（通信与信息系统专业论文）平缝机伺服控制系统的研究与设计.pdf

武汉理工大学硕士学位论文 摘要 服装业的火爆加速了市场对自动化生产设备的需求，平缝机作为一种应用 于大规模工业生产中的高速缝纫机无疑是此中典型。而伺服控制系统作为平缝 机的核心，它直接影响了产品品质与生产成本。而国内大部分平缝机产品不具 有自主的伺服控制系统知识产权，所以本文就平缝机伺服控制系统进行研究与 设计具有重要的意义。 本文先系统的介绍了平缝机伺服系统的结构与原理。然后，在详叙无刷直 流电机的工作原理和数学模型的基础上，对系统稳速方法进行了研究、改进与 设计。为了最大限度降低机械震荡，速度控制采用速度与电流双闭环控制方案。 其中速度环采用模糊p i d 控制算法，电流环采用电流滞环比较控制算法。并在 对无刷直流电机进行建模的基础上对此速度控制方案进行仿真。文本还将传统 的能耗制动、软件回馈制动、反接制动结合起来，配合位置控制算法，有效的 解决了系统快速制动时停针定位的问题。 整个控制系统中，硬件设计上选用t i 公司的l m 3 s 1 4 3 9 芯片作为主控芯片， 国际整流公司( 瓜) 的i r a m s 0 6 u p 6 0 a 作为功率驱动模块。整个硬件设计简洁 合理、集成度高、可靠性高。软件部分以模块化方法进行程序设计，主要使用 汇编和c 语言编写，以方便移植修改。 本伺服控制系统能对运行中速度的变化作出快速响应，有效的降低了机械 震荡噪声，减少了机械磨损。同时，本系统能快速完成制动，并精确的实现上 下停针位的定位。经过充分的测试分析，结果表明此伺服控制系统设计合理可 行，性能稳定可靠，满足平缝机各种需要，具备良好的市场前景。 关键词：平缝机伺服控制系统，无刷直流电机，模糊p i d ，停针定位 武汉理工大学硕士学位论文 a b s t r a c t t h eb o o mo fr a gt r a d ei n t e n s i f i e st h em a r k e td e m a n df o ra u t o m a t i cp r o d u c t i o n e q u i p m e n t s ，t h el o c k - s t i t c hs e w i n gm a c h i n ea sak i n do fh i g h - s p e e ds e w i n gm a c h i n e w h i c hi sa p p l i e di nl a r g es c a l ei n d u s t r i a lp r o d u c t i o ni su n d o u b t e d l yt y p i c a lo n e a n d t h es e r v oc o n t r o ls y s t e ma st h ec o r eo ft h el o c k - s t i t c hs e w i n gm a c h i n e ，d i r e c t l ya f f e c t s t h eq u a l i t yo ft h ep r o d u c t sa n dt h ec o s to fp r o d u c t i o n a n dt h em o s td o m e s t i c b r a n d so ft h e l o c k - s t i t c hs e w i n gm a c h i n ed o n th a v et h ei n d e p e n d e n ti n t e l l e c t u a l p r o p e r t yr i g h t so ft h es e r v oc o n t r o ls y s t e m ，s ot h er e s e a r c ha n dd e s i g no ft h i sa r t i c l e f o rt h es e r v oc o n t r o ls y s t e mi so fg r e a ts i g n i f i c a n c e a tf i r s t , t h i sp a p e ri n t r o d u c e st h es t r u c t u r ea n dp r i n c i p l eo ft h es e r v oc o n t r o l s y s t e m t h e n ，o nt h eb a s i so ft h ed e t a i l e dp r e s e n t a t i o ni n r e l a t i o nt ow o r k i n gp r i n c i p l e a n dm a t h e m a t i c a lm o d e lo ft h eb r u s h l e s sd em o t o r , w er e s e a r c h e d , i m p r o v e da n d d e s i g n e dan e wm e t h o dt os t a b i l i z ea n dc