基于DSPIC的工業(yè)控制系統(tǒng)的設計

摘要：介紹了一套基于直流無刷電機的工業(yè)縫紉機控制系統(tǒng)的設計與實現(xiàn)，該系統(tǒng)特點是以霍爾信號的位置和電機的速度進行估算，并在此基礎上實現(xiàn)對直流無刷電機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)縫紉機的調(diào)速范圍大、動態(tài)性能好等技術指標。
關鍵詞：工業(yè)縫紉機；直流無刷電機；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)縫紉機的性能也就提出了越來越高的要求。以直流無刷電機為動力單元的工業(yè)縫紉機正在占領原始縫紉機市場。直流無刷電機相比離合器電機具有體積小、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的位置和速度，此系統(tǒng)的優(yōu)點是能準確得到電機當前位置，缺點是成本較高。
    本文以直流無刷電機為控制對象，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)縫紉機控制系統(tǒng)的方案。

1 系統(tǒng)的硬件設計
1．1 系統(tǒng)的性能指標
    工業(yè)縫紉機大部分功能的實現(xiàn)最終都需依靠伺服電機控制系統(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鍵。其主要的性能指標要求如下：
    (1)起停迅速。因為起停時間涉及劍服裝加工的生產(chǎn)效率，所以縫紉機操作人員對設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?？p制過程結束后需要自動上下停針，要求機針定位精確，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 硬件方案設計
    鑒于工業(yè)縫紉機伺服系統(tǒng)的性能指標，硬件控制單元采用Microchip公司新推出的主要針對電機控制的16位DSC控制芯片DSP IC33F。它具有一個16位CPU和一個DSP內(nèi)核，除常見外設外，該芯片有一個6通道的電機專用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)生互補的三相6路PWM波形。可通過編程設置死區(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運算引擎，又有PIC單片機的接口驅(qū)動能力，最高可以運行至40 M IPS。芯片還為三相電機驅(qū)動控制設汁了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)縫紉機控制功能單一、管腳需求少和直流無刷電機驅(qū)動實時性強、運算復雜的特點，采用上述型號的DSC芯片可以構建一款簡捷的驅(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子的當前位置并計算電機的轉速。輸出的PWM經(jīng)過智能功率模塊IRAMS10UP60開啟相應的MOS管，逆變產(chǎn)生三相電壓供給無刷直流電動。電機驅(qū)動工業(yè)縫紉機的機頭進行工作。調(diào)節(jié)調(diào)速盒可以改變電機轉速。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進行處理。
[!--empirenews.page--]
2 控制策略和系統(tǒng)軟件設計
2．1 電機運行的控制策略
    PWM控制是直流無刷電機矢量控制系統(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定子的理想磁鏈圓為基準，由三相逆變器不同的開關模式產(chǎn)生的實際磁鏈矢量去逼近基準磁鏈圓，以達到高性能的控制，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作為一個整體來考慮，因而模型構造相對簡單，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構，逆變橋電路的電壓輸出分別由6個開關信號所控制。當逆變橋上半部分的一個功率晶體管開通時，其下半部分對應的功率晶體管關斷。T1、T3、T5三個功率晶體管的開關狀態(tài)決定了逆變器輸出的相應電壓的大小。

    圖2中，霍爾傳感器在電動機轉子轉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，與之相對應轉子在相應的區(qū)間轉動，每個周期里，每個功率管導通π／3電角度。定子繞組每周期正、反導通各：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，隨著轉子位置信號的變化，定子合成磁動勢以π／3為步長，步進式地旋轉，轉子磁場在定子磁動勢的作用下與之同步旋轉。
2．2 系統(tǒng)軟件總體設計
    軟件設計直接影響系統(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，則轉去執(zhí)行相應的中斷服務程序。
    (3)電機調(diào)速模塊：根據(jù)用戶設置及腳踏板的控制信號，結合改進的積分分離PI算法調(diào)節(jié)電機轉速。
    (4)故障處理程序：故障監(jiān)視程序是保護系統(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。[!--empirenews.page--]

3 實驗結果與分析
    以上述的系統(tǒng)設計和控制策略，我們對電路板進行實測，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為電機的反電動勢的波形。

4 結束語
    本文對工業(yè)縫紉機控制系統(tǒng)進行了設計和分析，表明系統(tǒng)具有較好的控制效果，各項性能指標都滿足設計要求。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。該設計不但適用于工業(yè)縫紉機，也適用于其他的伺服控制系統(tǒng)中。