（控制理论与控制工程专业论文）基于dsp的电脑绣花机控制系统.pdf

浙江大学硕士学位论文y 7 2 2 7 8 5 摘要 随着中国纺织业的迅速发展，我国纺织行业对电脑绣花机的需求也越来越 多，而我国电脑绣花机控制系统发展相对而言比较落后，而随着电机控制技术的 发展，半导体行业的更新换代，实时控制技术的提高，使得电脑绣花机控制系统 各部分功能技术相对成熟，因此电脑绣花机控制系统的研究也提上了日程。 本电脑绣花机控制系统以t m s 3 2 0 l f 2 4 0 7 a 为核心，由于d s p 芯片的商性能， 稳定性，及采用先进的矢量变频技术，使得该控制系统比同类型电脑绣花机的控 制性能相对要好，故障率小。矢量控制作为一种先进的控制策略，是在电机统一 理论、机电能量转换和坐标变换理论的基础上发展起来的，具有先进性、新颖陛 和实用性的特点。 本系统中还以g t l 4 8 2 c 7 6 5 b 芯片作为软驱接口芯片，结合微软公司的f a t l 2 文件系统，自主开发出了一套软盘文件读写系统，使得软盘在微控制系统中的应 用得到了进一步的发展。经实践证明：该电脑绣花控制系统性能优良，运行稳定， 抗干扰能力强，不失为一套具有先进型、新颖性、实用性的控制系统。 关键词：矢量控制，变频调速，数字信号处理器( d s p ) ，软驱接口芯片，f a t l 2 文件系统 浙江大学硕士学位论文 a b s t r a c t w l t ht h et e x t i l ei n d u s t r y sr a p i dd e v e l o p m e n ti nc h i n e s e t h e r e q u i r e m e n to ft h ec o m p u t e re m b r o i d e rm a c h i n eh a v eb e c o m eh i g h e r ，b u ti n o u rc o u n t r yt h et h e e h n o l o g yo ft h ee m b r o i d e rm a c b i n sc o n t r o ls y s t e mh a s d r o p p e db e h i n dt h ed e v e l o p e dc o u n t r y n o wt h em o t o rc o n t o r l t e c h n o l o g y h a sq u i c k l yd e v e l o p m e n t ，t h es i l i c o ni n d u s t r yh a v eg o tt h e t e c h n o l o g y r e n o v a t i o na n dt h er e a l t i m ec o n t r o ls y s t e mh a sr a p i di m p r o v e m e n t ，s ot h e a 1 1p a r t so ft h ee m b r o d e rm a c h i n e st e c h n o l o g i e sh a v eb e c o m em a t u r e ，s o t h er e s e a r c ho ft h ec o m p u t e re m b r t e i d e rm a c h i m em u s tb ep a y e dm o r ea n d m o r ea t t e n t i o n s i nt h i se m b r o i d e rm a c h i n ec o n t r o l s y s t e m ，t h et m s 3 2 0 l f 2 4 0 7 a ( d i g i t a l s i g n a lp r o c e s s i n gc h i p ) i su s e df o rt h em a i nc o n t r o lc h i p ，b e c a u s eo fd s p c h i p sp o w e r f u lc a p a b l i t y ，s t a b i l i z a t i o na n dt h ea d v a n c e df i e l d - o r i e n t c o n t r o lt e c h n o l o g y ，o u rc o n t r o ls y s t e r mh a v eg o tt h eh i g e rp e r f o r m a n c e t h a no t h es y s t e m f ie ldo r ie n t e dc o n t r o l ( f o c ) i so n eo ft h ea d v a n c e d t h e o r i e s ，w h i c hi sb a s e do nm o t o ru n i f i c a t i o np r i n c i p l e ，e n e r g y c o n v e r s i