o n t r o lv e l o c i t y i no r d e rt om i n i m i z e m e c h a n i c a ls h o c k s ，ad o u b l ec l o s e d - l o o ps c h e m ew h i c hc o n s i s t so fc u r r e n tl o o pa n d s p e e dl o o pw a sa d o p t e di nt h es p e e dc o n t r o l l i n gm e t h o d t h es p e e dl o o pu s e df u z z y p i dc o n t r o la l g o r i t h m ，t h ec u r r e n tl o o pu s e dc o m p a r i s o na l g o r i t h mo nt h eb a s i so ft h e c u r r e n th y s t e r e s i sc o n t r 0 1 a n dt h i sc o n t r o ls c h e m ew a ss i m u l a t e db a s e do nm o d e l i n g f o rb r u s h l e s sd em o t o r t h ed e s i g nc o m b i n e dt r a d i t i o n a lm e t h o d si n c l u d i n gd y n a m i c b r a k i n g ，r e g e n e r a t i v eb r a k i n ga n dp l u gb r a k i n g ，c o o p e r a t e d 谢t 1 1t h ep o s i t i o nc o n t r o l a l g o r i t h m ，c o u l de f f e c t i v e l ys o l v e dt h eb i gp r o b l e mr e g a r dt op r e c i s i o no fn e e d l es t o p l o c a t i n gw h e nb r a k e df a s t i nt h ew h o l es y s t e m ，t h eh a r d w a r ed e s i g nc h o s e nt il m 3s14 3 9a st h ec o n t r o l c h i p ，i r a m s 0 6 u p 6 0 ac h i pp r o d u c e db yt h ei n t e r n a t i o n a lr e c t i f i e rc o m p a n ya s p o w e rd r i v em o d u l e s t h eh a r d w a r ed e s i g ni sr e a s o n a b l e ，h i 曲i n t e g r a t e d ，o fh i g h r e l i a b i l i t y t h ed e s i g no ft h es o f t w a r ew a sc o m p i l e db ya s s e m b l yl a n g u a g ea n dc l a n g u a g ev v i t hm o d u l a rm e t h o d ，i no r d e r t ob ec o n v e n i e n tt ot r a n s p l a n ta n dm o d i f y t h es e r v oc o n t r o ls y s t e mw a sr a p i di nr e s p o n d i n gt ov a r i a t i o n so fs p e e d ，i t e f f e c t i v e l y r e d u c e dt h em e c h a n i c a ls h o c kn o i s e ，r e d u c e dt h em e c h a n i c a lw e a r i i 武汉理工大学硕士学位论文 m e a n w h i l e ，t h es y s t e mc o u l dq u i c k l yc o m p l e t eb r a k i n g ，a n de n s u r e da c c u r a c yo f n e e d l es t o pl o c a t i n g a r e ral o to ft e s t sa n d a n a l y s i s ，t h er e s u l t ss h o w e dt h a tt h es e r v o c o n t r o ls y s t e md e s i g nw a sr a t i o n a la n df e a s i