新型SVPWM算法在工業縫紉機中的應用

彭 惠，何明華，王英俊，林 東

（1.福州大學 電氣工程與自動化學院，福建 福州 350108；2.福州大學 物理與信息工程學院，福建 福州 350108）

我國是世界公認的縫紉機生產大國，工業縫紉機產量占世界總產量的50%以上。近年來，為提高服裝質量和生產效率，生產廠家不僅在縫紉機的結構上做了很大改進，還逐漸采用性能更好的PMSM（永磁同步電機）調速系統替代傳統電機調速系統。

針對工業縫紉機的驅動控制系統，文中采用了一種新型SVPWM算法進行控制。該算法相對于傳統的SVPWM算法，具有的優點是無需進行與扇區相關的判斷與計算，從而縮短了數字信號處理器的編程時間和程序運行時間，可提高處理器工作效率。通過對永磁同步電機改進型矢量控制的理論分析，建立相應的仿真模型，經過仿真分析，給出了一個能實現快速起停，上下停針，自動剪線等功能的高性能設計方案。

1 新型SVPWM算法

1.1 新型SVPWM理論分析

根據定子三相電壓定義的定子電壓空間矢量表達式如下：

電壓矢量在兩相靜止坐標系中的分量uα，uβ與三相電壓分量 ua，ub，uc的關系如式（2）所示：

對于給定的電壓分量，采用下標r表示，如Ur表示給定電壓空間矢量，ura，urb，urc分別表示給定的三相電壓分量，它們與Ur之間也滿足式（1）。

新型SVPWM算法是依據三相給定電壓計算逆變器各相上橋臂導通（即接通高電平）的時間 ti（i=a，b，c）。 若 uri是給定的三相電壓，tr為新型SVPWM的脈寬調制周期，且ud是逆變器直流回路電壓，則可按式（3）計算參考時間量tri。

由于存在 tri＜0 或 tri＞tr的情況，故式（3）計算的 tri不能真正用來表示每一相輸出高電平的時間，需按式（4）進行一定的調整。

式（4） 將 tri加上時間偏移量 Δt以確保 0≤ti≤tr。當 Δt按式（3）得到的輸出波形較好。

經式（4）修正后得到的ti即為三相電壓型逆變器每相接通高電平的時間，這就是新型SVPWM的原理。最后設置DSP中定時器T1工作模式為連續增減計數模式，并根據式（6）計算得T1中各比較單元的比較值Vi。

不難看出，新型SVPWM方法并未要求三相之間有協調的開關動作，它僅要求每一相上橋臂導通時間分別為就可滿足上述新型SVPWM原理，所以每一相的控制有較大的自由度。

1.2 新型SVPWM的仿真

根據前面介紹的新方法，利用Simulink仿真工具，建立新型SVPWM的仿真模型，如圖1所示。從圖中可以看出，仿真模型并不復雜，且進行的都是一些很簡單的計算，從而大大的縮減了處理器運行時間，提高了運行效率。

2 系統實現

2.1 系統硬件結構

系統硬件設計總體結構上采用DSP+IPM的模式，包括控制電路、功率主回路、信號檢測及保護電路等，如圖2所示。系統圍繞DSP芯片搭建外圍電路后構成圖中所示控制板，整流橋、濾波電容、逆變器等構成系統的功率驅動電路，控制板與強電的功率驅動電路之間進行了光電隔離。整個系統包含電流環和速度環兩部份。通過檢測電路的霍爾電流傳感器和光電編碼器得到電機的電流和速度反饋信息，由DSP實現控制算法并輸出SVPWM信號驅動IPM逆變器，實現PMSM旋轉，使縫紉機進行縫紉工作。同時，DSP控制板與上位機通信，實時控制與顯示。

系統使用TI公司TMS320F2812作為核心處理芯片，該芯片具備32位定點處理單元。PMSM參數為：額定功率400 W，額定電壓 300 V，50 Hz，額定轉速 4 000 r/min，極對數為 4，額定轉矩為12 N·m。光電耦合部分采用了高速光耦合器6N137。功率驅動電路主要由整流和逆變兩部分組成。在整流部分，采用的是三相橋式整流模塊，逆變是用三菱公司的IPM PS21563模塊來實現。位置傳感器采用的是增量式光電編碼器。DSP控制板提供SCI串口通信接口與上位機通信，由SCIRXD引腳得到上位機傳來的數據，SCITXD引腳發送數據給上位機。

圖1 新型SVPWM的仿真模型Fig.1 Simulation model of new SVPWM

圖2 系統硬件圖Fig.2 Chart of hardware system

2.2 控制器軟件結構

系統軟件編程是在TMS320F2812系列DSP上實現，采用C語言和匯編語言混合編寫。TMS320F2812主要負責對控制電路各環節的工作進行協調、保護和監督，需要參與大量的處理及計算工作，其實現的主程序流程圖如圖3（a）所示。

