0 引言
近年來，由于服裝加工業(yè)的迅速發(fā)展，加工企業(yè)對工業(yè)縫紉機的需求量不斷增加，并且對其性能也提出了越來越高的要求。永磁無刷電機是隨著電機控制技術(shù)、電力電子技術(shù)和微電子技術(shù)的發(fā)展而出現(xiàn)的一種新型電機，其最大特點是以電子換向線路替代了由換向器和電刷組成的機械式換向結(jié)構(gòu)，克服了電刷和換向器所帶來的一系列缺點，如噪聲，電磁干擾，換向火花，電磁磨損和可靠性差等，它既具有直流電機調(diào)速方便的優(yōu)點，又具有交流電機結(jié)構(gòu)簡單，運行可靠，維護方便等一系列優(yōu)點。另外，進入20世紀90年代以后，控制技術(shù)尤其是控制理論發(fā)展十分迅猛，而借助于先進的計算機技術(shù)這一強有力的物質(zhì)基礎(chǔ)，使得人們得以不斷嘗試著將一些先進的控制策略、方法引入永磁無刷電動機控制器，從而
推動著永磁無刷電動機朝著高智能化、柔性化、全數(shù)字化方向發(fā)展，使工業(yè)縫紉機從傳統(tǒng)的機械類產(chǎn)品向機電一體化產(chǎn)品發(fā)展。由數(shù)字信號處理器控制的永磁電機位置伺服控制系統(tǒng)有精度高，效率高，參數(shù)調(diào)整方便，可靠性高等優(yōu)點，成為這一領(lǐng)域的研發(fā)熱點。
1 永磁無刷電機的組成和工作原理
直流無刷電動機的結(jié)構(gòu)原理如圖1 所示。所謂直流無刷電動機，就其基本結(jié)構(gòu)而言，可以認為是一臺電子開關(guān)線路，永磁式同步電動機以及位置傳感器三者組成的“電動機系統(tǒng)”。電動機本體在結(jié)構(gòu)上和永磁同步電動機相似，但沒有籠型繞組和其他啟動裝置。其定子繞組一般制成多相，轉(zhuǎn)子由永久磁鋼按一定對數(shù)組成。圖1中的電動機本體為三相兩極。
三相定子繞組分別與電子開關(guān)線路中相應的功率開關(guān)器件連接。當定子繞組的某一相通電時，該電流與轉(zhuǎn)子永久磁鋼的磁極所產(chǎn)生的磁場相互作用而產(chǎn)生轉(zhuǎn)矩，驅(qū)動轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)，再由位置傳感器將轉(zhuǎn)子磁鋼位置變換成電信號，去控制電子開關(guān)線路，從而使定子各相繞組按一定順序?qū)?，定子相電流隨轉(zhuǎn)子位置的變化而按一定的次序換相，因而起到了機械換向器的換向作用。

永磁無刷直流電動機的輸入電流可以是方波和正弦波。對于方波無刷直流電動機，只需要簡單的轉(zhuǎn)子位置信息，使用霍爾元件就可以滿足控制要求，控制簡單，但是轉(zhuǎn)矩有一定脈動。而對于正弦波無刷直流電動機，則需要較為精細的位置信息，其位置傳感器通常較復雜，輸出轉(zhuǎn)矩平穩(wěn)無脈動。
本文所設(shè)計的位置伺服系統(tǒng)采用正弦波無刷直流電機。正弦波永磁無刷電動機在設(shè)計過程中使電動機的電勢特性為正弦，相當于傳統(tǒng)的永磁同步電動機，只要電動機的電流與轉(zhuǎn)子位置角成正弦關(guān)系，且三相對稱，使電動機的電樞反應磁勢軸線和電動機轉(zhuǎn)子磁極的軸線相差90毅，就可以產(chǎn)生電磁轉(zhuǎn)矩拖動轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)。
改變電機三相輸入電壓的大小就可以實現(xiàn)電機轉(zhuǎn)速的調(diào)節(jié)。
2 位置伺服系統(tǒng)控制框圖
縫紉機位置伺服控制系統(tǒng)是一個多變量，非線性，強耦合，大滯后的系統(tǒng)，要求系統(tǒng)具有很強的快速性與穩(wěn)定性，啟動快，停車迅速。
采用速度、電流雙閉環(huán)控制以滿足位置伺服控制系統(tǒng)的高精度要求，方框圖如圖2所示。一般情況下，速度控制器采用PID控制，它的輸出為電流指令（直流量）。速度控制器的作用主要是為了能進行穩(wěn)定的速度控制，以便其在定位時不產(chǎn)生振蕩。當然，在伺服系統(tǒng)中，為了進行位置控制，要求速度環(huán)能有快速響應速度指令的能力，并對各種擾動具有良好的抑制作用。電流控制器作為速度環(huán)的內(nèi)環(huán)，它在入口綜合電流指令信號和反饋信號，使電樞繞組中的電流在幅值和相位上都得到有效控制，完成與磁通矢量的正交或弱磁高速控制，電流控制器通常也采用PI 控制，要求它具有更高的快速性，以適應對電流瞬時值跟蹤控制的要求。

