基于矢量控制的工业缝纫机用低成本永磁同步电动机驱动系统 - 图文-

1、中图分类号:T M351T M341文献标识码:A 文章编号:100126848(20060920051203基于矢量控制的工业缝纫机用低成本永磁同步电动机驱动系统朱宏伟1,邹继斌1,陈阿三2(1.哈尔滨工业大学电气工程系,哈尔滨150001;2.宁波韵升高新技术研究院,宁波315040摘要:给出一种低成本工业缝纫机用永磁同步电动机(P MS M 驱动系统方案。首先通过改进永磁同步电动机的结构,简化了加工工艺,同时采用简易的光电编码器作为位置传感器,选用新型器件设计了低成本高性能的驱动控制器硬件系统。基于矢量控制技术,进行了驱动控制系统的软件设计。采用P I D 控制策略,实现驱动系统的加速、

2、减速、调速及准确定位等控制功能。所设计的系统满足工业缝纫机的性能需求,动态响应良好,而且降低了驱动系统的成本。实验表明系统方案可行。关键词:矢量控制;缝纫机;永磁同步电动机;P I D 控制A Low Cost P M S M Dr i ve Syste m for I ndustry Sewi n g Machi n e Based on Vector ControlM ethodZ HU Hong 2wei 1,Z OU J i 2bin 1,CHEN A 2san2(1.Electrical Engineering Depart m ent,Harbin I nstitute of Te

3、chnol ogy,Harbin 150001,China;2.N ingbo Yunsheng H igh and Ne w Technol ogy Acade my,N ingbo 315040,China ABSTRACT:A l ow cost P MS M (per manent magnet synchr onous mot or drive syste m for industry se wing machine is p resented in this paper .The ne w p r oduct power module and contr ol I C were u

4、sed t o design aset of l ow cost,high perf or mance hard ware .And the syste m cost was reduced advanced by si m p lify mo 2t or manufacture p r ocedure and using a l ow cost encoder .The real ti m e contr ol s oft w are was p r ogra mmedbased on the P MS M vect or contr ol method .Stable perfor man

5、ces of s peed adjust and positi on l ocati on wasachieved by using the P I regulat or .The experi m ental results show that the syste m can satisfy the app lica 2ti on field requires,and the l ow cost drive syste m has high dyna m ic perf or mance .KEY WO R D S:Vect or contr ol;Se wing machine;P MS

6、M;P I D contr ol收稿日期:20062052090引言工业缝纫机在中国的市场巨大。为了提升服装质量和提高生产效率,生产厂家已经逐渐淘汰过去落后设备而转向了能耗低、缝纫穿透能力强、控制灵活的新机型。我国高性能缝纫机的核心技术市场长期被国外企业占领。值得欣慰的是近几年我国在该项技术上取得了实质的进步。除缝纫机的结构设计技术之外,控制机头旋转、停针和剪线等电气驱动控制技术也是工业缝纫机设计的核心技术。本文主要针对工业缝纫机的驱动控制系统,给出了一种高性能、低成本的设计方案,实现了快速起停、调速、上下停针、自动剪线、自动拨线等功能,为自动抬压脚、加固缝、倒缝和程序缝等打下了基础。实验结果

7、表明所设计的系统达到了预期目标。1系统结构本文设计的一台普通工业平缝机的驱动控制系统框架如图1所示。系统的核心控制器采用一块DSP 芯片,围绕核心芯片搭建外围线路后构成图1中所示的DSP 控制板。控制板实时采集操作者的脚踏板速度输入指令(线性霍尔器件生成的0V5V 的模拟电压及动作指令(如运行、剪线开关等,然后根据光电编码器反馈的电机位置信息和驱动板反馈的电流信息,应用永磁同步电动机的矢量控制方法分别进行电流环、速度环及位置环的调节控制,最后运算生成S VP WM 信号,给到驱动板,由驱动板上的智能功率模块完成驱动P MS M 旋转、15制动等功能。 系统的缝纫机头负载与驱动电机之间通过三角皮

