一種無電流環(huán)永磁同步電動機(jī)伺服控制的研究
嚴(yán)偉燦1，任寶棟1，劉棟良1，譚瑩2
（1臥龍電氣集團(tuán)股份有限公司，上虞312300；2西安微電機(jī)研究所，西安710077）
摘要：針對永磁同步電動機(jī)的傳統(tǒng)控制，利用永磁同步電機(jī)空間矢量脈寬調(diào)制原理( svpwm)進(jìn)行解耦，采集兩路電流信號來控制電機(jī)的轉(zhuǎn)矩及轉(zhuǎn)速，該文提出了一種基于精確的光電編碼信號測速的無電流環(huán)直接電壓控制策略，省去兩路電流采樣信號，節(jié)約了成本，提高可靠性；通過dsp芯片tms320f2407設(shè)計了工業(yè)縫紉機(jī)控制器的硬件及軟件，實現(xiàn)了無電流環(huán)永磁同步電動機(jī)控制，滿足客戶的需求。
關(guān)鍵詞：無電流環(huán)；工業(yè)縫紉機(jī)；永磁同步電動機(jī)；伺服控制
中國分類號：tm341; tm351 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：a 文章編號：1001-6848(2010)06-0093-03
0引 言
傳統(tǒng)工業(yè)縫紉機(jī)采用離合器電機(jī)帶動機(jī)頭運(yùn)轉(zhuǎn)，轉(zhuǎn)速一般在3 000 r/min以上，待機(jī)時離合器脫開，但電機(jī)仍處于空載運(yùn)轉(zhuǎn)，耗能高。將永磁同步電機(jī)(pmsm)用于工業(yè)縫紉機(jī)的驅(qū)動，可實現(xiàn)工業(yè)縫紉機(jī)的各種自動化功能，并且具有轉(zhuǎn)動慣量小、響應(yīng)速度快：效率高、體積小、噪音低等優(yōu)點r。pmsm傳統(tǒng)控制方式的基本思路是利用空間矢量原理進(jìn)行解耦，使永磁同步電機(jī)的電流進(jìn)行分解，從而按直流電機(jī)的控制規(guī)律來進(jìn)行控制，難點在于需要同時采樣電機(jī)至少兩路的電流值，并對其進(jìn)行矢量變換（clark變換和park變換），最終變換為電壓信號。文獻(xiàn)[2-4]針對無刷電機(jī)進(jìn)行了理論分析，通過模糊算法或改進(jìn)的模糊算法提供了很好的動態(tài)性能，但算法過于復(fù)雜，不利于廣泛使用，且計算機(jī)編程計算量大，一來在增加了硬件成本的同時也占用了比較大的軟件開銷，不利于工程實現(xiàn)。
針對額定扭矩相對恒定的工業(yè)縫紉機(jī)用電機(jī)，采用了一種基于精磅的光電編碼信號測速并通過空間矢量脈寬調(diào)制控制的電機(jī)控制模式。控制電機(jī)的根本目的在于控制電機(jī)的轉(zhuǎn)矩，也實現(xiàn)對電機(jī)轉(zhuǎn)速的控制，svpwm的作用就是控制其轉(zhuǎn)矩。光電編碼器檢測到脈沖后由dsp控制器計算出當(dāng)前的轉(zhuǎn)速，同既定的轉(zhuǎn)速進(jìn)行比較，比較后通過積分分離的pid算法，得出應(yīng)當(dāng)施加的轉(zhuǎn)矩值，通過svpwm算法，進(jìn)行pmsm電機(jī)電壓的控制。發(fā)揮dsp控制器在運(yùn)動控制領(lǐng)域的應(yīng)用優(yōu)勢，該系統(tǒng)采用以dsp芯片為核心再配以簡單可靠的外圍電路，其控制算法及功能全部由軟件實現(xiàn)。這種方案采用的是不檢測電流，直接通過電壓控制的技術(shù)。對于工業(yè)縫紉機(jī)這類負(fù)載波動小、控制精度要求較低的機(jī)械，該方案較為適用。由于省掉了電流測量環(huán)節(jié)，使整個系統(tǒng)簡潔可靠，并降低了成本。
l 系統(tǒng)的硬件結(jié)構(gòu)
工業(yè)縫紉機(jī)用伺服控制系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)如圖1所示，其中220 v市電輸入，整流橋、濾波電容、制動器、ipm逆變器和pmsm構(gòu)成系統(tǒng)的功率電路，光電編碼器信號構(gòu)成的速度位囂檢測電路和數(shù)字信號處理器( dsp)構(gòu)成控制回路，人機(jī)界面、鍵盤和各種功能電磁鐵構(gòu)成外圍電路。
交流220 v電壓經(jīng)過整流濾波后得到穩(wěn)定的直流電源供給智能功率模塊(ipm)，功率模塊在svpwm下產(chǎn)生i相pwm電壓供給pmsm，然后pmsm帶動縫紉機(jī)機(jī)頭進(jìn)行縫紉工作。
控制系統(tǒng)的主回路逆變器采用智能功率模塊，該模塊采用20 a/600 v igbt功率管，它內(nèi)含驅(qū)動電路，并設(shè)計有過壓、過流、過熱、欠壓等故障檢測保護(hù)電路。同時系統(tǒng)還沒計了軟啟動電路以減少強(qiáng)電對主回路的沖擊。在系統(tǒng)故障保護(hù)環(huán)節(jié)中還設(shè)置了主回路過壓、欠壓、過熱、過載、制動異常、光電編碼器反饋斷線等保護(hù)功能，故障信號由軟硬件配合檢測，一旦出現(xiàn)保護(hù)信號，便可通過軟件或硬件邏輯立刻封鎖pwm驅(qū)動信號。與pmsm同軸旋轉(zhuǎn)的光電編碼器和機(jī)頭定位器產(chǎn)生一對正交脈沖信號和pmsm轉(zhuǎn)子位置信號，用于dsp的速度和位置控鋼。縫紉機(jī)1．作時，通過腳踏板調(diào)速器給定pmsm的目標(biāo)轉(zhuǎn)速，通過人機(jī)界面接收目標(biāo)位置，通過檢測機(jī)頭定位器的上下停針信號，配合各個功能電磁鐵，完成自由縫、倒網(wǎng)縫、加固縫、定針縫等各種縫制工藝。
2系統(tǒng)的軟件設(shè)計
系統(tǒng)的各種縫制功能以及控制策略的實現(xiàn)，主要靠系統(tǒng)軟件來完成，因此，可靠的 |