o na n dv e c t o rc o o r d i n a t et r a n s f o r m a t i o nt h e o r y i th a s m a n y a d v a n t a g e ss u c ha sh o v e i t y ，p r a c t i c a b i l i t ya n da d v a n c e m e n t i nt h i sc o n t r o ls y s t e m ，w ea l s ou s eg m 8 2 c 7 6 5 bc h i pf o rt h ef l o p p yd r i v e r i n t e r f a c ec h i p ，i n t e g r a t et h ef a t l 2f il es y s t e r mo fm i c r o s o f t ，d e v e l o p af l o p p yf i l ea c c e s ss y s t e m s ot h e f l o p p yd r i v e r sa p p l i c a t i o nh a v e b e c o m em o r ee x t e n s i v e t h i sc o n t r o ls y s t e m s a p p l i c a t i o nh a v ep r o v e dt h e e m h r o i d e rm a c h i n ec o n t o r ls y s t e mh a v eg o o dp e r f o m a n c ea n ds t a b l i t y ，i s n o v e l p r a c t i c a b l ec o n t r o ls y s t e m k e y w o r d ：f i e l do r i e n t e dc o n t r o l ，v a r i a b l ef r e q u e n c ys p e e da d j u s t a b l e ， d i g i t a ls i g n a lp r o c e s s o r ( d s p ) ，f l o p p yd r i v e ri n t e r f a c ec h i p ，f a t l 2f i l e s y s t e m 浙江大学硕士学位论文 基于3 s p 信号处理器的电脑绣花机设计及应用 第一章绪论 1 1 引言 1 1 1 电脑绣花机背景及现状 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到高速度、 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。它是一种体现多种高新科技的机电产品。 中国既是世界缝制设备最大消费国，也是最大生产国。目前，中国工业缝纫 机产量已占世界总产量的4 0 ，出口量占世界销售量的2 0 。其中，高速平缝机、 高速包缝机、圆头平缝机、电动裁剪机、电脑刺绣机等产品已完全可替代进口。 如“上工”、“标准”、“华南”、“飞跃”、“达美”等品牌。在内外已具有 很高的声望。另外，合资企业的产品，也己大量返销世界各国，使我国有望发展 成为世界缝制设备制造、销售中心。 在绣花机领域，目前世界上著名的电脑绣花机品牌有日本田岛( t a j i m a ) 公 司t m e f h 6 2 0 型、日本百灵达( b a r u d a n ) 公司b e m r h y s 一2 0 型、日本兄弟( b r o t h e r ) 公司b b s 一4 2 3 型、德国蔡斯克( z s k ) 公司i 7 4 - 1 2 型、德国百福( p f a f f ) 公司的 k s m 2 2 i 1 2 2 6 0 型等。与这些大型国际公司相比，我国目前电脑刺绣机与他们还 存在较大的差距，尤其是在机械加工方面，在结构、精度、寿命以及噪音等方面 亟待提高和改进。 目前国内绣花机产业的现状是生产厂家多、标准不统一、生产混乱、竞争无 序。这些主要表现在以下几个方面： 1 企业组织上国内电脑绣花机生产企业约八十多家，主要分布在北京、上 海、山东、江苏、浙江、广东和福建一带，年产多头电脑刺绣机总量约1 0 0 0 0 台。在这些企业中，除了中国标准缝纫机公司、中国长城光学仪器厂、上海协昌 缝纫机厂、青岛电脑刺绣机总厂、武汉美佳服装机械厂等部分厂家具有较大生产 和开发规模外，其他很多都是简单的组装生产，技术和服务都很难得到保证，从 而造成市场一定程度的混乱。 2 机械的生产上电脑绣花机属于机电结合的高科技产物，其电路部分主要 浙江大学硕士学位论文 是对机械部分进行控制，从而产品精度很大程度上取决于机械生产及装配的精 度。由于当前国内大部分绣花机生产厂家并不直接生产全部零部件，而是采取外 卧的方式，在一些配件厂订购，这样就很难对零部件的质量进行很好的控制。在 装配过程中，由于电脑绣花机在精度上的严格要求，很难实现装配的自动化，只 能由熟练装配师手工操作。