工業(yè)縫紉機(jī)系統(tǒng)的仿真與試驗(yàn)
張巒國(guó)1，楊喜軍1，雷淮剛2
(1．上海交通大學(xué)，上海200240；2上海儒競(jìng)電子有限公司，上海200072)
摘要：在介紹逆變器一工業(yè)縫紉機(jī)伺服系統(tǒng)的組成結(jié)構(gòu)和功能工藝的基礎(chǔ)上，主要分析了PMSM矢量控制的調(diào)速原理，新型的共模電壓最小的SVPWM調(diào)制算法。并將上述兩個(gè)部分作用在整個(gè)新型工業(yè)縫紉機(jī)交流伺服系統(tǒng)中，利用MATLAB／SIMULINK軟件對(duì)該系統(tǒng)給予了全面的仿真分析，所得的仿真結(jié)果與理論分析結(jié)果一致。并利用DSP TMS320F2801作為工業(yè)縫紉機(jī)伺服系統(tǒng)的控制芯片進(jìn)行了試驗(yàn)研究，所得的試驗(yàn)結(jié)果驗(yàn)證了設(shè)計(jì)方案的有效性。
關(guān)鍵詞：工業(yè)縫紉機(jī)；伺服系統(tǒng)；矢量控制；永磁同步電動(dòng)機(jī)；仿真分析
中圖分類號(hào)：TND41 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1004—7018(2008)04—0022—03
0引言
隨著服裝行業(yè)的發(fā)展，服裝的制作工藝日趨復(fù)雜，制作效率要求越來(lái)越高。而傳統(tǒng)的工業(yè)縫紉機(jī)一般采用滑差調(diào)速的單相感應(yīng)電動(dòng)機(jī)作為驅(qū)動(dòng)部件，系統(tǒng)存在著效率低、體積大、調(diào)速范圍窄和位置控制精度低等缺點(diǎn)，已不能滿足日益發(fā)展的需要。永磁同步電動(dòng)機(jī)(以下簡(jiǎn)稱PMSM)伺服控制系統(tǒng)憑借其能夠克服上述缺點(diǎn)的優(yōu)勢(shì)在工業(yè)縫紉機(jī)中正得以廣泛應(yīng)用。本文在介紹逆變器一工業(yè)縫紉機(jī)伺服系統(tǒng)的組成和功能工藝的基礎(chǔ)上，分析了PMSM矢量控制的調(diào)速原理，共模電壓最小的SVPWM調(diào)制算法，并在MATLAB／sIMuuNK環(huán)境下對(duì)整個(gè)系統(tǒng)給予了全面的仿真分析。最后，利用TMS320F2801作為工業(yè)縫紉機(jī)伺服系統(tǒng)的控制芯片進(jìn)行了試驗(yàn)研究。
1工業(yè)縫紉機(jī)系統(tǒng)的構(gòu)成
工業(yè)縫紉機(jī)交流伺服系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)如圖1所示。
其中，220 V交流電源、整流橋、濾波電容、制動(dòng)電路、逆變器和PMSM構(gòu)成系統(tǒng)的功率電路；電流檢測(cè)、速度位置檢測(cè)和DSP控制器構(gòu)成控制回路，顯示與鍵盤和各種功能電磁閥構(gòu)成外圍電路。交流220 V電壓經(jīng)過(guò)整流濾波后得到穩(wěn)定的直流電源供給逆變器，逆變器在SVPWM調(diào)制下產(chǎn)生三相PWM電壓供給PMSM，PMSM驅(qū)動(dòng)工業(yè)縫紉機(jī)的機(jī)頭進(jìn)行縫紉工作。控制電路中，電動(dòng)機(jī)的y相、Ⅳ相電流信號(hào)經(jīng)霍爾電流傳感器檢測(cè)后進(jìn)人DSP的A／D口，由DSP完成電流的閉環(huán)控制。用于檢測(cè)電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)子位置的編碼器采用復(fù)合式的光電編碼器，它是一種帶有簡(jiǎn)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(hào)U、V、W，用于檢測(cè)轉(zhuǎn)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(hào)。該信號(hào)進(jìn)入DSP，DSP根據(jù)檢測(cè)到的A脈沖或B脈沖計(jì)算得到零脈沖z信號(hào)，實(shí)現(xiàn)電動(dòng)機(jī)的速度和位置閉環(huán)。縫紉機(jī)工作時(shí)，腳踏板調(diào)速器給定PMSM一個(gè)轉(zhuǎn)速信號(hào)，機(jī)頭定位器給定PMSM運(yùn)行的轉(zhuǎn)數(shù)，并配合各個(gè)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(duì)于轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)為凸極式的PMSM，在假設(shè)磁路不飽和、忽略磨擦、磁滯和渦流損耗影響，空間磁場(chǎng)成正弦分布的條件下，得到永磁同步電動(dòng)機(jī)在abc靜止坐標(biāo)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(wèn)的互感，p為微分算子  為電動(dòng)機(jī)角速度，K e為電壓常數(shù)，θ為轉(zhuǎn)子位置角，即轉(zhuǎn)子與a相軸線的夾角。 式(1)經(jīng)αβ、dq坐標(biāo)變換可得dq旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系下的電壓方程為：
式中：p為電動(dòng)機(jī)極對(duì)數(shù)，對(duì)于凸裝式的轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)，Ld=Lq，可以得到線性方程：
上式表明，PMSM產(chǎn)生的電磁轉(zhuǎn)矩與其交軸電流成正比，和直流電動(dòng)機(jī)的數(shù)學(xué)模型完全一樣。
3共模電壓最小的SVPWM調(diào)制算法
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