速度信号时，2 5 s 内控制 系统应进入自动保护状态。 2 3 伺服电机的选择1 6 , 1 7 | 伺服电机是伺服系统的执行机构，在稀土材料的广泛应用和微电子技术、智 能功率集成电路的进一步发展普及以及电力电子技术、电动机技术和现代控制理 论等迅速发展的同时，稀土永磁同步电机得到了广泛应用，正逐渐取代了以直流 伺服电机为控制对象的直流伺服系统。它不仅保持了传统无刷直流电机的优点， 还具有以下几方面的优越性： 1 电机的重量可明显降低，体积减小； 2 永磁转子的外径大大减小，从而减小了转子的转动惯量，降低了时间常数， 减小力矩波动； 3 稀土永磁电机的磁场定向性好，因而容易实现在气隙中建立类似于矩形波 的磁场，电机可以设计成方波电机，当与1 2 0 。导通型逆变器相匹配时，可实现 方波驱动，从而减小转矩脉动，提高了电机的输出力矩。 在稀土永磁同步电机中，一般可选择无刷直流电动机( b l d c mb r u s h l e s s d i r e c tc u r r e n tm o t o r ) 或正弦波永磁同步电动机( p m s mp e r m a n e n tm a g n e t 9 西北丁业人学硕十学何论文 第一二章伺服系统总体方案殴计 s y n c h r o n o u sm o t o r ) 作为伺服电机。它们都属于永磁同步电机且二者的电机结构 基本上是一样的。两者最大的区别是：正弦波永磁同步电动机转子表明呈抛物线 型，其电枢反电动势通常是正弦波，所以又称正弦波电机；而无刷直流电机转子 表明呈梯型，具有梯形波的反电势波形所以又可称方波电机。 正弦波永磁同步电动机主要用于要求高的伺服系统中，其电子装置和控制方 法均比无刷直流电动机复杂。与正弦波电机相比，无刷直流电机的优势在于：反 馈装置简单，功率密度更高，输出转矩更大，控制结构更为简单，使电机和逆变 器各自的潜力得到充分的发挥。因此，本系统选择方波无刷直流电机作为伺服系 统的执行机构。 2 4 无刷直流电机结构 2 4 1 无刷直流电机组成1 1 9 l 无刷直流电动机的组成原理框图如图2 2 中虚线框内部分所示，无刷直流电 动机是一种自控变频的永磁同步电动机。就其基本组成结构而言，可以认为是由 电力电子开关逆变器、无刷直流电动机和磁极位置检测电路三者组成的“电动机 系统”。由位置传感器提供电机转子磁极的位置信号，在控制器中经过逻辑处理 产生p w m 信号，经过隔离电路及驱动电路，以一定的顺序触发逆变器中的功率 开关，使电源功率以一定的逻辑关系分配给电动机定子各相绕组，从两电动机产 生持续不断的转矩。 2 4 2 电机位置传感器 图2 _ 2 无刷直流电动机的控制结构框图 工业平缝机控制系统的一个重要指标是停机位置的准确度，这里包括上针位 1 0 西北t ：业大学硕士学f 节论文 第一章伺服系统总体方案设计 和下针位的停机。所以，缝纫机在这两个位置必须各给出一个信号，控制器右可 以通过检测这两个信号来控制电机停止。可以通过机头位置传感器来检测，它将 转子磁钢磁极的位置信号转化成电信号，然后去控制定子绕组换相，为逻辑开关 电路提供正确的换相信息。位置传感器种类较多，且各具特点。目前在无刷直流 电动机中常用的有以下三种”6 】：增量式光电编码器；光电式位置传感器；霍尔 元件位置传感器。 霍尔元件是一种常用的磁敏元件，在霍尔开关元件的输入端通控制电流，当 霍尔元件受外磁场的作用时，其输出端便会感应出电压信号，当没有外界磁场作 用时，其输出端没有电压信号。在电机非负载轴边安装- - d , 定子与- - d , 转子f 跟 踪转子) ，小定子固定在电机端部，在小定子内圆上互隔1 2 0 。