b l e ，a n dt h ep e r f o r m a n c ew a ss t a b l e ， r e l i a b l e ，m e tt h e l o c k - s t i t c hs e w i n gm a c h i n ea l lk i n d so fn e e d ，h a dag o o dm a r k e t p r o s p e c t k e y w o r d s ：t h es e r v oc o n t r o ls y s t e mo ft h el 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 e m o t o r ，f u z z yp i dc o n t r o la l g o r i t h m ，n e e d l es t o pl o c a t i n g i f 武汉理工大学硕士学位论文 第1 章绪论 1 1 课题研究的背景和意义 平缝机是一种应用于大规模工业生产中的高速缝纫机。平缝机伺服系统的 研究是相对于原来旧式缝纫机而言，简单的说就是，缝纫机钩挑线和送料等机 械执行部件还是采用旧式机构，而总的控制方面则采用智能电子控制【l 】。由于平 缝机应用于大规模工业生产，那么在设计上，对效率、功能的要求更为严格。 首先是缝纫速度，平缝机机的缝纫速度非常快，一般来说最高可到每分钟5 0 0 0 针。其次，是平缝机的一些特殊的自动化缝纫功能，这些功能通过程序自动进 行，不需要操作人员另行操作，比如剪线、定长缝、分段定长缝、抬压脚、扫 线头等功能1 2 j 。最后，工业缝纫机对作业时速度和定位的精度要求很高。综上所 述，平缝机有以下特点：高速缝纫，运行平稳，精度高，自动化智能控制。 平缝机的出现和发展加快了工业生产的效率，节约了成本，同时智能化和 自动化程度的提高，方便了工人的操作。事实证明，缝机向高智能化，自动化 发展是不可避免的趋势，不管从生产成本还是生产效率上来说，不断的研发更 高效的平缝机伺服控制系统才能跟上工业生产的脚步。 本课题来源于深圳先进技术研究院，与缝机企业合作开发项目，主要致力 于平缝机伺服控制系统自主知识产权的研发。本课题着力研究高效的控制系统， 同时设计简洁，兼顾生产成本，有很大的现实应用意义。 1 2 国内外研究现状和需求分析 当前，各类缝机生产企业在我国至少突破了2 0 0 0 家，使得中国成为世界上 最大的缝机生产国；此外，很多著名的缝机制造企业在我国也都设立有大的生 产基地，如日本重机、兄弟，韩国的日星。总的来说，我国缝机总产量已于当 前在世界范围内遥遥领先。 在2 0 0 8 年，由于全球金融危机等因素的影响，国内缝机业遭受了巨大的影 响，无论是三资企业或者是内资企业，其生产和销售对比以前都出现了大幅下 滑，企业利润也明显下降。但是，即使在这种不利的条件下，国内缝机的各类 武汉理工大学硕士学位论文 专利申请数仍然呈现大幅增长态势。总的来说，我国的缝机企业的优势主要体 现在实用新型和外观设计两个方面【3 】。但在低噪、停针定位精度这2 个关键点上 还是有待进步。相比国外产品，国内在技术上还是有一定差距。 我国的市场每年对于智能化工业缝纫机的需求还在不断增大。但由于历史 原因，在国内，相应的技术研发比起起步较早的欧美发达国家落后不少。总体 上，产品在质量和功能上小于市场的需求。所以从以上两方面看来，扩张的市 场空间与相对不足的供应水平形成了鲜明的对比，但也体现出这项产业巨大前 景和发展空间。 1 3 本文的主要研究工作 工业平缝机伺服系统涉及的东西很繁杂， 自动化、计算机、机电等。 在设计期间，我的主要工作内容如下： 1 了解整个伺服控制系统各模块功能后， 图，并编写底层硬件驱动程序。 涉及到很多方面的专业知识，如 绘制伺服系统控制板的硬件原理 2 为了最大限度减少机械震荡造成的噪音，在传统调速方案的基础上改进 创新，并对此方案在m a t l a b 上建模仿真，分析结果。 3 在改进传统方案的基础上，设计更有效的方案解决系统在快速制动时精 确停针定位精度的问题。 4 参与编写以汇编语言和c 语言为主的系统控制程序。 本文的创新点集中在低噪和停针定位精度的控制方案的改进上。平缝机缝 纫速度最高可达每分5 0 0 0 针，足够高的速度却导致了一个很致命的问题，系统 的平稳性和精度会急剧下降。由于电机机头负载具有强烈的非线性的特征，在 运行时肯定会出现一定幅度的机械振荡，而且，电机转速越快，这个机械振荡 幅度越大! 在高速启动或负载突然发生变化的时候，这个振荡幅度甚至更大。 这不仅仅产生难以忍受的工业噪声，还会导致某些机械部件受损，降低平缝机 的使用寿命从而提高了生产的成本。而传统的p i d 速度控制方案难以很好的解 决上述问题。为了最大限度的减少机械振荡，降低机械噪声。设计采用了速度 环和电流环双闭环速度控制方案来加强电机高速运行中的平稳性：降低调速过 程的反应时间。利用现代模糊控制理论结合传统p i d 控制算法设计速度环；利 用电流滞环比较控制方法设计电流环。 2 武汉理工大学硕士学位论文 停针定位精度是个大问题。