工業縫紉機系統的仿真與試驗

    張巒國¹，楊喜軍¹，雷淮剛²

(1．上海交通大學，上海200240；2上海儒競電子有限公司，上海200072)

    摘要：在介紹逆變器一工業縫紉機伺服系統的組成結構和功能工藝的基礎上，主要分析了PMSM矢量控制的調速原理，新型的共模電壓最小的SVPWM調制算法。并將上述兩個部分作用在整個新型工業縫紉機交流伺服系統中，利用MATLAB／SIMULINK軟件對該系統給予了全面的仿真分析，所得的仿真結果與理論分析結果一致。并利用DSP TMS320F2801作為工業縫紉機伺服系統的控制芯片進行了試驗研究，所得的試驗結果驗證了設計方案的有效性。

    關鍵詞：工業縫紉機；伺服系統；矢量控制；永磁同步電動機；仿真分析

    中圖分類號：TND41    文獻標識碼：A  文章編號：1004—7018(2008)04—0022—03

0引言

    隨著服裝行業的發展，服裝的制作工藝日趨復雜，制作效率要求越來越高。而傳統的工業縫紉機一般采用滑差調速的單相感應電動機作為驅動部件，系統存在著效率低、體積大、調速范圍窄和位置控制精度低等缺點，已不能滿足日益發展的需要。永磁同步電動機(以下簡稱PMSM)伺服控制系統憑借其能夠克服上述缺點的優勢在工業縫紉機中正得以廣泛應用。本文在介紹逆變器一工業縫紉機伺服系統的組成和功能工藝的基礎上，分析了PMSM矢量控制的調速原理，共模電壓最小的SVPWM調制算法，并在MATLAB／sIMuuNK環境下對整個系統給予了全面的仿真分析。最后，利用TMS320F2801作為工業縫紉機伺服系統的控制芯片進行了試驗研究。

1工業縫紉機系統的構成

    工業縫紉機交流伺服系統的結構如圖1所示。

其中，220 V交流電源、整流橋、濾波電容、制動電路、逆變器和PMSM構成系統的功率電路；電流檢測、速度位置檢測和DSP控制器構成控制回路，顯示與鍵盤和各種功能電磁閥構成外圍電路。交流220 V電壓經過整流濾波后得到穩定的直流電源供給逆變器，逆變器在SVPWM調制下產生三相PWM電壓供給PMSM，PMSM驅動工業縫紉機的機頭進行縫紉工作�？刂齐娐分�，電動機的y相、Ⅳ相電流信號經霍爾電流傳感器檢測后進人DSP的A／D口，由DSP完成電流的閉環控制。用于檢測電動機轉速和轉子位置的編碼器采用復合式的光電編碼器，它是一種帶有簡單磁極定位功能的增量式光電編碼器，它輸出兩組信息：一組是三路彼此相差120。且占空比為O．5的三路脈沖信號U、V、W，用于檢測轉子磁極位置，帶有****信息功能；另一組與增量式光電編碼器相同，輸出正交方波脈沖A、B信號。該信號進入DSP，DSP根據檢測到的A脈沖或B脈沖計算得到零脈沖z信號，實現電動機的速度和位置閉環�？p紉機工作時，腳踏板調速器給定PMSM一個轉速信號，機頭定位器給定PMSM運行的轉數，并配合各個功能電磁閥，完成定針縫、自由縫、口袋縫等縫紉工藝。

2 PMSM矢量控制原理

    對于轉子結構為凸極式的PMSM，在假設磁路不飽和、忽略磨擦、磁滯和渦流損耗影響，空間磁場成正弦分布的條件下，得到永磁同步電動機在abc靜止坐標系下的電壓方程^[3-4]:

式中：U_a、U_b、U_c為三相定子繞組的電壓，i_a、i_b、i_c。為三相定子繞組的電流，R為每相定子繞組的電阻，Ld=Lq=L為交軸和直軸電感，LM為繞組問的互感，p為微分算子為電動機角速度，K_e為電壓常數，θ為轉子位置角，即轉子與a相軸線的夾角。

    式(1)經α_β、d_q坐標變換可得d_q旋轉坐標系下的電壓方程為：

式中：p為電動機極對數，對于凸裝式的轉子結構，L_d=L_q，可以得到線性方程：

上式表明，PMSM產生的電磁轉矩與其交軸電流成正比，和直流電動機的數學模型完全一樣。

3共模電壓最小的SVPWM調制算法