这也就是说，装配的质量完全取决于装配师的技术水 平，在这种情况之下装配的精度也比较难于控制。 3 控制电路部分绣花机的电路部分相当于人的大脑及神经，绣花机的诸多 功能很大程度上都是由电路部分决定。当前国内有能力开发电控部分的厂家寥寥 无几，这当中以北京精大豪电脑控制设备有限公司的产品为最，其产品在国内外 已处于较为先进的地位。大部分电脑绣花机厂家产品的电控部分均为精大豪的产 晶。 近年来，从国际大型的展览会上可以看到，国内外电脑刺绣机的品种和技术 的发展也越来越快，质量水平也越来越高，竞争也越来越激烈。随着加入w t o ， 日本、德国和韩国的电脑刺绣机将对我国电脑刺绣机发展构成一定的威胁，作为 中国电脑刺绣机行业如何定位，如何抓住发展的机遇，缩短与国际水平的差距， 都是我们当前面临的重大课题。在市场竞争中，如何规范国内市场秩序，维护行 业整体利益，也需要我们电脑刺绣机企业共同作出努力，通过有序竞争，来促进 我国电脑刺绣机行业的健康发展。 1 i 2 电脑绣花机主要组成机构 电脑绣花机有单头、多头之分，每头中又分单针、多针，但从控制原理 上讲，基本相似，一般由两大部分组成：主机和电脑控制箱。主机由机头、 合板、传动机构、机架、绣框等组成。 ( 1 ) 机头。通过缝纫机头运转使面线和底线在面料上作出双线锁式线迹； ( 2 ) 台板。是固定送布机构、完成刺绣任务的主要场所； ( 3 ) 传动机构。包括机头电机的传动机构( 主轴z ) 和送布机构( x 、y 轴) 用 来完成x 、y 、z3 个方向运动的传递，是完成刺绣工作的主要部件； ( 4 ) 机架。支撑台板和各机件，方便工作，调节整体造型和外观： ( 5 ) 绣框。用来固定面料，受电脑控制，完成刺绣工作。 电脑控制箱由主控板、电源线路、控制线路、功率输出线路等组成。它 6 浙江大学硕士学位论文 的主要作用为：一是控制x 、y 向两电机驱动绣框形成所绣花型的轨迹；二：是 保证绣框和机针协调运动以防折针和破坏布料。 1 1 3 电脑绣花机的控制系统性能要求 设计多头电脑刺绣机的主体目标是实现高速、高效及高质量的自动刺绣工 艺，要求微机控制器具备如下的控制特性。 ( 1 ) 花版数据兼容性 花版数据是描述刺绣线迹坐标相对位置及控制编码的数据文件，它通过 制版机用c a d 方法结合刺绣针法形成，花版数据的格式目前在国内外尚无统 一的标淮，国外主要有日本田岛三进制格式( d s t ) ，日本百灵达二进制格式 ( d s b ) 等。另外花版数据的载体也不同，比如早期的制版机以纸带作为数据载 体，目前的制版机多以3 5 英寸软磁盘为数据载体。上述各种制式的花版数 据，因而其控制器在硬件上须配备纸带或软盘的数据输入接口；在软件上应 配备数据输入与转换程序，能将不同格式不同载体的花版数据输入至控制器 并转换成能控制电脑绣花机机构动作的数控文件。 ( 2 ) 进程控制特性 花版数据中描述了刺绣作业中两种控制数据：一种是线迹落针点的坐标 值( x ，y ) ，称之为坐标码；另一种是多色绣品的“换色码”、长距离移框操作 的“跳线码”以及针迹数据文件结束的“结束码”，统称其为控制码。在刺绣 进程中，微机控制器应对数据的坐标码及控制码进行识别，确定相应的控制 进程。 ( 3 ) 键盘操作与显示功能 电脑绣花机的刺绣作业虽然是一个自动化过程，但工艺参数的设定及编 辑修改命令等往往需要操作者通过键盘输入，同时为了使控制器具有良好的 人机界面，控制器还应具备显示功能，以显示操作者输入的命令、工艺参数 以及绣花机当前状态等信息。 ( 4 ) 故障识别功能 在刺绣进程中，电脑绣花机可能发生断线、断针或绣框越界等工艺故障。 微控制器应能对这些故障进行在线识别与诊断，当故障发生时，应立即暂停 刺绣进程，并提示相应的故障信号。如当绣品超出刺绣范围时，机器将会自 浙江大学硕士学位论文 动停止以保护棚框越程；当机械出现故障时，操作面板会显示错误头型，并 告知故障。此外，在刺绣过程中可以实现自动剪线、自动检测断线、停电保 护、指令性跳针、出错自动停机、针迹补偿、循环绣作、花样输出等功能。 1 2 微处理器 t m s 3 2 0 l f 2 4 0 7 a 芯片是t e x a si n s t r u m e n t s 公司生产的1 6 位定点数字信号 处理器t m s 3 2 0 c 2 0 0 0 家族中的一种，t m s 3 2 0 l f 2 4 0 7 ad s p 采用先进的改进型哈佛 结构，其程序存储器和数据存储器具有各自的总线结构，从而它的处理能力达到 最大；它的指令执行速度时2 0 m i p s ，几乎所有的指令都可以在一个5 0 n s 的单周 期内执行完毕，这种高性能使复杂控制算法的实时执行成为可能，同时，非常高 的采样速率也可以使环路延迟达到最小；c 2 x x 有高速信号处理和数字控制功能 所必需的体系结构特点，而且它有为电机控制应用提供单片解决方案所必需的外 围设备。 作为一个系统的管理者，d s p 必须具有强大的片内i o 端口和其他外围设 备。c 2 0 0 0 的事件管理器与其他任何d s p 均不相同，这个应用优化的外围设备单 元和高性能的d s p 内核一起，使所有类型电机的高精度、高效、全变速控制中使 用先进的控制技术成为可能。