平缝机有上、下停针位，转角缝纫需要定位于 下停针位，定位的精度越高，转角时，针距的大小越一致，线迹越美观。还考 虑到工业生产追求速度和效率，经常需要在缝纫的过程中快速启动、在高速时 快速停针，停针的定位精度同样影响到针距大小的一致性【4 】。最后，精确的定位 还能保证自动剪线和挑线时不打断缝纫机机针【5 】。平缝机在高速运行下要求快速 精确停针这一问题上，很多厂商都难以拿出有效的解决方案。本设计在结合、 改进几种传统的电气制动方法的基础上，配合独有的位置控制方案能有效的解 决这个问题。 1 4 论文结构的安排 本文的结构安排： 第l 章介绍了课题的研究背景和意义，国内外研究现状，本文的主要研究 工作，创新点和结构安排。 第2 章主要描述平缝机伺服系统的框架，并重点介绍位置传感器和伺服电 机部分的相关知识。 第3 章为系统的硬件设计与底层硬件驱动。 第4 章介绍系统控制程序的设计。 第5 章为了最大限度减少机械震荡造成的噪音，设计了速度环和电流环双 闭环的速度控制算法，并对其进行m a t l a b 仿真。 第6 章设计解决系统在快速制动时精确停针定位精度的的方案，并进行测 试。 第7 章对本文进行工作总结，并对未来的改进工作进行展望。 武汉理工大学硕士学位论文 第2 章控制伺服系统总体框架设计 这一章主要介绍平缝机控制伺服系统的框架，简单描绘了其各功能模块。 并重点介绍位置传感器和伺服电机部分的相关知识。 2 1 控制伺服系统的构成 系统总体结构框图如图2 1 所示。其中脚踏板传感器、电磁阀和电机位置传 感器均安装在缝纫机机械部分上。脚踏板传感器不仅仅可发出缝纫起始信号与 结束信号，还可以为控制板提供剪线信号和抬压脚信号【6 j 。电磁阀则通过接收伺 服控制电路板的指令信号完成诸于剪线、反缝、扫线头类工作 7 1 。电机位置传感 器使伺服控制系统的精度有了质的提高，本设计中使用了2 种位置传感器，霍 尔传感器和光栅式传感器，将在下文重点介绍。操作面板主要包括显示屏和键 盘，提供了人机一个交互接口，可以通过键盘方便快捷的控制系统运行。伺服 电机是整个系统的核心执行部件，由于选取了无刷直流电机，使得系统需要一 块智能功率模块( i p m ) 模块对无刷直流电机进行驱动【s 】。i p m 模块可直接提供 高集成的硬件电路，实现无刷直流电机的整流、换相、功率控制。整个设计中， 最终系统功能的实现是通过伺服控制电路板操控，本文硬件设计也主要集中在 这一部分。通过伺服控制电路板，系统可实现一系列控制算法，实现对各其他 模块的各种操作【9 l 。 操作面板一脚踏板传感器一 8o 伺服控制电路板一 ，、 l强ul 功率驱动器( 珀m ) 一电磁阁一 uj l 电机位置传感釉b = ( j 碾电机( 二声剖平缝机机体一 图2 1 控制伺服系统框图 4 武汉理工大学硕士学位论文 2 2 电机位置传感器 本设计使用了两种位置传感器，霍尔传感器和正交光栅编码器。他们的作 用都是提供转子位置信息。霍尔传感器偏重于为p m 模块的全桥功率开关电路 提供控制信号，从而控制无刷直流电机换相。光栅编码器除了获得电机转子精 确位置，还用来辅助测量电机实时速度。 2 2 1 霍尔传感器 从原理上来说，当霍尔元件的输入端通电流以后，若其受外部磁场的作用 时，其输出端便会感应输出直流电压信号，逻辑上为高电平。当没有收到外界 磁场作用时，其输出端无电压信号，逻辑上为低电平【1 0 】。霍尔元件安装在电机 定子上，在定子的内圆上每隔1 2 0 度安装1 个霍尔元件。而在电机转子的延伸 轴上，按一定角度分布有同电机转子相同极对数的永磁材料，相当于一种小转 子。电机运行时，小转子的磁极位置就可以反映出电机转子的磁极位置，并通 过霍尔元件输出相应的状态信号。电机运行时一个周期为3 6 0 0 ，3 个霍尔原件就 可以通过6 组不同状态区分电机6 个不同相位。如图2 2 所示。 h a l l 传 感器输出 一个旋转周期 厂、 2 2 2 正交光栅编码器 图2 2 霍尔传感器输出波形 正交光栅编码器直接让系统的精度有了质的提高。光栅是一种等间距刻于 光学玻璃上的平行线，其刻线密度在1 0 - - 1 0 0 线毫米间。正交光栅编码器通 过光栅叠栅条纹原理对线性位移进行光学放大和误差平均，故能大幅提高测量 的精度。正交光栅编码器由三大部分组成，分别为标尺光栅、指示光栅、光电 元件。当标尺和指示光栅相对位移时，能产生大致按正弦规律分布的明暗条纹。 武汉理工大学硕士学位论文 这些明暗条纹照射与光电元件上，再通过通过放大、整形，就可输出一连串表 示位移的电脉冲信号l l 。 光栅编码器安装于电机的主轴上，在电机转动时可以输出两路正交脉冲数 字信号p h a 、p h b 和一路索引信号i d x ，i d x 可用来对位置计数器进行复位， 以确定绝对位置。再通过l s 3 m 1 4 3 9 的q e i ( 正交编码接口) 处理可以实时跟踪 旋转的位置、方向和速度。本设计使用的正交光栅编码器为2 5 0 0 栅，可以把转 子一个周期3 6 0 。均匀的划分为2 5 0 0 位置。 图2 3 是这几路信号间的时序图。e l k 是通过q e i 接口解码后的位移脉冲信 号，频率越高，相对速度越快，在指定时间内对c l k 计数可测算实时速度。