基于永磁同步電動機的工業縫紉機伺服控制系統

曹 瑩，賁禮進

(1.南通紡織職業技術學院，江蘇南通226007;2.江蘇省風光互補發電工程技術研究開發中心，江蘇南通226007)

0 引 言

隨著服裝業的興起，對縫制設備的需求量也越來越大。在不斷追求縫制質量和速度的前提下，具有較高自動化水平的工業縫紉機越來越受到市場的青睞。目前，我國從事工業縫紉機研究和開發的力量薄弱，全自動高速縫紉機的研發和應用時間都很短，在產品檔次、質量及使用的穩定性方面與國際先進水平存在一定的差距。因此，結合工程應用實際，開展工業縫紉機伺服控制系統的研發工作，具有重要的工程應用價值［1］。

我們研制的工業縫紉機伺服控制技術，采用速度、位置外環和電流內環，通過實時檢測電機相電流，進行磁鏈軌跡控制，從而實現對電機的閉環控制，電壓利用率得到提高，轉矩脈動降低，噪聲降低，控制性能大大提高。并且解決了電機的遲滯、抖動、齒諧波、超調等問題，針位控制又快又準，系統穩定性高。

1 工業縫紉機伺服控制系統總體設計方案

1.1 工業縫紉機伺服控制系統性能指標

工業縫紉機大部分功能的實現最終都需要依靠伺服電動機控制系統來完成，所以伺服系統的性能好壞是評價控制器性能的關鍵。其主要性能指標如下［2］:

(1)調速范圍寬和速度精度高。要求調速范圍200～5 000 r/min，速度控制精度＜±5 r/min，這樣才能滿足低速加工和高速返回的要求。

(2)定位要精確。縫制過程結束后需要自動上下停針，要求停針迅速準確，機針定位精確，一般要求精度控制在皮帶輪對應的上下針位±3°以內。這也同時影響到是否能順利切線和拔線等操作。

(3)起停輕柔、迅速。伺服系統對起停時間要求較高，一般控制在200 ms以內。這對電機過電流能力和伺服控制的動態性能提出了較高的要求。

(4)能夠實現自動停針位、撥線、剪線、抬壓腳及自動調節等功能，并符合實際縫紉需要。

(5)能夠實現倒縫、自由縫、定位縫以及各種口袋縫等功能，倒縫線跡重合精度要好，誤差≤10%。

其中定位技術是工業縫紉機的關鍵性技術之一。對于高速縫紉機必須要有快速、精確的定位。因此，工業縫紉機系統的快速定位技術是本文研究的關鍵，也是一個難點。

1.2 工業縫紉機伺服控制系統組成

工業縫紉機具有自動剪線、自動挑線、自動倒縫等功能。用戶根據需要可以隨時改變運行速度、調整縫制針數、切換縫紉模式。圖1是工業縫紉機控制系統的結構圖，它主要包括伺服控制器、功率驅動電路、電磁鐵驅動電路、測量電路、腳踏板控制電路、機頭定位器、伺服電機、操作面板等部分。

圖1 工業縫紉機系統結構圖

(1)伺服控制電路

伺服控制電路是整個系統的核心。它的作用是產生6路PWM波形。面向操作者，接收設定的信息，顯示運行的狀況，驅動電磁鐵，完成縫紉機的剪線、拔線、前后加固、抬壓腳等動作。

(2)功率電路

功率電路包括兩大模塊:一個是電源模塊，220 V的交流電經過變換后分別得到5 V、15 V、24 V的電壓;另一個模塊是驅動模塊，包括整流電路、濾波電路、驅動電路、保護隔離電路等。它的作用就是將220 V的交流電整流濾波成直流電源，接收從DSP輸出的6路PWM信號，控制6個IGBT的導通與關斷，從而得到電機所需的三相交流電。

(3)機頭定位器電路

為保證工業縫紉機停機的一致性和準確性，伺服系統需要一個定位的硬件同步信號，因此采用一個定位器來實現上下停針的硬件同步。

(4)電磁鐵驅動電路

電磁鐵接收功率開關的信號指示，完成剪線、倒縫、抬壓腳、自動剪線等動作。

(5)腳踏板電路

在縫紉機系統中的作用是給電機提供起動信號、速度信號以及剪線、抬壓腳信號。

(6)操作面板

操作面板提供人機接口，包括顯示電路和鍵盤電路，可以設定縫紉模式，如最大速度、倒縫速度、是否自動剪線等，還可以設定當前的縫紉模式。操作面板和控制電路之間通過異步串行通信共享數據，控制電路接收操作面板發送的縫紉信息，而后對縫紉機進行控制，進而完成布料的各種縫紉。