系統初始化主要包括DSP系統初始化、電機和控制器參數設置、變量初始化、PWM初始化、事件管理器初始化和定時器初始化等部分。控制模塊由中斷處理模塊和各程序模塊組成，各程序模塊又由多個子程序模塊組成，包括電流采樣、轉子位置和轉速的求取、速度和電流的PI調節器、坐標變換、新型SVPWM模型等。系統的采樣頻率為10 kHz，當系統采集到電機三相定子電流中的兩相電流值后，首先經過Clark變換得兩相靜止坐標系下的電流值，然后把電流值進行Park變換，得到當前一拍在兩相轉子旋轉坐標系（即d-q軸）下的電流值。與此同時光電編碼器測量得到電機轉子位置和速度信息。將測量得到的轉速與給定轉速進行比較，經過比例積分（PI）調節，得到q軸參考電流。然后將q軸的實際電流與參考電流進行比較，同時采取d軸電流參考值固定為0的控制方式，通過PI調節器運算得到電機兩相轉子同步旋轉坐標系下的電壓量。根據轉子位置信息進行Park逆變換，得到電機兩相靜止坐標系下的電壓量，再通過新型SVPWM算法計算出三相橋臂的導通時間。最后經過三相逆變器驅動單元的驅動，電機就按給定的轉速進行運轉。

圖3（b）是新型SVPWM算法實現流程圖。由流程圖可以看出，相對于傳統SVPWM算法，新型SVPWM算法無需進行給定電壓矢量所在扇區N計算，且在計算過程中無需按照N進行表格查詢，計算量減小，耗時少。

3 仿真及結果分析

文中使用MATLAB/Simulink工具箱對工業縫紉機控制系統進行仿真。實驗模型中用的 PMSM參數具體為Rs=0.958 5 Ω，Ld=0.005 25 H，Lq=0.005 25 H，ψf=0.182 7 Wb，J=0.000 632 9 kg·m2，pn=4。實驗模擬實際運行過程中遇到突發事件，負載轉矩增加時的工況，仿真時間為0.25 s。系統給定轉速為700 r/min，仿真結果如圖4、圖5所示。

0 s時電機處于靜止狀態，給電機一個初始負載轉矩1 N·m，在0.1 s時負載轉矩突加到3 N·m。由圖4可知，負載突變時，電磁轉矩響應迅速，能準確穩定在給定值。因為算法遞推在估算轉速時需要一定時間，由圖5可知，電機起動時轉速雖有一定誤差，但經過約0.03 s就穩定在給定轉速，響應速度較快。在0.1 s突加負載時，實際轉速有波動，隨后快速達到穩定，動態性能較好，滿足系統要求。

圖3 程序流程圖Fig.3 Chart of program flow

圖4 電機轉矩曲線Fig.4 Electrical machine torque curve

圖5 電機轉速曲線Fig.5 Electrical machine speed curve

4 結束語

文中詳細介紹了新型SVPWM算法和MATLAB/Simulink中的新型SVPWM模型，建立了基于矢量控制的仿真模型。仿真結果表明：電機電磁轉矩的響應時間很快，動態性能較好，轉速也能在很短時間內達到穩定，滿足系統性能的要求。同時通過介紹系統軟硬件的設計方案，實現了基于永磁同步電機改進型矢量控制的工業縫紉機驅動系統的設計。

[1]陳伯時.電力拖動自動控制系統—運動控制系[M].3版.北京：機械工業出版社，2003.

[2]姜淑忠，祁賁.工業縫紉機永磁同步伺服電動機系統[J].微電機，2004，37（4）:50-51.JIANG Shu-zhong，QI Ben.PM synchronous servo motor systemof industrial sewing[J].Machines Micromotors，2004，37（4）:50-51.

[3]袁登科，徐國卿，張舟云，等.一種新型空間電壓矢量脈寬調制方法[J].同濟大學學報，2008，36（12）:1702-1706.YUAN Deng-ke，XU Guo-qing，ZHANG Zhou-yun， et al.Research on a novel space vector width modulation method for voltage-source inverter[J].Journal of Tongji University，2008.36（12）:1702-1706.

[4]陳榮.永磁同步電機控制系統[M].1版.北京：中國水利水電出版社，2009.

[5]郎寶華，劉衛國，周熙煒，等.空間矢量脈寬調制的仿真研究及應用[J].電機與控制應用，2007，34（8）:6-9 LANG Bao-hua，LIU Wei-guo，ZHOU Xi-wei， et al.Research of simulation and application on space vector pulse width modulation[J].Electric Machines&Control Application，2007，34（8）:6-9.

[6]魏克新，王云亮.MATLAB語言與自動控制系統設計[M].北京：機械工業出版社，2001.