同时， q e i 接口中有个位置累加器，对e l k 信号计数配合i d x 索引信号可以很精准地确 定转子当前位置。d i r 是电机旋转方向信号，p h a 、p h b 的相对相位发生反转时， 可判断为换向。 姒厂 广厂 广 n 广 厂1 厂 脯厂 厂 厂 n 广 厂 厂 厂 矗几nnn 八n 几八几 几nn 几几nnn几几nnnnnn 八n 几几几八几 - 广一 2 3 伺服电机 图2 3 正交编码器信号时序图 作为整个设计的核心执行机构，选择一个适合的伺服电机是设计首要任务。 永磁同步电机转子的制作使用了高性能永磁材料，转子的直径减小使得电机小 型化、轻型化。它的寿命更长，可靠性更高；同时兼具噪声低、转动惯量小的 优点；而且转子无励磁损耗使得电机的效率更高【1 2 1 。在大规模工业生产中，机 器的能耗问题是必须得关注的要点，永磁同步电动机效率更高的优点无疑越来 越有价值，获得越来越多生产厂商的青睐【l 引。无刷直流电机与正弦波永磁同步 电机属于稀土永磁同步电机中被使用较多的2 种。但是无刷直流电动机具有梯 形波的反电势波形，而正弦波永磁同步电动机的反电势波形是正弦信号。本设 计选择无刷直流电机，相比正弦波永磁同步电机，它有更简单的反馈装置，更 高的功率密度，更大的输出转矩，更方便的控制结构【1 4 】。而且在保持传统直流 电机的优点的同时，调速范围更广，寿命更长，维护更方便，噪声更小，不存 在因电刷而引起的系列问题引。 6 武汉理工大学硕士学位论文 2 3 1 无刷直流电机工作原理 无刷直流电动机由三相绕组线圈( 定子) ，永磁转子和传感器三大部分组成 的。它的的转子由永磁钢构成，于电机气隙中产生固定磁场。定子绕组线圈在 通电后可产变化的反应磁场，由于磁场同性相斥，异性相吸的原理，定子和转 子就会相对移动。通过电刷的换相，只要使这两个不同的磁场方向在电机运行 的过程中始终保持着相互垂直，就会产生源源不断的转距带动电机转子不停运 转i l 引。而与传统电机的结构相反，无刷直流电机的绕组线圈位于定子上，永磁 磁钢位于转子上。 要维持无刷直流电机运行必须不断给三相绕组线圈换相通电。因为从物理 上来说，用不变的电源给各绕组供电，只能生成固定方向的磁场，它不能与转 子磁钢产生的磁场保存相互垂直，只能让转子如钟摆般来回摆动。框图2 - 4 简单地描述了电机的控制原理。 图2 - 4 无刷直流电机控制原理框图 2 3 2 无刷直流电机的换相控制方法 控制无刷直流电动机离不开全桥功率开关电路，也称逆变电路。控制器处 理霍尔传感器发来的转子位置信号，然后输出6 路p w m 信号，通过这些信号控 制逆变电路中功率开关的闭合与断开，最终控制3 相绕组中的电流变化从而实 现换相。图2 5 是无刷直流电机换相电路的原理图。本设计中无刷直流电动机采 用三相星型绕组。从图中不难看出，p w m 波的占空比越高，在相同的时间间隔 内，逆变电路中功率开关的导通时间相对越长，从而让电机获得更大的功率输 出、更高的稳态速度i l 列。占空比和稳态速度基本成线性关系。 7 武汉理工大学硕士学位论文 图2 5 换相控制电路原理图 如图2 5 所示，逆变电路采用开关两两导通方式进行控制。两两导通方式是 指每个电相位最多只有两个功率开关管导通，电机每转6 0 度角为一个电相位， 每过一个点相位需要换相一次，每次换相，都需改变一个功率开关管状态，每 一个功率管导通的时间2 个电相位的时间【1 9 1 。 表2 1 列出了不同的电相位对应的开关通断状态。表中，+ 号表示电流流入 此相端点，一表示电流流出此相端点。6 个功率开关管在每个电相位只有2 个导 通，共有6 种开关状态。比如在正转( 逆时针) 过程中，在0 0 6 0 0 间，功率开关 管v i ，v 4 导通，电流从a 相流入，b 相流出。在6 0 0 1 2 0 0 间，功率开关管v 1 ，v 6 导通，电流从a 相流入，c 相流出。其余相位开关和电流情况见表中。这里要 注意是的，如果要反转，需要重新找到一组开关顺序，也在表中列出。 表2 1电机相位与功率开关管通断 旋转方向正向旋转( 逆时针) 反向旋转( 顺时针) 06 01 2 01 8 02 4 0 3 0 03 6 03 0 02 4 01 8 01 2 06 0 转子电角度 6 0 1 2 01 8 0 2 4 03 0 03 6 03 0 02 4 01 8 01 2 06 00 v lv lv 3v 3v 5v 5v 3v 1 v lv 5v 5v 3 导通的电开关 v 4v 6v 6v 2v 2v 4v 6v 6v 4v 4 v 2v 2 a 相 + b 相 + + c 相 + + + 对电机换相的控制归根结底是对转矩方向的控制。定子绕组线圈在通电后 产生变化的反应磁场，和转子产生的磁场同性相吸，异性相斥，从而产生方向 周期期变化的转矩【2 0 1 。当v 4 和v 5 处于闭合状态，电流的方向为从c 相绕组进， 8 武汉理工大学硕士学位论文 b 相绕组出。可以设流入相绕组电流所产生的转矩在方向上为正，那么b 和c 相合成转矩方向如图2 - 6 ( a ) 所示。