事件管理器中包括一些专用的脉宽调制( p w m ) 发生 函数，例如：一个可编程的死区函数和一个用于三相电机的空间向量p w m 状态机， 它们可以在功率三极管开关过程中提供最大效率。三个独立的双向定时器，每一 个都由单独的比较寄存器，可以用来支持产生不对称的或者对称的p w m 波形。四 个捕获单元中的两个可以直接连来自光学编码器的正交脉冲信号。其结构图如1 1 所示： 浙江大学硕士学位论文 图卜1t i s 3 2 0 l f 2 4 0 7 a 动雏结构框图 主要特性如下： t m s 3 2 0 l f 2 4 0 7 a 核心c p u 3 2 位的中央算术逻辑单元( c a l u ) 3 2 位加法器 i 6 位x 1 6 位并行乘法器，3 2 位乘机 三个定标移位寄存器 8 个1 6 位辅助寄存器，带有一个专用的算数单元，用来作数据存储器的 间接寻址 存储器 片内5 4 4 字x 1 6 位的双端口数据程序r a m 3 2 k 字x 1 6 位的片内f l a s h 浙江大学硕士学位论文 2 2 4 k 字x 1 6 位的最大可寻址存储空间( 6 4 k 字的程序空间、6 4 k 字的数 据空间、6 4 k 字的i o 空间和3 2 k 的全局空间) 有软件等待状态发生器的外部存储器接口模块，具有1 6 位地址总线和 1 6 位数据总线 支持硬件等待状态 程序控制 4 级管道操作 8 级硬件堆栈 6 个外部中断：电源驱动保护中断，复位，非屏蔽中断n m i 和三个可屏 蔽中断 指令系统 与t m s 3 2 0 家族的c 2 x 、c 2 x x 和c 5 x 定点产品兼容 单指令重复操作 单周期的乘法j j n 法指令 程序数据管理的存储器块移动指令 索引寻址功能 基2 快速傅立叶变换( f f t s ) 的位反转索引功能 电源 静态c m o s 技术 4 种低电源模式以降低电源损耗 仿真：与片内扫描仿真逻辑相连的i e e e l l 4 9 1 测试访问端口 速度：5 0 n s ( 2 0 m i p s ) 的周期指令，多数指令为单周期 事件管理器 1 2 个比较脉宽调制( p w m ) 通道( 其中9 个互相独立) 三个1 6 位全比较单元，有死区功能 三个1 6 位简单比较单元 四个捕获单元，其中两个有正交编码器脉冲的接口功能 双l o 位的模数转换器( a d c ) 2 8 个独立可编程的多路复用i 0 引脚 浙江大学硕士学位论文 基于锁相环的时钟模块 带实时中断( r t i ) 的看门狗( w d ) 定时器模块 串行通信接口( s c i ) 串行外设接口( s p i ) 一、事件管理器模块 作为电机数字控制的专用芯片，t m s 3 2 0 l f 2 4 0 7 ad s p 的最大特色在于内罱了 两个功能强大的事件管理器( e v e n tm a n a g e r ) ，其完备的功能，使得t m s 3 2 0 l f 2 4 0 7 d s p 几乎可以实现各种电机的控制，其结构如图4 9 所示。 由图卜一2 可以看出事件管理器主要是有通用定时器单元、比较单元( 全比 较单元和简单比较单元) 、死区生成单元以及捕获单元组成。 1 、通用定时器单元 i ) 三个通用定时器t l 、t 2 、t 3 ，它们可互相独立或同步工作，主要功能有： 每个定时器有均六种工作模式； 各定时器的比较单元能够生成相应p 刚波； 定时器的工作状态可由相应的控制寄存器设定： 定时器可作为其它事件的时钟源； t 2 、t 3 可用于捕获单元，完成有关事件的捕获或测速； 定时器的时钟源可选为内部的或外部的； 2 ) 每个通用定时器均包含以下寄存器： 一一个可读写的1 6 位上升或上升下降计数的计数器t x c n t ( x = 1 、2 、3 ) 个可读写的1 6 位比较寄存器t x c m p r ( x = l 、2 、3 ) ，该寄存器具有缓冲 功能。t x c m p r 存放着与相应的通用定时器计数器t x c n t 进行比较的比较 值。当比较匹配时，根据g i f c o n 寄存器的设鬣，产生一个相应的比较输 出，对应的中断标志位被置为“1 ”。若中断未被屏蔽，也无优先级更高的 中断产生，贝产生i n t 3 中断请求。 一个可读写的1 6 位周期寄存器t x p r ( x = 1 ，2 ，3 ) ，该寄存器也具有缓 冲功能。t x p r 寄存器存放的是定时器的周期值。当t x p r 与t x c n t 的值相 等时，根据定时器的计数方式，通用定时器停止操作并保持当前值、复位 浙江大学硕士学位论文 至0 或开始向下计数。 一个可读写的1 6 位控制寄存器t x c o n ( x = l ，2 ，3 ) t x c o n 规定了通用定时器的工作模式，如通用定时器计数方式、通用定时器 的时钟源、是否起动定时器、是否允许通用定时器比较模式以及何时重新对 t x c i p r 赋值等。 另一个可读写的控制寄存器g p t c o n 规定了通用定时器的比较输出极性， 并说明了各定对器事件的作用。 