滑模變結構在工業縫紉機伺服控制系統中的應用*

鄧正萬，高寧宇

（1.南通桑普力蘭電器實業有限公司，江蘇南通 226000；2.南通大學電氣工程學院，江蘇南通 226019）

0 引言

隨著對縫制衣服的質量和速度的不斷追求，工業縫紉機所用電機經歷了摩擦式、渦流式、混合步進式電機和交流伺服電機[1]，其中，無刷直流電動機（BLDCM）具有體積小、重量輕、維護方便、高效節能以及易于控制等一系列優點而被廣泛運用于各類高性能、高速工業縫紉機中。工業縫紉機BLDCM伺服控制系統，常采用PI調節器作為轉速調節器，它具有結構簡單，可靠性和穩態精度等優點，但是工業縫紉機BLDCM伺服控制系統是一個滯后、時變、非線性的系統，采用傳統的PI調節器，對系統參數攝動的魯棒性不強及抗負載擾動能力不強等[2-4]。

由于滑模變結構控制具有完全自適應性和魯棒性，以及優良的控制性能和易于實現的特點，加上微處理器的計算能力不斷提高和儲存能力的擴大，也為這些相對復雜的先進控制算法的實現提供了有利條件，本文將滑模變結構控制理論引入到工業縫紉機BLDCM伺服控制系統，轉速調節器采用滑模變結構控制來替代傳統的PI控制，以期達到優化控制的目的。

1 工業縫紉機伺服控制系統

圖1是工業縫紉機伺服控制系統的硬件結構圖。它包括主電路、驅動電路、主控電路、電磁鐵驅動電路、腳踏板控制電路、信號采集與故障綜合電路、操作面板等部分[5]。

其中主控電路是整個工業縫紉機伺服控制系統的核心部分，采用RENESAS MCU R5F71374作為主控芯片，通過檢測BLDCM的轉子位置和腳踏信號，產生6路PWM信號，來控制BLDCM的旋轉與停止，實現縫紉機定針位與縫制工作；驅動電磁鐵，完成縫紉機的前后加固、剪線、撥線、抬壓腳等動作。

圖1 工業縫紉機伺服系統的硬件結構圖

2 無刷直流電動機滑模變結構控制器的設計

本系統采用Y接三相BLDCM，三相全橋逆變電路，兩兩導通方式。圖2為無刷直流電動機控制系統。系統采用轉速、電流雙閉環控制系統。在電流環中，電流調節器采用傳統的PI控制就能達到滿意的控制效果。在轉速環中，為了提高系統的動態響應和改善調速性能，轉速調節器采用滑模變結構控制器替代傳統的PI調節器。

圖2 無刷直流電動機控制系統結構圖

滑模變結構控制最大優點是其滑動模態對系統的干擾和攝動具有很好的自適應性，其高速切換特性對于電機負載變化和繞組換相引起的電流波動也均有較好的抑制功能[6]。本文選擇指數趨近律來設計滑模變結構控制器。

2.1 滑模控制律推導

忽略粘性摩擦，BLDCM的運動方程為：

其中，T為電磁轉矩，TL為負載轉矩，J為轉動慣量，J＞0，ω是轉子機械角速度。

轉化為狀態方程表示為：

滑模變結構控制系統的運行狀態是通過對切換函數S符號的判別，不斷地切換控制量來改變系統結構，以使系統狀態變量運動到事先設計好的空間切換面S上，然后系統沿切換面運動。故定義切換函數：

其中，ω*是轉子機械角速度的給定值，ω是轉子機械角速度的反饋值。

選滑模變結構控制律為指數趨近率控制：

其中，ε、k為待定系數。

2.2 滑動模態存在的條件

由式（2）有：

設ω*不變，則：

2.3 滑模控制穩定性分析

取Lyapunov函數為：

并對時間求導，得：

式 中 ， ε1＞TL， ε2＞TL， K1＞0 ，K2＞0 ，則： V?(t)＜0 。所以整個控制系統是Ly?apunov意義下漸進穩定，確保系統滑模的存在性和可達性，說明系統能實現滑模運動。

3 仿真和實驗

3.1 仿真

無刷直流電動機主要參數如下：額定相電壓UN=220 V，額定轉速nN=3 000 r/min，相電阻Rs=2.875 Ω，相電感Ls=8.5 mH，轉動慣量J=0.000 8 kg·m2。轉速調節器分別采用PI控制和滑模變結構控制，對工業縫紉機BLDCM伺服控制系統進行仿真。圖3為在0.1 s，負載轉矩由1.05 N·m增加至2 N·m時，滑模變結構控制與傳統的PI控制的轉速仿真波形，可以看出采用滑模變結構控制的轉速波形超調小，起動時間短，并且能有效抵抗負載擾動的影響。圖4為在滑模變結構控制下，BLDCM起動制動時轉速響應曲線，在0.1 s時發出制動指令，可以看到在高速穩定運行的BLDCM能實現快速制動，轉速響應快，跟隨性好。

從仿真波形說明運用滑模變結構控制策略極大改善了工業縫紉機BLDCM伺服系統的動靜態運行性能。

3.2 實驗

圖4 起動制動時轉速響應仿真曲線

本文所設計的工業縫紉機伺服控制系統采用RENESAS MCU R5F71374作為主控芯片，主要完成功能電磁鐵模塊、電機調速模塊、縫紉模式模塊等任務。實驗過程中，先把滑模變結構算法的調速程序燒進控制板，利用光電式旋轉編碼器以M/T法測速，將測量計算到的轉速存儲在主控芯片的指定寄存器中，然后用MatLab的畫圖程序繪制轉速波形，實測轉速波形如圖5所示。從測試波形可以得出結論，該縫紉機控制系統可以在140 ms內實現從3 000 r/min轉速到停車狀態的轉換，系統的快速動態性能得到了保證，滿足工業縫紉機伺服控制系統對快速性的要求。

4 結論

本文研究分析了工業縫紉機BLDCM伺服控制系統，并在轉速環節引入滑模變結構控制策略。仿真和實驗結果表明：將滑模變結構控制理論引入轉速調節器，可以得到較好的調速特性和動態響應性能。證明對于滯后、非線性、變參數的轉速控制系統而言，滑模變結構控制效果優于傳統PI控制。

［1］中國紡織服裝機械網.工業縫紉機用電機應用現狀 與 發 展 方 向 ［EB/OL］.http://www.fzfzjx.com.2012-02-13.

［2］李國強，李輝，吳瀛喆.基于工業縫紉機的PMSM控制系統設計［J］.電力電子技術，2012（11）：93-94.

［3］徐展鵬，孫云云，劉涵，等.基于神經網絡算法的工縫機節能電動機控制系統的設計［J］.紡織學報，2011（12）：128-133.

［4］朱勇，馮開平.無刷直流電機無位置傳感器控制系統仿真研究［J］.機電工程技術，2013（7）：19-23.

［5］阮毅，陳伯時.電力拖動自動控制系統：第4版［M］.北京：機械工業出版社，2010.

［6］夏長亮.無刷直流電機控制系統：第1版［M］.北京：科學出版社，2009.