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�？刂齐娐分校妱訖C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αβ、dq坐標變換可得dq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，Ld=Lq，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
典型的三相逆變器一電動機電路如圖2所示。電動機的共模電壓又叫零序電壓，是指電機定子繞組中心點和地之間的電壓。共模電壓主要會對電機絕緣造成損害，同時還會產生高頻漏電流對電機軸承造成“電蝕”，從而損壞軸承。另一方面，電動機變頻運行時，由于功率器件的開關導致電動機繞組的共模電壓急劇變化，即dv/dt相當高，導致EMI噪聲，對電動機的運行有害。因此，降低共模電壓是十分必要的。
根據電動機的電壓和電流方程可以得出電動機的共模電壓表達式[5-6]：
式中：van為電動機的共模電壓，vbn、vcn、van分別為逆變器輸出的a、6、c三相電壓。不同開關狀態下相電壓和共模電壓的幅值如表1所示。
由表l可知，在零矢量作用時，共模電壓的幅值為  ,在非零矢量作用時，共模電壓的幅值為  如果采用不含零矢量的SVPWM調制算法實現矢量控制，則能夠降低電動機的共模電壓，改善電動機的運行狀況。 以第1扇區為例說明共模電壓最小的SVPWM調制算法。如圖3所示，Vref為需要合成的空間電壓矢量。在傳統的sVPwM調制算法中，有：
式中：T為PwM開關周期，T1為V1作用時間，T2為V2作用時間，T0為零矢量V0或V7作用時間。為了
降低共模電壓，采用不含零矢量的SVPWM調制算法。有兩種方法可以實現：
(1)在T0的時間里，與兩個有效矢量V 1、V 2方向相反的兩個矢量V 4、V 5分別作用  ,同時V 1、V 2延長  ,這樣所合成的電壓空間矢量仍然等于兩有效矢量的合成。但是，由于相反矢量V 1和V 4、V 2和V 5轉換時需要三個功率開關同時動作，增加了開關損耗。因此本文不采用這種方法，而采用第二種方法。 (2)在T0的時間里，采用與兩個有效矢量相鄰的兩個空間電壓矢量V3、V6分別作用T0/2的時間進行合成.則式(6)變為:
式中：V3、V6大小相等、方向相反，作用時間相等，所以它們合成的空間電壓矢量為零�？臻g電壓矢量作用順序如圖3所示。其他扇區SVPWM算法類似。圖3中，空間電壓矢量的作用順序為V3—V2—V1-V6-V6—V1一V2—V3。與傳統的SVPWM調制算法一樣，開關組合改變時只有一個功率管動作，保證了切換過程中開關損耗最小。同時，該SVPWM算法由于沒有零矢量作用，因此電動機的共模電壓小于傳統SVPWM調制算法時的共模電壓值。
4工業縫紉機系統的仿真和試驗
4．1工業縫紉機系統的仿真
根據上述分析，在MATLAB／SIMULINK環境下建立了工業縫紉機交流伺服系統的仿真模型。PMSM的參數為：額定輸入電壓：Ac220 V；額定電流：3.5 A；****連續功率：550 w；額定轉速：5 000 r／min；連續額定轉矩：1．1 N·m；極數：4；定子線圈電阻：1．6 Ω／相；轉子轉動慣量：O．071×10-3kg·m2；d(qV7)軸自感：2．356 55 mH；勵磁磁通：0．073 Wb。逆變器開關頻率為5 kHz，負載轉矩為l N·m。
共模電壓最小的sVPWM調制算法的仿真結果如圖4所示。圖4a和4b分別為含有零矢量V7和為不含零矢量的SVPWM調制時2個開關周期內的共模電壓波形。從圖中可以看出，含有零矢量K的SVPWM調制時的共模電壓幅值為  矢量的SVPWM調制時的共模電壓幅值為  降低了電動機的共模電壓，與理論分析相一致。 工業縫紉機系統伺服性能的仿真波形如圖5所示。通過鍵盤給定縫紉針數為10，即PMSM轉子旋轉10周，給定位置θr=10×2πxp=125．6 rad(p為電機的極對數，這里取2)，同時腳踏板給定PMSM轉速為800 rad／s。由圖5a、5b可見，PMSM迅速起動后速度穩定運行在給定值，當檢測到位置角度達到給定值的百分之90左右時開始減速，電動機減速至零時位置達到給定值，實現了精確定位。
4．2工業縫紉機系統的試驗
我們以TI公司生產的數字信號處理器TMS320F2801作為控制芯片，常州市圣博電器有限公司生產的永磁同步電動機(型號為80SWYl02)作為工業縫紉機的驅動單元，利用L818F系列的高速單針自動剪線平縫機進行了試驗研究。PMSM的參數與上述仿真模型中PMSM的參數相同。工業縫紉機在自由縫時PMSM線電流和共模電壓有效值的波形如圖6所示，電流有效值為2．47 A，共模電壓有效值約為50 V。
5結語
在分析PMSM矢量控制的調速原理和共模電壓最小的SVPWM調制算法基礎上，利用MATLAB／SIMULINK建立了工業縫紉機交流伺服系統的仿真模型，并利用TMS320F2801作為控制芯片進行了試驗研究。仿真和試驗結果與理論分析相一致，為進一步設計工業縫紉機交流伺服系統，改善系統的電磁兼容性打下了基礎。
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