2 、比较单元 在事件管理器内有三个全比较单元和三个简单比较单元，全比较单元只能 由t l 定时器提供时间基准。全比较单元的功能主要有： 在定时器t 1 作用下，可生成六路p 删输出。 在死区生成单元作用下，能得到带死区延时的p w m 输出。 六个输出引脚的状态可通过控制寄存器独立地设置。 3 个全比较单元所产生的6 个p w m 输出恰好提供了变频器逆变单元6 个功率 器件的驱动信号。全比较单元的寄存器： 三个1 6 位比较寄存器c m p r x ( x = l 、2 、3 ) ，该寄存器具有缓冲功能； 一个1 6 位比较控制寄存器c o m c o n ： 一个1 5 位动作控制寄存器( a c t r ) ，该寄存器具有缓冲功能； 一个1 6 位死区控制寄存器( d b t c o n ) ： 3 、捕捉单元 四个捕捉单元的两个可设置成正交捕获模式，联接电机测速编码器可获 得四倍频的脉冲和旋转方向输出： 四个可屏蔽的中断标志寄存器，用于设定事件发生时系统的响应模式。 浙江大学硕士学位论文 图1 - - 2d s p 事件管理器 二、a d 转换模块 a d c 是一个带有内部采样一保持电路的1 0 一b i t 变换器，a d c 模块包括两个 带有内置采样保持电路的l o 位a d c 。f 2 4 0 总共有1 6 个模拟通道。每8 个通过 一个八选一的模拟多路转换器提供给一个a d c 。每个a d c 的最大转换事件为 6 6 u s 。a d c 模块的参考电压必须有外部电压源提供。通过将适当的参考电压连 接到v r e f h i 和v r e f l o 引脚，上级参考电压和下级参考电压可以设置为小于或等 浙江大学硕士学位论文 于5 v d c 的任意值。v c c a 和v s s a 引脚必须连接到5 v d c 和模拟地。其结构如图l 一3 所示： v r e f h ie f l ov s 轴托c a 图l - 3a d c 模块埴结构图 如图1 3 所示，a d c 模块包括一下功能单元： 每个a d c 模块有8 个模拟输入，共有1 6 个模拟输入( a d c o a d c l 5 ) 用两个a d c 单元对两个模拟输入同时测量 单个转换，连续转换 转换可由软件、内部时间或外部事件启动 v r e f h i 和v r e f l o ( 高、低电压0 参考输入) 模数转换功能模块 2 级深度数字结果寄存器，用于保存完整的转换结果 两个可编程的a d c 模块控制寄存器 可编程的预定标选择 中断或者查询操作 1 4 浙江大学硕士学位论文 这样的话，我们就可以将通过霍儿元件检测到的电流的模拟量直接转换为数字 量，方便的实现电流的检测。 1 。3p w m 变频技术 1 3 1p w m 变频技术0 3 随着新型电力电子器件的不断涌现以及微电子技术的不断发展，p 帆变频技 术也获得了飞速发展，目前主要有基于正弦波对三角波脉宽调制的s p w m 控制； 基于消除指定次数谐波的h e p w m 控制；基于电流滞环跟踪的c h p w m 控制；电压空 间矢量s v p i t m t 控制。 s p w m 法是从电源的角度出发，着眼于如何生成一个可以调压调频的正弦型 电源。s p w m 波形的生成有许多方法，例如等效面积法、自然采样法、规则采样 法等等。自然采样s p w m 法采用正弦波作为调制波，以等腰三角波作为载波，利 用比较法以正弦波和三角波瞬时值相等的时刻即两个波形交点作为跳变时刻，获 得经调制的幅值相等、面积按正弦规律变化的矩形脉冲信号。自然采样s p w m 法 虽能确切反映正弦脉宽调制的原始方法，但其开关时刻求取困难，不适合微机实 时控制，而中值规则采样法偏离自然采样法较小，用计算机实现又比较方便，运 算量小，实时性好，是人们常用的一种s p 帆i 方法。 脉宽调制( p 删) 的目的是使变压交频器的输出电压波形尽量接近正弦波， 上述用正弦波调制三角载波的s p m v l 法是一种经典方法，但并不是唯一的方法。 也可以按消除指定次数谐波的需要直接计算各脉冲的起始和终了时刻。能够消除 的谐波次数越多，结果也就越接近正弦波。利用这种p w m 控制对一系列脉冲开关 时刻的计算能够消除指定次数的谐波，但对所指定次数以外的谐波却不一定能减 少。考虑到它们已属于高次谐波，其幅值已经很小，因而对电机的性能影响不大。 电流轨迹跟踪p w m 变频器( 如图l 一4 所示) 由通常的p w m 电压源型变频器和 电流控制环( 图中为a c r ) 组成。依据电流控制环的结构又分为电流滞环跟踪p w m 控制和电流同步采样p 帆控制。它们均是将给定三相正弦电流信号i 。i 。、i ，。 与由电流传感器实测的变频器三相输出电流信号i 。、i 。、i 。相比较，电流控制器 对比较结果进行处理后获得相应功率器件的p w m 控制信号。采用电流滞环跟踪 p 州控制，实际电流与给定电流的偏差值是固定的，但逆变器的开关频率是变化 浙江大学硕士学位论文 的。开关频率的大小与环宽有关，环宽越小，电流控制的精度就越高，而开关频 率也就越大。由于受到功率器件允许开关频率的限制，故环宽不可能选得很小。 