(7)伺服電動機

伺服電動機是系統的主動機構，通過皮帶帶動縫紉機機頭旋轉完成各種功能和運行方式的縫紉。

1.3 伺服電動機的選擇

工業縫紉機縫紉動作的動力來源于電動機，包括驅動主軸、針桿、挑線桿等往復運動和旋轉運動部件。通過皮帶輪，電動機的轉動驅動縫紉機帶輪轉動，從而驅動整個部件完成縫制任務。目前工業縫紉機伺服電動機一般有渦流式、摩擦片式、電磁離合器電動機、混合式步進電動機、直流伺服電動機等。但這些電機都有著各自的缺點，不適合作為工業縫紉機的伺服電機［4］。

永磁同步電動機由于轉子采用鐵氧體和高性能的稀土釹鐵硼永磁材料，具有體積小、重量輕、大轉矩輸出，同時轉子無勵磁損耗，效率較高，發熱主體在定子側，散熱容易，而且永磁同步電動機的矢量控制比感應電動機來得簡單。因此，由永磁同步電動機組成的伺服系統已經受到了人們的重視，并獲得了廣泛的應用［5］。

由于工業縫紉機機頭的機械結構是偏載的凸輪傳動機構，而工業縫紉機在200 r/min～5 000 r/min的范圍內能夠實現快速的加減速控制，且電機是與上軸直接安裝的，空間有限，所以本文選用交流永磁同步電動機作為工業縫紉機系統的動力源。

工業縫紉機伺服控制系統中，功率驅動電路:15 V(DC)/0.5 A，DSP控制電路:3.3 V(DC)/0.5 A，電磁鐵驅動電路:24 V(DC)/6A，腳踏板電路:12 V(DC)/0.5 A，面板及外圍接口芯片:5 V(DC)/1.5 A。總功率約為180 W，選用500 W的永磁同步電動機驅動能夠滿足設計要求。

1.4 編碼器的選擇

電動機轉子的實時位置信號與初始定位是伺服系統運行的基本條件，也是矢量控制解耦的必要條件。為了提高控制系統的精度，轉子位置的檢測選用增量式光電編碼器。光電編碼器具有精度高、測量范圍廣、體積小、重量輕、使用可靠等特點，廣泛應用于工業用交流伺服電動機的位置檢測。

增量式光電編碼器是直接利用光電轉換原理輸出三組方波脈沖A、B和Z相;A、B兩組脈沖相位差90°，從而可方便地判斷出旋轉方向，而Z相為每轉只輸出一個脈沖，用于基準點定位。光電編碼器脈沖信號時序圖如圖2所示。光電編碼器輸出的A、B兩路脈沖信號經過光電隔離處理整形后，送到TMS320LF2406A的QEP1和QEP2上，經過控制器內部解碼邏輯單元產生的四倍頻計數脈沖CLK和轉向信號DIR。

基于成本考慮，我們自己設計并制作了增量式光電編碼器。系統中，電動機與縫紉機同軸轉動，在電動機轉子軸上安裝分辨率為360線的光電編碼器，因此位置信號的分辨率為機械角，因為永磁同步電動機為兩對極結構，因此電信號的分辨率為2×0.25°=0.5°電角度。

圖2 光電編碼器脈沖信號時序圖

2 工業縫紉機伺服控制系統關鍵技術

2.1 工業縫紉機系統的制動方式

由于工業縫紉機控制系統是一個精密度較高的伺服系統，系統要求定位精確、停車快速，而且起停頻繁。因此研究了系統的制動方式。由于能耗制動低速時會出現停不住，即產生“爬行”現象;反接制動在高速時容易產生過流，嚴重時會損壞電路。因此若單獨使用一種制動方式，效果不理想，本系統采用能耗加反接的制動方法。具體的制動過程如圖3所示。

圖3 系統制動過程示意圖

系統高速運行過程中，當在A點接到制動信號后，電機通過能耗制動迅速下降到B點，然后穩定運行到達設定的反接制動起始位置C點后，進行反接制動，使得電機在較短的時間內快速停車，最終停在D點。