当电机转过6 0 度进入下一个电相位时，切换 电开关，关掉v 5 ，打开v 1 ，即v 1 和v 4 导通，电流a 进b 出，合成转矩如图 2 - 6 ( b ) 所示。可以看出，转矩的方向随着电相位变化，电相位每过6 0 度，转矩 指向也旋转6 0 度，所以能产生持续的转矩供电机运行。 c 嵋 c 图2 - 6 电机电相位与转矩关系图 2 3 3 无刷直流电机的电流电压特性 在理想情况下，无刷直流电机在平稳运行时的波形图如图2 7 所示。要重点 指出的是，由于是无刷直流电机，所以相反电动势是梯形波，相电流接近方波。 叶i - 一一叶- 一一 ，i i l的f 翔妒6 矿7 = o - l 卑也 t 竹 一- i k c t ? o r ，1 t i o r， 、r - s o 厶l 乙 墨一曩 i ，l 。 i , l m 2 ， i 一g o v 屯 ，l l l o 、 j ， i ， 图2 7 电机状态波形图 但在现实中，无刷直流电机在每转过6 0 。均要进行一次换相，而定子电枢 绕组电感较大，所以电流是不可突变的【2 l j 。图2 7 中理想的相电流方波是不可能 实现的，比如在正转( 逆时针) 时，在0 0 - - 6 0 。电相位，功率开关管v l ，v 4 导通， 9 武汉理工大学硕士学位论文 电流从a 相流入，b 相流出。在6 0 0 - 1 2 0 0 ，功率开关管v 1 ，v 6 导通，但是上个 电相位从a 相到b 相的相电流仍然会通过v 1 和d 3 导通，反之，v 1 和v 6 导通 后，由于有电感的存在，从a 相到b 相的电流要稳定也需要时间【2 2 1 。于是从图 2 - 8 来看，每一段相电流的上升沿和下降沿都将经历一定的延迟【2 3 】，就是说每一 次换相时相电流都会发生一些波动，这就会导致电机会产生周期性的转矩脉动， 给电机造成较大的机械振荡 2 4 1 。后面章节会就处理转矩脉动给出实现方案。 | 瓦。 a f - 1801360产 矿 1入 ll ； 入ly i l 、l lt 一 l 一， l 卜 i i 厂 u # 矿 i ，一如 ，。一、 图2 8 转矩脉动 2 3 4 无刷直流电机的数学模型 。 医 = 孑萝耋 差 + 丢 乏l 乏a b 冬 差 + 圣 c 2 山 甜a ，无刷直流电机三相绕组的相电压，相对与地的零电位而言。 气，巳三相绕组的相反电动势。 1 0 武汉理工大学硕士学位论文 尼，咒，r 定子各相绕组电阻。 厶，厶，厶定子各相绕组自感。 乞，k ，k ，k ，k ，厶定子间各相绕组的互感。 可认为定子各相绕组间互感为常数【2 7 】，即厶= k = k = k2 乞= k = m 。而 定子各相绕组自感和电阻大小一致【2 引。厶2 厶= 厶= 工，疋砘= 足= r 。则式( 2 1 ) i o o l r 乞l + 丢 考兰錾 差 + 匡 q q m i 。+ m i b + m i c = 0 ( 2 - 4 ) 窆 v o j l = l f ： ：o 羔o j l l r , 芝o j l + 丢 j _ 三 p 三三m 差 + 圣 c 2 5 ， i c 图2 - 9 电机电压方程等效电路图 物理学理论中，单根导体于磁场中切割磁感线产生的电动势e 为 e - - 矶 ( 2 6 ) 曰磁场强度。 ，在磁场中导体的有效长度。 武汉理工大学硕士学位论文 1 ，导体在垂直于磁感线运动的线速度。 在无刷直流电机中，电机转速w 与线速度v 的关系为 y = 2 蠢 ( 2 - 7 ) ，绕组旋转半径。 如果电机定子绕组每一相的匝数为，并且每相有两根导体，则每相绕组 的反动势为： 为： e = 2 e ( 2 8 ) 将式( 2 6 ) ( 2 7 ) 代入式( 2 8 ) 中，则相反电势e 于电机转速w 关系 e ：b l z r w w 1 5 在电机制造成型后，z ，r ，均为固定值。 无刷直流电机的电磁转矩大小与电流大小成正比关系， 乙2 ( 乞乞+ e 6 + e c i t ) w ( 2 - 9 ) 电磁转矩表达式为： ( 2 1 0 ) 在理想情况下，定子绕组每个时刻只有两相导通，那么功率可以表示为 见2 乞j 口+ 屯+ 巳艺2 2 e ， 但1 1 ) e 和i 为某时刻导通的绕组中其中一相的反电势和相电流，这样平均的电磁 转矩可表示成 互5 见w = ( 2 e 1 ) w 但一1 2 ) 可以看出，相电流和转矩大小成正比，即使在现实情况中，电机的转矩和 相电流，相反电势，电机速度基本符合这种关系【2 9 】。电机的运动方程为 t , - t l - b w = j 坐d t ( 2 - 1 3 ) 在式( 2 1 3 ) 中，疋为电磁转矩；五为负载转矩；w 为电机角速度；b 为 阻尼系数；j 为电机转子的转动惯量。 电机在转速稳定时 i - 瓦= b w ( 2 - 1 4 ) 结合式( 2 1 2 ) ，可以看出国与i 成线性关系。 1 2 武汉理工大学硕士学位论文 第3 章系统硬件设计 本章介绍控制系统的硬件组成，硬件结构框图如图3 1 所示，主要由微控制 器，功率驱动模块、相电流相电压测量模块、转子位置测量模块、操作面板模 块、电磁阀驱动电路、刹车电路、脚踏板电路等几部分组成。