安装3 个霍尔元件， 而小转子同心安装在电机转子的延伸轴上，同转子一起旋转，小转子表面上安装 有同电机转子相同极对数的永磁材料，并在安装时与电机转子的磁极轴相对齐， 这样小转子的磁极位置就直接反映了电机转予的磁极位置并在霍尔元件上感应 出相应的状态信号。 开关霍尔转子位置传感器具有体积小、重量轻、响应快、工作频率高、功麓 低、简单可靠的优点。一般服装厂环境下灰尘和服装的线毛非常多，很容易渗入 到控制器和各种控制元件内部，灰尘容易进入，因此不适宜采用光电传感器。一系 统中使用开关霍尔传感器来产生两个停针信号。 2 5 无刷直流电动机的工作原理及换向控制m i 2 5 1 无刷直流电机导通方式 本系统中采用的无刷直流电机采用三相全控桥式y 联接，其导通方式可分为 两两导通方式和三三导通方式两种，下面将结合图2 3 来详细说明一下本系统中 采用的三相全控桥两两导通方式的原理和特点。 图2 3 永磁无刷直流电机工作原理示意图 当转子位于图2 - 3 ( a ) d p 所示位置时，检测到的磁极位置信号经过控制电路逻 l l 西北f ：业大学硕十学位论文第二章伺服系统总体方案发计 辑变换后驱动逆变器，使功率开关管v 1 、v 6 导通，其余截止，即a 、b 两相绕 组通电，电流方向为a 迸b 出，电根绕组在空间合成磁场b a ，方向如图所示。 电枢绕组合成磁场b a 与永磁转子磁场b r 相互作用产生转矩，使转子按顺时针 方向旋转。电流流通途径为：电源正极一v l 管一a 相绕组一b 相绕组一v 6 管一 电源负极。当转子转过6 0o 电角度时，达到图2 - 3 ( b ) 中的位置时，霍尔检测电路 根据电机转子磁极的位置时输出信号发生变化，控制器根据位置检测信号的翻转 进行换相控制，经逻辑变换后使开关管v 6 截止，v 2 导通，触发组合状态为v i 、 v 2 导通，其余截止。在此换相瞬间( v 6 管关断，v 2 管还未导通) ，绕组中的电流 按v 1 管一a 相绕组一b 相绕组一d 3 管一v l 管的通路进行续流，此时电枢绕组 合成磁场b a 与永磁转子磁场b r 夹角为1 2 0o。 完成换相后，v i 、v 2 导通，绕组a 、c 通电，电流方向a 进c 出，电枢绕 组在空间合成磁场为图2 3 ( b ) 中b a ，此时电枢磁场与永磁转子磁场相互作用使 转子继续沿顺时针方向旋转，电流流通路径为：电源正极一v 1 管- - a 相绕组一 c 相绕组一v 2 管一电源负极，使电枢绕组合成磁场与永磁转子磁场夹角始终在 1 2 0 0 6 0 0 范围内变化，以此类推。当电动机转子继续沿顺时针每转过6 0 0 电角 度时，功率开关管的导通逻辑为：v 2 v 3 、v 3 v 4 、v 4 v 5 、v 5 v 6 、v 6 v 1 ， 转子磁场始终受到定子合成磁场的作用并沿顺时针方向连续转动。 在图2 3 中由( a ) 到( b ) 的6 0 。电角度范围内，转子磁场顺时针连续转动，而 定子电枢绕组合成磁场b a 在空间保持如图2 - 3 ( a ) 中的方向不变，只有当转子磁 场转够6 0o 电角度到达图2 3 ( b ) 中b r 的位置时，定子电枢绕组合成磁场才从( a ) 中b a 的位置顺时针跃变至( b ) 中b a 的位置。可见定子电枢绕组合成磁场在空间 不是连续旋转的磁场，而是一种跳跃式旋转磁场，每个步进角是6 0 0 电角度。 2 5 2 两两导通方式转矩分析 图2 - 4 所示为y 联结绕组两两导通时的合成转距矢量图，当功率管v 1 v 6 导通时，电流从v l 管流入a 相绕组，再从c 相绕组流出，经v 6 管回到电源。 如果认定流入绕组的电流所产生的转矩为正，那么从绕组流出所产生的转矩为 负，他们合成的转矩如图2 - 4a ) 所示，其大小为3l ，方向在t 。