8、带连接。因此针位传感器安装在缝纫机头的轴头端,有下针位和上针位两个开关型传感器。系统中电机的位置传感器采用一个180线的增量式光电编码器。编码器直接安装在电机的驱动轴上。 图1工业缝纫机驱动控制系统框图111电机结构 目前市场上驱动缝纫机的永磁同步电机的额定指标一般为功率400W ,转速4000r/m in,采用正弦波驱动方式,系统供电方式为单相50Hz,交流220V 。为了减小定位转矩,常采用斜槽结构。本文对上述的典型电机方案进行了改造设计,在保持定子冲片不变的情况下,将定子结构从斜槽改为直槽,重新设计电机转子,合理设计磁场分布,实现磁场正弦化,减小定位转矩。改进后的电机绕组系数提高,槽满率

9、增加,在额定负载下,电机铜损减小,从而有效降低了温升,同时定子铁心的制造工艺得到简化,电机嵌线容易,也为廉价的实现自动化叠压提供了可能。综上原因,整个电机的制造成本得到降低。改造后电机的参数:极对数为2,额定功率400W ,系统额定供电电压交流220V,50Hz,额定电流215A ,额定转速4000r/m in 。改造前与改造后电机的线反电动势波形对比如图2所示。从图中可以看出,由于转速关系,除电动势系数外,电机电动势的正弦性基本不变,能够满足正弦波驱动的要求。本文还对改造前后电机的定位转矩进行了对比测试,所测得的对应定位转矩的电信号如图3所示。从图中第一通道的信号可以看出,改造后电机的定位转

10、矩峰峰值比改造前略有增加,但变化不明显。同时随着结构变化,频率有所改变。图2改造前的斜槽电机线反电动势测试波形(a 和改造后的直槽电机的线反电动势测试波形(b 比较图3改造前的斜槽电机定位转矩测量波形(a 和改造后的直槽电机的定位转矩测量波形(b 112电机位置传感器结构工业缝纫机的工作转速在100r/m in6000r/m in 之间,而且当缝纫机要停在特定的下针位或上针位时,其定位精度为±2°机械角度。因此所设计的电机中使用了一个每周180线的正交编码器。码盘经过4细分,每周可以得到720个跳变沿信息,则该码盘可以达到015°的分辨力,能够满足此类使用场合的要

11、求。实验证明,该码盘可以满足25P MS M的矢量控制的需要。由于本控制系统所使用的编码器相对高精度光电编码器的位置分辨信息少,可以使用常规加工方法加工的机械式遮光片来实现,也不需要高速光电器件,还可以通过常规设备组装而成。此类编码器的成本大约为商业编码器的1/10左右。113控制器硬件结构本设计使用dsP I C作为核心处理芯片。该芯片是一种16位的数字信号控制器。片内既有DSP运算引擎,又具有MCU的外围接口能力,能够在215V至515V内全范围工作,最高可以运行至30M I PS,而其价钱却相当于MCU的价格。该系列产品封装丰富,从28脚到80脚有多种封装。除常用的通讯接口及定时器等功能

12、外,其电机控制系列产品内部具备6路(或8路P WM专用模块和正交编码器接口模块,方便了电机控制领域的应用。芯片的I/O管脚继承了P I C单片机的特点,具有较强的驱动能力,每个管脚可以提供最高25mA的驱动电流,同时具有丰富的模拟数字输入通道。以上特点使得系统在设计时无需考虑电平转换及外围接口问题,简化了控制板的电源设计及接口设计,也不需要复杂的电源系统及接口电平变换线路,从而有效降低了硬件和生产成本。在所设计系统上进行实验表明,该芯片工作可靠,抗干扰能力强,运算速度快,完全满足P MS M电机矢量控制的运算需求。本系统的电机功率驱动部分采用智能功率模块。该系列模块在同一封装下有10A至30A

13、的几种产品,方便设计系列产品使用。该模块采用了较新的I G BT技术,有效降低了功率器件的开关损耗,与其它相当产品相比,体积小、价格低。由于其内置HV I C驱动线路,只需一路电源即可驱动模块,接口容易。该模块有内置过流保护、低压侧短路保护和驱动电压欠压保护等功能。模块的三相下桥臂器件的发射基分别引出,有利于对三相桥臂分别进行可靠地保护。模块的散热基板采用了陶瓷或铜基基板,导热效果良好。模块可以在20kHz的开关频率下保证标称的电流输出。由于以上特点,所设计的功率驱动部分外围线路少,保护可靠,占用PCB空间少,生产调试简便,有效地降低了生产管理成本。实验表明驱动部分在16kHz的开关频率下能够