下文将就其中大 部分模块的功能做介绍，这里就不多复述。 操作面板 ( 键盘和显示屏) 脚踏板传感模块 电磁阀驱动电路 l m 3 $ 1 4 3 9 微控制器 刹车电路 功率驱动模块 电压测量模块 电流测量模块 转子位置测量模块 图3 1 硬件总体结构框图 3 1 微控制器l m 3 s 1 4 3 9 在控制系统的硬件设计中，控制器绝对是整个硬件系统运行的核心部件， 它要完成信号处理，为电机提供p w m 驱动信号，为电磁阀提供驱动信号，最重 要的是控制器要实现整个系统的控制策略，通过各种算法流程实现各种功能。 t i 公司s t e l l a r i s 系列的l m 3 s 1 4 3 9 微控制器基于a r mc o r t e x m 3 内核，很适合 注重成本的嵌入式微控制器工业应用方案。 本设计方案就以l m 3 s 1 4 3 9 微控制器为控制核心，利用其内部外设接口， 如p w m 脉宽调制器、a d c 模数转换器、q e i 正交编码器、定时器、j t a g 调试 端口等，结合智能功率模块i r a m s l 6 u p 6 0 a ，能很好实现平缝机的各功能。整 个系统成本低廉、集成度高、控制精度高、抗干扰能力强。图3 2 介绍了l m 3 s 1 4 3 9 内部结构框图。 武汉理工大学硕士学位论文 ；隧黪；野躏阐篇j ：垮 一x 9 冀孵；棚3 _ 默謦篡磐： _ 3 3 1 通用定时器 圈 薯。鲨凋 嚏曩嘲 p 麓煮镧 譬l 隧；离 _ 一1 鼍；= 互盈i 图3 2l m 3 s 1 4 3 9 高级方框图 在软件设计中，我们需要定义信号的采样周期，同时在每个采样周期触发 a d c 转换实现电压电流等数据的采集。通用定时器是设计中必不可少的周期定 时单元，同时定时器可以设定为a d c 的触发事件。l m 3 s 1 4 3 9 一共有3 个通用 定时器模块( g p t m ) ，每个通用定时器模块都可以提供2 个1 6 位定时器。本设计 中使用了3 2 位周期定时、触发中断和a d c 采样的功能，驱动如下： s y s c t l l d o s e t ( s y s c t l l d o 一2 7 5 v ) ；l d o 稳压保护 s y s c t l c l o c k s e t ( s y s c t l u s e _ o s c i s y s c t l o s c _ m a i n i s y s c t l _ x t a l 一 8 m h z i s y s c t ls y s d i v1 ) ；系统时钟初始化，晶振，8 m h z s y s c t l p e r i p h e r a l e n a b l e ( s y s c t l _ p e r i p h _ t i m e r 0 ) ；使能定时器模块 t i m e r c o n f i g u r e ( t i m e r 0b a s e ，t i m e rc f g3 2b i tp e r ) ；1 1 16 位周期定 时功能 t i m e r l o a d s e t ( t i m e r 0 一b a s e ，t i m e k a ，2 0 0 0 0 0 ) ；设置初值，周期为2 5 m s t i m e r c o n t r o l t r i g g e r ( t i m e r 0 _ b a s e ，t i m e r _ a ，t r u e ) ；定时器可触发a d c 事件 t i m e r i n t e n a b l e ( t i m e r 0 一b a s e ，t i m e r t i m a _ t i m e o u t ) ；使能超时中断 i n t e n a b l e ( i n tt i m e r 0a 1 ； 1 4 武汉理工大学硕士学位论文 3 3 2 模数转换器 在设计中，需要根据转子实时不同的电角度，有选择的测量某相的相电流 和相电压。本设计的a d c 模块有4 个模拟输入通道，其采样速率高达5 0 0 0 0 0 s ， 转换分辨率高达1o 位。此模块还设有一个温度传感器。a d c 模块内部有一个可 编程的序列发生器，支持4 个可编程的采样转换序列。设计中，只要定时器的 采样触发信号到来，收到采样指令后，它可自动对多个模拟输入源进行采样， 再把采样转换序列的结果存入对应的f i f o 。编程时，可灵活的配置a d c 模块 的输入源、触发事件、中断和序列优先级。而且对每个模拟输入源连续采集的 多达6 4 个采样值，控制器硬件可自动计算平均值存入采样转换序列，以便提高 精度。