基于DSPIC的工業(yè)控制系統(tǒng)的設(shè)計

摘要：介紹了一套基于直流無刷電機(jī)的工業(yè)縫紉機(jī)控制系統(tǒng)的設(shè)計與實現(xiàn)，該系統(tǒng)特點是以霍爾信號的位置和電機(jī)的速度進(jìn)行估算，并在此基礎(chǔ)上實現(xiàn)對直流無刷電機(jī)的方波控制給出了控制系統(tǒng)硬件和軟件的實現(xiàn)方法。實驗結(jié)果表明：該系統(tǒng)的生產(chǎn)成本比較低，也能夠滿足工業(yè)縫紉機(jī)的調(diào)速范圍大、動態(tài)性能好等技術(shù)指標(biāo)。
關(guān)鍵詞：工業(yè)縫紉機(jī)；直流無刷電機(jī)；數(shù)字信號控制器

    近年來，我國服裝工業(yè)迅猛發(fā)展，對工業(yè)縫紉機(jī)的性能也就提出了越來越高的要求。以直流無刷電機(jī)為動力單元的工業(yè)縫紉機(jī)正在占領(lǐng)原始縫紉機(jī)市場。直流無刷電機(jī)相比離合器電機(jī)具有體積小、動態(tài)性能好、控制方便等優(yōu)點。新一代的工業(yè)縫紉機(jī)控制系統(tǒng)大部分帶有光電碼盤作為位置反饋來計算電機(jī)的位置和速度，此系統(tǒng)的優(yōu)點是能準(zhǔn)確得到電機(jī)當(dāng)前位置，缺點是成本較高。
    本文以直流無刷電機(jī)為控制對象，提出了一種無需光電碼盤，而以霍爾信號為反饋的高性能低成本的工業(yè)縫紉機(jī)控制系統(tǒng)的方案。

1 系統(tǒng)的硬件設(shè)計
1．1 系統(tǒng)的性能指標(biāo)
    工業(yè)縫紉機(jī)大部分功能的實現(xiàn)最終都需依靠伺服電機(jī)控制系統(tǒng)完成，所以伺服系統(tǒng)的性能好壞是影響控制器性能的關(guān)鍵。其主要的性能指標(biāo)要求如下：
    (1)起停迅速。因為起停時間涉及劍服裝加工的生產(chǎn)效率，所以縫紉機(jī)操作人員對設(shè)備起停時間要求較高，啟停時間在200 ms和120 ms以內(nèi)。
    (2)定位精確。縫制過程結(jié)束后需要自動上下停針，要求機(jī)針定位精確，這影響到是否能順利切線和撥線等操作，一般要求定位精度控制在±5°以內(nèi)。
    (3)起停非常頻繁，一天需要工作16個小時以上，而且工作環(huán)境灰塵非常大，對控制器硬件電路的可靠性有很高的要求。
    (4)調(diào)速范圍寬和速度精度高。實現(xiàn)無級變速，調(diào)速范圍200～5 000 r／min，速度控制精度<±5 r／min。
1．2 硬件方案設(shè)計
    鑒于工業(yè)縫紉機(jī)伺服系統(tǒng)的性能指標(biāo)，硬件控制單元采用Microchip公司新推出的主要針對電機(jī)控制的16位DSC控制芯片DSP IC33F。它具有一個16位CPU和一個DSP內(nèi)核，除常見外設(shè)外，該芯片有一個6通道的電機(jī)專用MCPWM控制器。此裝置大大簡化了產(chǎn)生脈寬調(diào)制(PWM)波形的控制軟件和外部硬件，通過編程可產(chǎn)生互補(bǔ)的三相6路PWM波形?？赏ㄟ^編程設(shè)置死區(qū)時間防止同一橋臂上2個功率管發(fā)生直通造成短路。芯片內(nèi)既有快速DSP運(yùn)算引擎，又有PIC單片機(jī)的接口驅(qū)動能力，最高可以運(yùn)行至40 M IPS。芯片還為三相電機(jī)驅(qū)動控制設(shè)汁了8路PWM驅(qū)動、正交編碼器接口和12位ADC等專用功能單元。功率電路采用智能功率模塊IRAMS10UP60B為主體電路，針對工業(yè)縫紉機(jī)控制功能單一、管腳需求少和直流無刷電機(jī)驅(qū)動實時性強(qiáng)、運(yùn)算復(fù)雜的特點，采用上述型號的DSC芯片可以構(gòu)建一款簡捷的驅(qū)動控制系統(tǒng)，該系統(tǒng)所需接口少，所用輔助線路少。因此可以有效的降低成本。整個硬件系統(tǒng)的原理框圖如圖1所示：