14、有效地工作。114控制器软件结构系统软件结构采用的矢量控制方案如图4所示。P WM算法使用空间矢量S VP WM方法实现,系统软件采用C语言和汇编语言混合编写 。图4系统软件所采用的矢量控制系统结构图系统的开关频率设为16kHz,系统电流环的调节频率也设为16kHz。当系统采集得到电机的两相电流值后,首先把电流值进行等幅Clarke变换,然后根据简易编码器测量得到的电机转子位置信息,再次把电流值进行等幅Park变换,得到当前一拍电机定子绕组中实际流过的在两相转子同步旋转坐标系下的交直轴电流。将实际电流与当前速度环运算得到的参考电流进行比较,同时采用直轴电流参考值固定为0的控制方式,通过比例积分

15、(P I调节器运算得到所需加给电机两相转子同步旋转坐标系下交直轴的电压量。根据位置信息进行等幅Park逆变换,结果得到需加给电机的两相静止坐标系下电压量,然后经过S VP WM算法最终计算得到控制桥臂开关的导通时间。经由三相逆变器驱动单元驱动,电机就可以按照预期的电流运转了。系统速度环的调节频率为400Hz,其参考值为用户的脚踏板输入,实际值通过对简易编码器的位置信息求导得到,速度环也采用比例积分(P I调节器进行整定。由于采用id=0的控制方式,因此速度环只负责计算q轴电流参考值的任务。2系统实现及实验结果系统在同样容量及功能下,所设计的控制器体积小且成本明显降低。(下转第100页35造成转

16、矩均有所降低,起动转矩下降22.5%,最大转矩下降16.9%。定子轭部磁通密度较原先未改造前有所增大。因为加转后定子绕组分布系数和短距系数减小,总磁通量增大。轭部面积是恒值,起动转矩虽下降,仍为额定转矩1165倍,最大转矩为1182倍。电机温升升高有限,仍可满足压缩机要求。电机各种技术指标都符合要求,说明上述改造是可行的。3结束语CO2压缩机由125r/m in加转到150r/m in后,压缩机打气量增加了25%,每年可增加利润约54万元,而整个改造费用为3万余元,取得了很好的效益。经过2年多的运行,电机的各项参数都在允许范围内,说明扩容改造完全达到了预期的目的。参考文献1李隆年.电机设计M.

17、北京:清华大学出版社, 1992.2程福秀, 林金铭.现代电机设计M.北京:机械工业出版社,1992.3李发海.电机学M.北京:科学出版社,1999.4电机工程手册编辑委员会.电机工程手册(4M.北京:机械工业出版社,1992.作者简介:吕梅蕾(1967-,女,副教授,从事教学与科研工作,发表论文10余篇。赵建伟(1969-,男,高级工程师,从事技术与管理工作,发表论文20余篇。(上接第53页图5给出了电机以614A的峰值电流拖动缝纫机加速时的相电流波形。可以看出,控制器能较好地控制相电流,电流波形畸变小。图6给出了系统在加速、平稳运行和制动3个阶段下的转速曲线和电流波形。在起动、加速、运行、

18、减速、停止整个工作范围内,系统较好地控制着电流。系统从静止加速到4000r/m in的时间不到200m s,从4000r/m in到停止的减速时间不到150m s,动态特性良好。图5电机拖动缝纫机头加速时刻的相电流测试波形图6电机加速、平稳运行及制动时的转速曲线和相电流测试波形3结语本文用较低的成本实现了一套工业缝纫机用伺服驱动系统,基于一片dsP I C芯片实现了复杂的矢量控制功能和电流环、速度环双闭环系统。实验表明控制特性良好,满足使用场合的需求。同时基于同一块控制芯片实现了辅助控制功能。本系统为实现工业缝纫机的低成本高性能驱动控制提供了示例。参考文献1陆健.日本缝纫机技术发展动态J.纺织信息周刊,2004,(23:18.2刘峙飞,黄海,韩安太等.高速工业曲折缝缝纫机的控制系统设计J.机床与液压,2004,(7:1422143.3姜淑忠,祁贲.工业缝纫机永磁同步伺服电动机系统J.微电机,2004,37(4:50251.4杨薇薇,沈安文.基于DSP的工业缝纫机驱动控制器的研究J.机械研究与应用,2005,18(3:1192120.5詹阳,邱阿瑞,肖曦.基于DSP全数字工业缝纫机交流伺服系统,电力电子技术,2005,39(2:86