3 位置伺服系統(tǒng)的硬件組成
采用永磁電機的數(shù)字位置伺服控制系統(tǒng)由電源模塊，功率模塊，控制模塊和電機本體構(gòu)成。其中，電源模塊將220 V交流電壓經(jīng)過整流橋轉(zhuǎn)換成可用的直流電壓，功率模塊采用三菱公司的智能功率模塊DIP-IPM，控制模塊以三菱公司M16C系列高檔單片機（M30624FGP）為核心?？傮w框架如圖3所示。
3.1 智能功率模塊DIP-IPM
三菱電機推出的第四代智能電源模塊DIP-IPM（Dual-in-line package Inbbbligent Power Modules），是針對家電和小型變頻器應用對功率器件的要求（低成本、小型化、高可靠性、易使用等），在IPM成功的基礎(chǔ)上而開發(fā)的，內(nèi)置三相交流輸出的IGBT逆變電路；只需一個+15V的驅(qū)動電源；具有欠電壓保護和短路保護；采用雙列直插封裝；不采用任何光耦直接與單片機或其他PWM輸出端口耦合，從而省略至少6套隔離電路。1/4開關(guān)頻率可達到15 kHz。
3.2 三菱M16C系列單片機
系統(tǒng)的核心———三菱M16C 族單片機是一種16位高檔單片機，它融合了基于寄存器型和基于存儲器型兩種結(jié)構(gòu)的優(yōu)點，從而能夠?qū)崿F(xiàn)類似RISC的高速處理性能。M16C 具有超低功耗、極強的抗干擾能力，片內(nèi)集成了10 位A轅D 轉(zhuǎn)換器、DMA控制器、異步通信通道、定時器等豐富的周邊功能電路模塊，總共100個引腳。這種單片機使用高效率的復雜指令，具有l(wèi) MB 的線性地址空間，能高速地執(zhí)行指令。還內(nèi)置有乘法器和DMAC，使其更適合于各種高速數(shù)據(jù)處理的應用。
3.3 電流和位置傳感器
霍爾電流傳感器將永磁無刷電機的三相電流中的兩相采集轉(zhuǎn)換成一定范圍之內(nèi)的電壓信號，并經(jīng)過電壓箝位電路將正負范圍內(nèi)變化的電壓信號平移成大于零的電壓信號，從而提供給單片機處理范圍之內(nèi)的信號。位置傳感器的輸出信號經(jīng)過信號調(diào)理電路產(chǎn)生兩路相位相差90毅的脈沖，輸入單片機，從而實現(xiàn)位置和速度的計算。單片機根據(jù)控制策略進行內(nèi)部計算，輸出電機三相電壓的驅(qū)動信號，從而驅(qū)動電機運轉(zhuǎn)，實現(xiàn)電機的啟動，調(diào)速和定位控制。
4 位置伺服系統(tǒng)的軟件設(shè)計
M16C 的計數(shù)器對位置傳感器的輸出脈沖進行加減計數(shù)，通過計算得到電機的速度。A/D轉(zhuǎn)換口將電流傳感器輸出的模擬信號轉(zhuǎn)換為可用的數(shù)字信號。速度PI調(diào)節(jié)器和電流PI調(diào)節(jié)器以及制動定位的控制均由單片機中斷完成，且M16C 具有三相馬達控制模式，電流PI 調(diào)節(jié)器的輸出轉(zhuǎn)換為三相PWM脈沖信號。主程序的流程圖如圖4所示。