驱动如下： s y s c t l p e r i p h e m l e n a b l e ( s y s c ”e r i p h _ a d c ) ,使能a d c 模块 s y s c t l a d c s p e e d s e t ( s y s c t la d c s p e e d _ 5 0 0 k s p s ) 采样速率设置最快 a d c s e q u e n c e d i s a b l e ( a d c _ b a s e ，1 ) ； a d c s e q u e n c e c o n f i g u r e ( a d c _ b a s e ，l ，a d c _ t r i g g e r _ t i m e r , 0 ) ；属置 电流采样序列，由定时器触发 a d c s e q u e n c e s t e p c o n f i g u r e ( a d c _ b a s e ，1 , 0 ，a d c _ c t l _ c h 0 ) ；电流采样 序列，捕捉a d c 0 和a d c l a d c s e q u e n c e s t e p c o n f i g u r e ( a d c _ b a s e ，1 ，1 , a d c _ c t l - - c hi a d c _ c t l _ i e i a d cc t l _ e n d ) ； a d c s e q u e n c e c o n f i g u r e ( a d c _ b a s e ，2 ，a d c _ t r i g g e r _ p r o c e s s o r , 1 ) ； 配置电压采样序列 a d c s e q u e n c e s t e p c o r t f i g u r e ( a d c _ b a s e ，2 , 0 ，a d c _ c t l _ c 1 - 1 2 ) ；电压采样 序列，捕捉a d c l 和a d c 2 a d c s e q u e n c e s t e p c o n t i g u r e ( a d c _ b a s e ，2 ，1 , a d cc t l - c h 3i a d c _ c t li e l a d c _ c t le n d ) ； a d c h a r d w a r e o v e r s a m p l e c o n f i g u r e ( a d c _ b a s e ，l6 ) ；平均16 硬件过采样 a d c s e q u e n c e e n a b l e ( a d c _ b a s e ，1 ) ；使能采样序列发生器 3 3 3 脉宽调制接口 脉宽调制( p w m ) 主要通过定时器输出方波，通过调制方波占空比达到对 模拟信号进行数字化编码的目的【3 0 1 。在本设计中对p w m 的控制就是电机位置 武汉理工大学硕士学位论文 和速度控制的核心。此接口包含3 个p w m 发生器模块。每个p w m 发生器模块 包含1 个定时器，2 个p w m 比较器，p w m 信号发生器，死区发生器和中断a d c 触发选择器。每个p w m 发生器可以输出两个p w m 信号，两信号即可以是互 不相干的信号，也可以是加入死区延迟的相关信号。本设计中使用3 个发生器 模块产生6 路p w m 信号，控制功率逆变器的6 个门控通道。 s y s c t l p e r i p h e r a l e n a b l e ( s y s c t lp e r i p hp w m ) ；使能p w m 模块 s y s c t l p w m c i o c k s e t ( s y s c t lp w m d w1 ) ；设置p w m 模块的时钟 g p i o p i n t y p e p w m ( g p i q p o r t db a s e ，o x 0 8 ) ； g p i o p i n t y p e p w m ( g p i o _ p o r t f _ b a s e ，0 x 0 2 ) ； g p i o p i n t y p e p w m ( g p i o _ p o r t e _ b a s e ，0 x 0 2 ) ；使能g p i o 的p w m 功能 p w m g e n c o n f i g u r e ( p w m _ b a s e ，p w mg e n _ 0 ，p w m _ g e n _ m o d e _ u p _ d o w n i p w m _ g e n _ m o d e _ n o _ s y n c ) ； p w m g e n c o n f i g u r e ( p w m _ b a s e ，p w m _ g e n _ i ，p w m _ g e n _ m o d e _ u p _ d o w n i p w m _ g e n _ m o d e _ n o _ s y n c ) ； p w m g e n c o n f i g u r e ( p w m _ b a s e ，p w m _ g e n _ 2 ，p w m _ g e n _ m o d e _ u p _ d o w n i p w mg e nm o d en os y n c ) ；设置p w m 产生方式 p w m g e n p e r i o d s e t ( p w m _ b a s e ，p w m