另外滞环控制的输出电流不能太小，因为当给定电流太小时，滞环的调节作用将 消失。为了克服这些缺点，可以采用电流同步采样p w m 控制，它不是依据偏差值 的大小，而是根据偏差值符号，经d 触发器以固定频率将比较结果送至驱动电路， 敌其开关频率固定不变。该种控制实际电流与给定电流的偏差值是变化的，但当 功率器件具有足够高的开关频率时，变频器的实际输出电流能够快速跟随给定 值。 u s u s 图1 4 电流跟踪控制p e l f 单相结构示意图 电压空问矢量s v p w m 控制是种与s p 删控制不同的新颖的脉宽调制方法。 它不是局限于如何使逆变器输出按正弦规律变化的电源，而是将逆交器和电机看 成一个整体，基于电压空间矢量概念，用八种基本电压空间矢量合成期望的电压 空间矢量，建立逆变器功率器件的开关状态和空间矢量，并依据电机的定子磁链 矢量与定子电压之间的关系，直接达到控制电机定子磁链矢量幅值近似恒定、顶 点沿圆形轨迹运动、平均速度可调的目的，从而实现对异步电机近似恒磁通变压 变频调速。 1 3 2 异步电机控制技术“”。1 在p w m 变频技术日新月异发展的同时，异步电机控制技术也取得了突破性 进展。由于异步电机是一种多变量、强耦合的非线性系统，与直流电机相比，转 矩控制要困难得多。7 0 年代初提出的矢量控制方法解决了交流电机的转矩控制 问题。它是应用坐标变换将三相系统等效为两相系统，再经按转子磁场定向的同 步旋转变换实现定子电流励磁分量与转矩分量的解耦，从而达到对交流电动机的 磁链和转矩分别控制的目的。 直接转矩控制是8 0 年代中期提出的又一种转矩控制策略。其思路是把电机 与逆变器看作一个整体，采用电压空间矢量分析方法在定子坐标系上进行磁链和 浙江大学硕士学位论文 转矩计算，并采取磁链和转矩双位式b a n g b a n g 控制，直接对逆变器的开关状态 进行优化选择，省去了旋转坐标变换，简化了控制器的结构，便于实现全数字化。 随着现代控制理论的发展，交流电机控制技术的发展方兴未艾，非线性解 耦控制、单神经元控制、模糊控制等各种新型控制策略正不断涌现，展现出更为 广阔的前景。 p w m 变频技术虽能够达到调节电机转速的目的，但毕竟它是一种转速开环控 制，速度控制的精度不高；矢量控制与直接转矩控制均属于闭环控制，控制精度 较开环要高，但两者都有自身的不足之处：矢量控制中转矩控制属于连续控制， 稳态下转速不存在脉动，但按转子磁场定向时易受电机转子参数变化的影响，这 样就降低了系统的鲁棒性；直接转矩控制控制的是定子磁链v ，故其性能不受 电机转子参数变化的影响，但由于采用磁链和转矩b a n g b a n g 控制，转矩就不可 避免地会产生脉动，从而降低了系统的性能。矢量控制系统与直接转矩控制系统 在性能上各有优劣，如果取长补短，应该能够构成性能更加优越的控制系统。 1 4 研究内容 根据电脑绣花机的执行机构和控制性能的要求，系统功能模块如图卜5 所 图卜5 系统功能模块图 整个系统按功能分为三类：1 人机交互模块，包括键盘显示和软驱模块。2 浙江大学硕士学位论文 执行控制模块，包括步进电机，换色电机，异步电机控制模块、电磁铁控制模块 及相应的拉杆检测和针位检测模块。3 故障检测及指示模块，包括断线检测，限 位检测和指示标志模块。 1 4 1 硬件部分 1 变频调速矢量控制系统系统采用交一直一交电压型交频电路，分为主电 源电路和控制电路两大块。主电源电路主要由整流电路、滤波电路及智能功率模 块i p m 构成的逆变电路组成：控制电路以t i 的d s p 芯片t m s 3 2 0 l f 2 4 0 7 a 为核心， 包括电流检测模块、转速检测模块、保护模块，构成功能齐全的全数字变频调速 矢量控制系统。 2 以d s p 芯片t m s 3 2 0 l f 2 4 0 7 a 为核心，g m 8 2 c 7 6 5 b 软驱接口芯片，z l g 7 2 8 9 键盘接口芯片构成的键盘显示和软驱模块。 3 通过各种方式扩展d s p 芯片t m s 3 2 0 l f 2 4 0 7 a 的i o 引脚，构成电磁铁控 制模块，及相应的检测模块和指示模块。 1 4 2 软件部分 1 。用汇编语言编制程序实现液晶显示，键盘处理，故障中断处理功能。 2 汇编语言编制程序实现正弦波s p w m 脉宽调制，生成p 1 】l m 波实现对异步电 机的变频调速，并检验所设计硬件电路的可靠性。 3 用汇编语言编制程序实现以w i n d o w s 的f a t l 2 文件系统为基础的软盘文 件读写功能，以及文件数据的解析和处理功能。 1 4 3 总结 本人通过以上工作可得结论如下； 1 t m s 3 2 0 l f 2 4 0 7 a 的事件管理器内含s v p w m 生成单元，它不仅能自动确定 相邻电压空间矢量，而且可以在p w m 波的中间自动插入零电压矢量，因此 它特别适合电压空间矢量s v p w m 控制。 2 以t m s 3 2 0 l f 2 4 0 7 a 为核心的电脑绣花机控制系统，由于d s p 芯片的高性能， 稳定性，及采用先进的变频技术，使得该控制系统比同类型电脑绣花机的控 制性能相对要好，故障率小。 