4.1 轉(zhuǎn)子初始位置的檢測
當控制系統(tǒng)剛剛通電，電機尚未運行時，系統(tǒng)即開始測量轉(zhuǎn)子的初始位置。在此過程中只允許轉(zhuǎn)子有微小的抖動，并且很快回歸原位。系統(tǒng)只有位置環(huán)和電流環(huán)處于工作狀態(tài)，速度環(huán)處于開環(huán)狀態(tài)。具體分析過程可由圖5簡要說明。

開始時，轉(zhuǎn)子磁勢為Fr方向與轉(zhuǎn)子位置相同，首先給電機通以三相對稱的正弦電流，得到一個任意位置的定子合成磁勢Fx（開始時Fx為零），保持Fx幅值不變，逐漸增加Fx與初始位置的夾角酌，使酌從0增加到360毅，若電機轉(zhuǎn)子不發(fā)生轉(zhuǎn)動則增加Fx的幅值，即增加相電流的幅值，酌再次從0開始增加，如此循環(huán)。一定大小的定子合成磁勢，與轉(zhuǎn)子磁勢相差90毅時產(chǎn)生的電磁轉(zhuǎn)矩最大，因此當Fx的幅值增加到某一個臨界值Ft時，只要Fx與轉(zhuǎn)子磁勢相差90毅，電機轉(zhuǎn)子就會發(fā)生轉(zhuǎn)動。一旦檢測到轉(zhuǎn)子發(fā)生微小的轉(zhuǎn)動，立刻將相電流降為零，轉(zhuǎn)子就不會繼續(xù)轉(zhuǎn)動。這樣就實現(xiàn)了電機轉(zhuǎn)子初始位置的檢測。本系統(tǒng)中的永磁無刷電機采用的位置傳感器一周期內(nèi)產(chǎn)生的脈沖個數(shù)為400個，即代表0到400的位置信號。那么增加定子合成磁勢的角度酌，只要增加測試位置信號的大小即可。
4.2 PID調(diào)節(jié)器和電流預估
速度和電流調(diào)節(jié)器的設(shè)計，直接影響到電機運行的效果。工業(yè)縫紉機系統(tǒng)是一個非線性復雜系統(tǒng)，因此本文在傳統(tǒng)PID 調(diào)節(jié)的基礎(chǔ)上結(jié)合了模糊控制，根據(jù)電機運行狀態(tài)實時調(diào)整PID參數(shù)，從而使電機運行更為理想。
為了消除電流反饋時由于系統(tǒng)處理時間產(chǎn)生的滯后，系統(tǒng)采用了電流的預估，預估時間正好抵消滯后環(huán)節(jié)的影響。根據(jù)泰勒定理，得到電流預估公式為

根據(jù)式（1）即可由當前載波周期和前兩個載波周期的電流值預估出下一個載波周期的電流值。
5 實驗結(jié)果
根據(jù)以上原理，設(shè)計位置伺服控制系統(tǒng)的硬件電路以及軟件編程，電機空載時轉(zhuǎn)速可達4 500 r/min。電機帶縫紉機負載時運行穩(wěn)定，定位準確。圖6是電機轉(zhuǎn)速為4 000 r/min時W相的電流波形。
6 結(jié)語
本文采用的永磁電機數(shù)字位置伺服控制系統(tǒng)充分利用了永磁電機的優(yōu)點和三菱M16C系列單片機的資源，實現(xiàn)了PID 調(diào)節(jié)，PWM算法和定位控制程序，使工業(yè)縫紉機的控制更為簡單可靠。

作者簡介：

    胡垚（1984-），女，碩士研究生，就讀于中山大學物理學與工程技術(shù)學院電力電子與電力傳動專業(yè)，主要研究方向為電機控制技術(shù)。

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