2.2 工業縫紉機的精確定位控制

工業縫紉機伺服系統的一個重要指標是停機位置的準確度，一般要求在200 ms內停車及精度要控制在皮帶輪對應的上下針位±3°以內。工業縫紉機實際的停車位包括上針位和下針位的停機，所以縫紉機在這兩個位置必須各給出一個信號，DSP才可以通過檢測這兩個信號來控制電動機停止。另外電動機運轉通過皮帶與機頭連接傳動，皮帶可能存在打滑現象，只有結合電動機編碼器信號與機頭同步信號，才能準確判斷系統狀態，從而保證系統運轉在最佳狀態。

安裝在永磁同步電動機主軸上的增量式編碼器，可以得到電機轉子的位置信號和速度信號。由于縫紉機的機頭與電動機轉軸用撓性皮帶連接，通過編碼器無法獲得上下針位的準確信號。上下針位信號的產生主要是依靠安裝在機頭上的兩塊極性相反的磁鐵(跟著電動機旋轉)，對兩個相反安裝的開關型霍爾傳感器(固定)作用，即每塊磁鐵僅對應一個傳感器起作用。當機頭旋轉到上針位或下針位位置上時，相應的開關霍爾傳感器因為磁場到達其跳變的閾值，而產生輸出跳變，也就是需要的開關信號，即機頭同步信號，通過與編碼器位置信號配合就可以精確得到縫紉機機頭主軸位置。機頭裝置如圖4所示。其中A為上針位磁鐵、B為下針位磁鐵，S1、S2、S3、S4為上下停針位置信號。

圖4 機頭定位裝置

3 工業縫紉機伺服控制系統硬件軟件設計

3.1 硬件電路設計

在工業縫紉機伺服控制系統設計中，根據系統的性能要求，我們選用了TMS320LF2406作為核心的控制器，利用DSP內部的波形發生器以及高速輸入輸出口，配以相應的外圍電路，以及功率驅動電路等構成的縫紉機控制系統，具有成本低、控制精度好、抗干擾能力強等優點。測試結果證明，這種電路運行穩定可靠，調速性能好。

圖5是工業縫紉機系統的硬件結構圖。其中，220 V交流電源、整流濾波電路、三相逆變器和PMSM構成系統的功率電路，電流檢測、速度位置檢測電路和DSP控制器構成縫紉機伺服系統的主控制電路，鍵盤與顯示電路、電磁鐵驅動電路、腳踏板電路構成外圍電路。交流220 V電壓經過整流濾波之后為三相逆變器提供穩定的直流電源，由DSP內置的PWM模塊產生6路PWM信號直接輸入功率驅動器IR2136，經過處理后驅動6只IGBT，產生SVPWM信號，逆變器在SVPWM調制下產生三相PWM電壓供給PMSM，PMSM驅動工業縫紉機的機頭進行縫紉工作。TMS320LF2406A是一款高性能的數字信號處理器。控制電路中，電動機的U、V相電流信號經過霍爾電流傳感器檢測后進入DSP的A/D模塊，該A/D模塊有兩個獨立的轉換器，可以保證采集到的相電流是同時的，由DSP完成電流的閉環控制。與PMSM同軸的光電編碼器產生用于檢測電動機轉子初始位置的HallA、B、C信號以及正交脈沖A、B信號和Z脈沖信號，為DSP提供速度閉環控制信號，同時也進入DSP的QEP口，用于完成位置的閉環控制。縫紉機工作時，腳踏板的調速器給定永磁同步電動機的一個轉速信號，機頭定位器給定PMSM運行的轉數，并且配合各個功能電磁鐵，完成定針縫、自由縫、商標縫等縫紉模式。

圖5 系統硬件結構圖

3.2 伺服系統軟件設計

系統軟件根據功能要求，按照模塊化設計的思想，主要包括以下幾個模塊:

系統的初始化模塊:主要完成對各個控制寄存器預置初值，對運算過程中使用的各種變量分配地址并預置相應的初值，然后進入超級循環。

功能電磁鐵模塊:根據系統要求，控制剪線電磁鐵、倒縫電磁鐵、掃線電磁鐵等與機械結構配合協調完成相應的操作。

用戶接口處理模塊:接收用戶的按鍵信息并做相應的處理，包括LCD顯示和鍵盤電路。

電機調速模塊:根據用戶設定的速度以及腳踏板的控制信號，通過速度調節器完成速度的調節。

縫紉模式運行模塊:根據用戶的設置選擇特定的縫紉模式，可實現自縫、商標縫、固定針數縫及口袋縫。

錯誤信息處理模塊:處理系統出現的各種錯誤。為了提高系統的實時性，本系統設計了雙CPU的處理模式，兩個CPU之間通過異步串行通信來共享數據，提高系統的相應速度。電磁鐵驅動、電機調速、縫紉模式操作等由DSP處理，而單片機完成鍵盤和LCD顯示部分。

圖6 功能模塊

3.3 矢量控制策略的實現

永磁同步電動機伺服系統矢量控制原理如圖7所示。控制系統包括以下幾個部分:整流和逆變模塊;電流、速度和位置檢測模塊;電流環、速度環和位置環控制器模塊;Park變換、Park逆變換、Clark變換模塊;SVPWM產生模塊。

圖7 永磁同步電動機伺服系統矢量控制原理圖

位置信號指令與檢測到的轉子位置相比較，經過位置控制器調節，輸出速度指令信號。檢測到的轉子速度信號與速度的指令信號相比較，經過速度PI控制算法，得到了定子電流的指令信號0)，調用Clark變換模塊將相電流矢量變換到兩相靜止坐標系中，再利用Park變換模塊轉換到兩相旋轉坐標系中，將d、q坐標軸的相電流分量與電流指令信號比較，經過電流環的PI控制，得到了d、q坐標軸的電壓指令信號，調用Park逆變換模塊轉換為α、β軸的電壓指令信號，再調用SVPWM模塊，輸出六路PWM脈沖送入逆變橋，產生頻率和幅值可變的三相正弦電流輸入電機定子，驅動永磁同步電動機。中斷服務子程序流程圖如圖8所示。

圖8 中斷服務子程序流程圖

在電機的控制中，必須精確地測得定子的相電流，因為只有準確地獲得相電流，才能使電機的運行速度更加穩定、平滑。這里采用LTS6－NP來測定定子電流，它將定子電流直接轉化為電壓信號，送到DSP中進行控制。每當中斷子程序開始運行就要對電流重新進行采樣，以滿足后續程序的需要。

4 試驗結果

在工業縫紉機控制系統中，三相永磁同步電動機的主要參數如下:額定電壓220 V(AC)、50 Hz，額定功率500 W，額定轉速4 000 r/min，額定轉矩7.5 N·m，定子電阻6.4 Ω，電樞電感7.2 mH。

在轉速4 000 r/min的條件下，通過示波器測得的腳踏板輸出的信號、定子電流輸出信號和編碼器輸出的信號如圖9、圖10所示。

圖9 腳踏板輸出信號和定子電流信號

圖10 編碼器U相輸出信號

從圖中可以看出，系統起動響應迅速，能快速穩定在設定值，起動時間約為160 ms，小于工業縫紉機行業的要求值200 ms。相電流輸出為正弦波，且波形良好，轉速平穩。編碼器輸出信號符合設計要求。

系統起動性能測試、制動性能測試、定位精度測試完全滿足設計要求。

5 結 語

永磁同步電動機具有動態性能好、輸出轉矩大、體積小的特點，在工業縫紉機系統中擁有較大優勢。另外一方面，隨著智能化技術的成熟與發展，使得高速工業縫紉機伺服系統的研制與開發技術也不斷成熟起來。

目前該縫紉機控制系統已經研發成功，并進行了小批量生產。從使用效果來看，該系統能夠實現縫紉機針位的快速性和準確性，保證了縫紉機在高低速運行時的平穩性，同時該縫紉機具備了自動剪線、自動撥線、自動前后加固等功能。

服裝縫制質量的最高標準就是“完美針跡”。一方面要求工業縫紉機伺服控制系統要有足夠的精度，另一方面還要求縫制機械的質量要好。伺服控制系統中影響縫紉機針跡的一個重要的因素是電磁鐵很難做到精確控制，我們通過對大量的參數進行微調，以適應其延遲時間的變化，但還不夠精確，因此如何保證在高速運行的時候下有足夠快的響應時間，是我們今后需要研究的一個難點。

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