浙江大学硕士学位论文 第二章矢量控制变频技术 2 。l 矢量控制变频调速系统 2 1 1 异步电机数学模型和坐标变换嘲嘲n 7 3 异步电动机的数学模型是个高阶、非线性、强耦合的多变量系统，在研究 异步电动机的多变量数学模型时，通常做如下假设： 三相绕组对称，忽略空间谐波： 忽略磁路饱和，各绕组的自感和互感都是线性的； 忽略铁芯损耗； 在恒转矩负载下，三相异步电动机的多变量数学模型可用如下矢量方程表 不： u _ r i + l 等+ 圆等i ( 2 _ 1 ) 其中：u 一定、转予相电压，l 一定、转子漏感，出转子角速度，i 一定、 转子电流，俨转子和定子间的夹角。 用等效电路图表示则有下面的通用等效图，如图2 一l 所示。 图2 1 异步电机等效电路图 由于各变量之间的强耦合性，要分析和求解非线性方程组( 式2 - 1 ) 非常困 难的，所以通常需要采用坐标变换的方法加以改造，使数学模型简化成比较简单 的等效的直流电动机数学模型。为保持总磁动势、功率保持不变，这里采用正交 变换方式进行，下面以电流为例来说明。 一、坐标变换 l 、三相静止到两相静止的变换( 即3 s 2 s 变换) 浙江大学硕士学位论文 图2 23 s 2 s 变换图 在研究矢量控制时定义了三种坐标系， 即三相静止坐标系( 3 s ) 、两相静止坐标 系( 2 s ) 和两相旋转坐标系( 2 r ) 。为达 到坐标变化的目的，使异步电动机模型 模拟成为直流电动机模型，我们先将异 步电动机模型从三相静止坐标系a b c 变 换至两相静止坐标系a b ，即3 s 2 s 变换， 如图2 8 所示。根据总磁动势不变的原 则，保持变换前后功率不变，即采用正 交变换矩阵，则可以得到变换公式为 l 一一 0 巫2 一粤 上上上 正以以 ( 2 2 ) ：= 冉畦爿 c z 叫 擀，：圈 。， g ；d 夕 ，一目q z 口 图2 32 s 2 r 变换图 由两相静止坐标系a 一母到两相旋转坐标系 ( d - q ) 即2 s 2 r ，坐标变换原理见图2 - 9 。 图中，静止坐标系的两相交流电流乇，i z 和 旋转坐标系的两个直流电流i d ，产生同样 的以同步转速旋转的合成磁动势。d 、q 和 口，口轴的夹角臼是一个变量，随负载、转 速而变，在不同的时刻有不同的值。 浙江大学硕士学位论文 屯。：l 妇咖口l ( 2 - 5 ) c 2 m r 2 b n 曰。删i 啊得 ： i d l = c 2 s 1 2 r 嘲 e ， 综合前面几式，可以得到三相静止坐标系a b c 到两相旋转坐标系d q 之间的 变换矩阵为： l c o s 6 c o s ( 8 - 1 2 0 。)c o s ( o + 1 2 0 。) c 3 m ，= 冉l - s i n o s i n ( o - 1 2 0 。) - s i n ( o + 1 2 0 。) l ( 2 7 ) i 1 1 , f ii 压l , f i i 因此，e g 流由三相静止坐标变到两相旋转坐标可由下式表示： 擀m r 吲 沪s ， 以上只是以电流为例来进行坐标变换，式( 2 - - 2 ) 至式( 2 - - 8 ) 中的变化同样适用于 电压和磁链的变换。 二、异步电机在不同坐标系下的模型 我们根据上面式( 2 - - 2 ) 至式( 2 - - 8 ) 的推倒，就可以得到异步电机在不同坐 标系下的模型。 1 、异步电动机在两相( 口一) 静止坐标系上的模型： u a i i 2 “4 2 墨+ 厶p 0 l p 一棚厶 o 置+ t p 珊k l p 厶p o r + l r p 一彩三。 0 乙p 棚l r + 0 p 0 i b l k 2 ， 咕2 ( 2 - 9 ) 转矩方程式： t = i l p l 。( i e l 2 一i o t i ：2 ) ( 2 1 0 ) 2 、异步电动机在两相( d q ) 旋转坐标系上的模型： 蚴l “口1 2 “9 2 冗+ l , p 曲i t l m p 珊，匕 - 1 ：0 l 丘 置4 - q p - - 0 9 。厶 k p l 。p 甜l l m k + l r p , c o 。t 2 1 一q 乙 k p m s l ? 月2 + z p ( 21 1 ) 浙江大学硕士学位论文 转矩方程式： t = m p 匕( 1 2 一i d 2 l q 1 ) ( 2 一1 2 ) 其中设定坐标系d q 以同步转速q 旋转，且规定d 轴沿着转子总磁链矢量墨的方 向，即有： 甲2 = 甲d 2 = 厶，岛i + 0 2 ( 2 一1 3 ) 上面几式中：r l 一定子电阻；r 2 一转子电阻；匕一互感；、一定、转子每 相绕组的等效自感；脚一电机旋转电角频率；。- - d q 坐标轴同步转速； 彩。转差频率，= c o 。一；卜转动惯量；瓦电机转矩；夏负载转矩： ，一微分因子。，一定子电流：i d ：，l q 2 一转子电流。 7ff l垦塑笪量二二二二二二二二二二r 浙江大学硕士学位论文 经过两相三相变换得到、e 。把这三个电流控制信号和由控制器直接得 到的频率控制信号加到带电流控制的变频器上，就可以输出所需的三项变频 电流。 