和一t c 的角平 分线上。当电动机转过6 0 0 后，由v 1 v 6 通电换成v 3 v 6 通电。这时，电流从v f 3 流入b 相绕组再从c 相绕组流出，经v 6 管回到电源，此时合成转矩如图2 - 4 b 1 所示，其大小同样为3t 。但合成转矩t b c 的方向转过了6 0 。电角度。而后每次 换相一个功率管，合成转矩矢量方向就随着转过6 0 。电角度，但大小始终保持 3t a 不变。图2 - 4c ) 示出了全部合成转矩的方向。所以，同样一台无刷直流电 机，每组绕组通过与三相半控电路同样的电流时，采用三相星形联结全控电路， 西北_ i = 业大学硕十学仲论文第二章伺服系统总体方案设计 在两两换相的情况下，其合成转矩增加了；倍。 t t a c 小 b b 1曲 a ) v f l 和v f 6 导通时合成转矩b ) v f 3 和v f 6 导通时的合成转矩c ) 合成转矩矢量图 图2 - 4y 联结绕组两两通电时的合成转矩矢量图 2 s 3 无刷直流电机的四象限运行控制过程2 4 2 5 l 由无刷直流电机的工作原理可知，只要改变同一磁极下电枢电流的方向，就 可以改变电机输出转矩的方向。因此，实际控制中是通过改变三相方波的相序来 改变电磁转矩的转向，需要注意的是，电机反转时，转子位置传感器的三个位置 信号的相序也相应改变。该功能由单片机中的i o 一个引脚与三个位置信号输入 到智能功率模块，通过i g b t 逻辑产生所需的相序来实现的，其中该f o 引脚控 制着电磁转矩的方向，当该i o 为高时，加载顺时针方向电磁转矩，反之，当该 i o 为低时，加载逆时针方向电磁转矩，如图2 5 所示。屯机的具体四象限运行 控制如下： 图2 - 5 电机四象限控制过程 正向电动状态控制( 第一象限) ： 无刷直流电动机处于正向电动状态时，逆变电路为正向导通顺序，转矩方向 与转速方向相同，并且t 0 ，转速n o ，电机运行在上图o a 段曲线，此时， 1 3 婀北i ：业大学硕十学仿论文 第上章伺服系统总体方案殴计 该方向控制引脚设冒为高电平。转速的大小通过改变功率管的p w m 信号的占空 比束进行控制。随着p w m 波占空比的增加，电机电枢电压随之增加，转速上升。 正向制动状态控制( 第二象限) ： 当电动机从正向电动过渡到正向制动状态时，要通过改变逆变器功率管的导 通次序，形成反向电流，电机产生制动转矩来实现，使t 0 ，电机运 行在上图a b 段曲线，此时，把单片机的该方向控制引脚设置为低电平，通过 i g b t 逻辑，使同一桥臂上下两个功率管的导通时刻互换，即v l 导通的时刻， 由v 4 导通来代替，使电枢的电流反向。同理，v 4 导通时刻，由v l 导通来代替， 其它桥臂也要求同样互换，电动机就会产生正向制动转矩。并可以通过调节p w m 斩波信号的占空比，控制制动电流从而控制制动转矩的大小。 反向电动运行状态控制( 第三象限) 电动机处于反向电动状态时，逆变电路为反向导通顺序，转矩方向与转速方 向相同，并且t 慨l e o ： ， p w m o u t ( k ) 为本次循环所产生的p w m 信号的占空比；p w m o u t ( - 1 ) ) q 上次 循环结束时p w m 信号的占空比。 由于这种方法结合了电机的调速特性，又发挥了软件易修改的特点，在实际 应用中大大减少电机能量的消耗及噪声，并且还提高了系统的稳定性和精确度。 2 6 2 速度环控制器的设计1 3 0 d 2 转速环作为双闭环数字调节器的最外环，直接决定了工业平缝机控制系统的 各种静态、动态性能，也是软件设计中最关键的部分之一。模糊p i d 控制方法 在复杂控制系统和高精度伺服系统中具有良好的控制效果【1 3