    如圖1所示，交流220 V電壓經(jīng)過整流濾波之后為IPM模塊提供直流電源。DSP根據(jù)捕獲的霍爾位置信號確定轉(zhuǎn)子的當(dāng)前位置并計算電機(jī)的轉(zhuǎn)速。輸出的PWM經(jīng)過智能功率模塊IRAMS10UP60開啟相應(yīng)的MOS管，逆變產(chǎn)生三相電壓供給無刷直流電動。電機(jī)驅(qū)動工業(yè)縫紉機(jī)的機(jī)頭進(jìn)行工作。調(diào)節(jié)調(diào)速盒可以改變電機(jī)轉(zhuǎn)速。其中IPM模塊自身帶有檢測過溫過流的電路，如檢測到過溫過流，立刻封鎖PWM波形，并且把故障信號送到DSP進(jìn)行處理。
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2 控制策略和系統(tǒng)軟件設(shè)計
2．1 電機(jī)運(yùn)行的控制策略
    PWM控制是直流無刷電機(jī)矢量控制系統(tǒng)的控制核心，任何控制箅法的最終實現(xiàn)幾乎都是以各種PWM控制方式完成的。本系統(tǒng)中我們采用的是方波控制，該控制方式是以三相對稱正弦波電壓供電時對稱電動機(jī)定子的理想磁鏈圓為基準(zhǔn)，由三相逆變器不同的開關(guān)模式產(chǎn)生的實際磁鏈?zhǔn)噶咳ケ平鶞?zhǔn)磁鏈圓，以達(dá)到高性能的控制，同時可以較好地改善電源電壓。利用效率由于該控制方法把逆變器和電機(jī)作為一個整體來考慮，因而模型構(gòu)造相對簡單，便于數(shù)字化實現(xiàn)。
    如圖2所示是一種典型的三相電壓源逆變器的結(jié)構(gòu)，逆變橋電路的電壓輸出分別由6個開關(guān)信號所控制。當(dāng)逆變橋上半部分的一個功率晶體管開通時，其下半部分對應(yīng)的功率晶體管關(guān)斷。T1、T3、T5三個功率晶體管的開關(guān)狀態(tài)決定了逆變器輸出的相應(yīng)電壓的大小。

    圖2中，霍爾傳感器在電動機(jī)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動一周的過程中輸出6種狀態(tài)。具體如表1所示。

    每個狀態(tài)持續(xù)π／3電角度，這樣就在空間上分成6個區(qū)間，與之相對應(yīng)轉(zhuǎn)子在相應(yīng)的區(qū)間轉(zhuǎn)動，每個周期里，每個功率管導(dǎo)通π／3電角度。定子繞組每周期正、反導(dǎo)通各：π／3電角度，正、反電流間隔：π／3電角度。任一時刻定子有兩相繞組通電并產(chǎn)生定子磁動勢，隨著轉(zhuǎn)子位置信號的變化，定子合成磁動勢以π／3為步長，步進(jìn)式地旋轉(zhuǎn)，轉(zhuǎn)子磁場在定子磁動勢的作用下與之同步旋轉(zhuǎn)。
2．2 系統(tǒng)軟件總體設(shè)計
    軟件設(shè)計直接影響系統(tǒng)的整體性能。根據(jù)DSP控制系統(tǒng)的開發(fā)流程，采用自頂而下的沒計方法依次主要包括以下幾個模塊：
    (1)系統(tǒng)初始化模塊。
    (2)主程序是個循環(huán)等待中斷的過程，一旦有中斷發(fā)生，則轉(zhuǎn)去執(zhí)行相應(yīng)的中斷服務(wù)程序。
    (3)電機(jī)調(diào)速模塊：根據(jù)用戶設(shè)置及腳踏板的控制信號，結(jié)合改進(jìn)的積分分離PI算法調(diào)節(jié)電機(jī)轉(zhuǎn)速。
    (4)故障處理程序：故障監(jiān)視程序是保護(hù)系統(tǒng)安全工作比較重要的一環(huán)，一旦故障發(fā)生，立刻封鎖PWM的輸出，啟動智能功率模塊的保護(hù)。[!--empirenews.page--]

3 實驗結(jié)果與分析
    以上述的系統(tǒng)設(shè)計和控制策略，我們對電路板進(jìn)行實測，測試條件是直流母線電壓為380 V，PWM的頻率為10 kHz、死區(qū)時間為2μs，互補(bǔ)工作模式，由于PWM為中心對齊模式，所以死區(qū)時間會插在有效占空比的兩端。圖3為PWM波形。硬件的測試平臺詳圖略。由此我們可以看出整套系統(tǒng)的可行性和穩(wěn)定性。圖4為電機(jī)的反電動勢的波形。

4 結(jié)束語
    本文對工業(yè)縫紉機(jī)控制系統(tǒng)進(jìn)行了設(shè)計和分析，表明系統(tǒng)具有較好的控制效果，各項性能指標(biāo)都滿足設(shè)計要求。由于不再使用光電編碼器或霍爾傳感器作為反饋元件，降低了整個系統(tǒng)的成本，同時提高了可靠性，具有較高性價比。該設(shè)計不但適用于工業(yè)縫紉機(jī)，也適用于其他的伺服控制系統(tǒng)中。