二、矢量控制基本方程 式( 2 1 1 ) 给出了异步电机在同步旋转坐标系上的数学模型。对于鼠笼型转子 电机，转子短路，则有：= u q ：= o ，数学模型中的电压矩阵方程式可简化为： 转矩方程式 u d l “以 0 o 玛+ 厶pc 吼l ml m p 一国】厶 凹l 厶月l + 丘p】厶岛p l m p 0 岛+ l , p 0 ；l 。0s l 。k t ：争胁 l 。 + 巨 ( 2 - 1 4 ) ( 2 1 5 ) 在矢量控制系统中，被控制量是定予电流，因此，必须从数学模型中找出定子电 流的两个分量与其他物理量的关系，式( 2 一i s ) 中的仍表达式代入式( 2 1 4 ) 中， 得： 所以 0 = p ( 乙1 + l , i a 2 ) + 马2 = p 仍+ 恐如 j 一2 = 一百p f a 2 再代入式( 2 一1 1 ) ，解出“，得：“：互导旦仍 或 三 仍2 面雨 其中t 2 = ：，为转子励磁时间常数。 ( 2 1 6 ) ( 2 一1 7 ) ( 2 1 8 ) ( 2 - 1 9 ) 式( 2 1 9 ) 表明转子磁链仍仅由t d 。产生，而与。和转子电流无关，故称岛 为定子电流的励磁分量。但是因为存在转子励磁时间常数正，定子电流励磁分量 变化时，转子磁链妒：的变化会存在延时。当仍达到稳态时，p f p 2 = 0 ，故i d 2 = o ， 岛，= ，即妒：的稳态值由匕唯一决定。 掣 浙江大学硕士学位论文 再看式( 2 1 5 ) 转矩方程式：= ，2 ，争白仍可以认为，是定予电流的转矩分量。 当“不变时，即仍不变时，如果变化，转矩t 立即随之成正比的变化，没有 任何滞后。 从电机基本方程( 2 一1 4 ) 的第四行可以求得： 国，( k 1 + 0 2 ) + r 2 2 = 国；妒2 + r 2 i d 2 = 0 ( 2 - 2 0 ) 结合( 2 1 7 ) 并考虑正= 乡惫，可得： 妒一鲁铲去。 ( 2 - z ) 鸭一蔷：2 藏 坦。2 ” 以上即为矢量控制的基本原理和控制方程式。总而言之，由于d q 坐标按转 予磁场定向，在定子电流的两个分量之间实现了解耦，1 d 唯一决定磁链仍，。则 只影响转矩，与直流电机中的励磁电流和电枢电流向对应，大大简化了交流异步 电机的控制问题。 2 2 矢量控制方式 矢量控制的方式主鼹有2 种：转速闭环、磁通开环，转速、磁通都闭环的 控制方式。在转速l 孤吓控制中又可以分为有速度传感器和无速度传感器的矢量控 制方式，在本系统中，我们采取了转速闭环、磁通开环，而且带速度传感器的控 制方式。 2 2 1 电压空间矢量法p h 4 【5 1 1 1 5 1 1 2 3 1 1 2 4 l 电压空间矢量法( s v p i f l 4 ) 是从电动机的角度出发，着眼于如何使电机获得幅 值恒定的圆形磁场，即正弦磁通。它以三相对称正弦波电压供电时交流电动机的 理想圆形磁通轨迹为基准，用逆变器( 原理图见2 - - 5 ) 不同的开关模式产生的实 际磁通去逼近基准磁通圆，从而达到较高的控制性能。电压空间矢量法与传统的 s p w m 法相比，不但可以减少转矩脉动和铁损耗，而且可以提高电源的利用率。 一、电压空间矢量法的基本工作原理 典型的逆变器的结构图如图2 - - 5 所示。如图所示，隐、船和比分别是逆 变器的输出电压，v l v 6 是六个功率管，受a 、a ，b 、b ，c 、c 的控制，当 上面的功率管是开时( 比如说，此时我们用假设a ，b ，c 的值为1 ) ，相应的下面 浙江大学硕士学位论文 的功率管则是关的( 此时我们假设a7 、b 、c 的值为o ) 。关键在于逆变器开 关频率能达到控制要求，事实上，现在的电力电子器件的开关频率已经足够用。 图2 5 三相p 删逆交器原理图 开关变量 口6c 7 与输出的线电压矢量 砌6 v b c v c a 和相电压矢量 v a 砀比 7 之问的关系如式( 2 2 2 ) 和( 2 2 3 ) f i ) 际： 习 ( 2 - 2 2 ) 上面两式中，v d c 指的是逆变器的线电压。 从图2 5 中，我们可以看出，逆变器有8 种可能的开关组合，于是我们便 可以得到逆变器8 种开关组合分别于线电压和相电压之间的关系见表2 1 。 abcv av bv cv a bv b cv c a 0oo0o 00o0 1002 3- 1 31 310一l l1o1 3i 32 3o1一1 01o1 32 31 3一11o o11 2 31 3z 3 1ol o0li 31 32 30一11 l01 1 3- - 2 3i 3 110 111o000o o 表2 1逆变器的导通组合 圳 h一一 眺 、一 一 助m 胁 3吃 犯 1，ifj一旧怕r r=_，ij o 心 o 2 k 一 一一 眦 1 3 一一 1，j 阮砀髓 。l 浙江大学硕士学位论文 设d q 是分别异步电机坐标平面的水平轴和垂直轴，那么通过d q 变换就能得到逆 交器8 种组合情况下的相电压矢量。相应的变换矩阵为式( 2 2 4 ) ： y a b 。_ d q = 店 1 1 1 22 o 笪一笪 22 ( 2 2