縫紉機用無刷直流電動機及其控制系統的研制
周賢韜 徐 衛 朱世益 麻志德(蕪湖電機廠241000)
摘 要 介紹了工業縫紉機用永磁無刷直流電動機及其自動控制系統的研制及特點，重點分析了產品的電磁設計和控制系統設計。
敘 詞 永磁電機無刷直流電動機縫紉機控制系統設計
1 引 言
隨著經濟的發展，適應高檔服裝生產的高速工業縫紉機用永磁無刷直流電動機及其三自動控制系統開始大量進入我國市場。這種產品功能齊全、性能優越，深受服裝工業界的歡迎。為追蹤國際先進水平，提高產品在國際市場的競爭能力，國內一些高校和大型企業相繼開展這類產品的研制工作。我廠同合肥工業大學合作研制出SF-13 - 550型永磁無刷直流工縫電動機及其控制系統，其產品的主要技術指標及優點為：功率550w，額定轉速3 600～4 000r／min，調速比1 t 100，正反轉，快速起動和制動(lOOms)，定位精度高，過載能力大，噪聲、振動低。同時具有實現工業縫紉機的自動切線、自動返縫、自動挑線的三自動控制功能。
2 電磁設計
稀土永磁無刷直流電機是由同步電動機、電子逆變電路和位置傳感器組成。
2.1基本工作原理
稀土永磁無刷直流電機的基本工作原理是借助于反映轉子位置的傳感器信號，遁過驅動電路，驅動逆變電路的功率開關元件，使電樞繞組依一定順序饋電，從而在氣隙中產生步進旋轉磁場，拖動永磁轉子旋轉。隨著轉子的轉動，位置傳感器不斷輸出信號，從而改變電樞繞組的通電狀態，實現能量轉換。
2.2設計方法
設計稀土永磁無刷直流電動機和普通直流電動機有所不同，首先是根據給定的技術經濟指標，選擇合理的電樞繞組和電子換向電路的組合方式，以及與之相適應的轉子位置傳感器形式，然后才能合理進行電動機的磁路和電路的設計。
這里考慮了兩種情況，一是氣隙磁場為正弦分布；二是氣隙磁場為方波形式。結合所選擇的電子線路形式，按照直流電機的分析方法，推導出稀土永磁無刷直流電動機的理想空載轉速，平均電磁轉矩，平均電樞電流；通過磁路及電路計算求出電機的所有指標及工作特性。設計框圖如圖1所示。
2-3氣隙磁場及轉矩平穩性研究
作為伺服電機，保持轉矩和低速運行時轉速的平穩是很重要的。由于采用電子換向，電機繞組的供電狀態是開關型的，其波形為方波或階梯波。形成的電樞磁場呈步進磁場，負載時的氣隙磁場由轉子永磁體磁場和步進電樞磁場合成。由于電樞磁場的步進性，使其氣隙磁場波動，進而影響電磁轉矩的平穩性。所以步進磁場對無刷直流電動機轉矩平穩性是至關重要的。為了提高電機控制系統的極限調速比，減小永磁電機的靜態定位轉矩是一個重要因素。為了減小定位轉矩，除采用斜槽外，槽口應由2. 5mm減小到Imm，這樣定位轉矩可減百分之5左右。相對而言，增大氣隙是一條主要措施，當然這要受到磁體用量與工藝諸因素的影響，應統籌考慮。
2.4隸磁體工作的可靠性
工業縫紉機工作狀態實質上是使電機處于頻繁起、制動。對起、制動過程，均有起、制動轉矩。該轉矩的大小在短時間可能達到6倍左右的額定轉矩。勢必產生很大的起、制動電流。這樣大的電流，對永磁體產生的去磁影響必須引起注意。特別在電機運行在負載溫升時，隨著工作溫度的升高，這種去磁作用就越大。若對永磁體的厚度選取不當，這種去磁反應還將影響到永磁體的回復線。在設計工業縫紉機用永磁電機時，永磁體的設計必須考慮二點：第一是電機****工作溫度，第二是起、制動時的電樞反應去磁作用。
3 永磁無刷直流電動機的速度調節系統
3.1 永磁無刷直流電動機的速度調節系統數學模型
永磁無刷直流電動機按上述設計，其內電勢為1200平頂的梯形波，若它與功率逆變電路匹配，通過適當的供電方式，可以獲得轉矩脈動最小的工作狀態。按理論分析，以三相6拍二相通電方式工作，且取，．角為00，可獲得****的平均轉矩。
功率開關器件除導通瞬間過程較為復雜外，在導通后，實際上電機的狀態可以用公式U= E+/d/／dt+/R描述，而在開關器件斷開后，如果存在續流回路，則可以用公式E=d/／dt。電路中選用IGBT模塊作功率開關器件，開關時間在1s左右，對于永磁無刷直流電動機動態過程，忽略開關動作時間，仍可用V=E+/d/／dt+/R描述其通電狀態下的的動態過程，那么無刷直流電機在其模型上將近似普通直流電動機。
永磁無刷直流電動機的模型描述如下：
3.2等效時間常數的確定
在直流電機控制中，常用兩個時間常數的概念，繞組時間常數丁。和機電時間常數T。
繞組時間常數可以利用通電時繞組電上升沿時間決定，其表示為
機電時間常數按電勢系數Ca、轉矩系數Cm及電機的轉動慣量求取
3.3永磁無刷直流電機的調速系統
該系統用于工業縫紉機三自動控制系統，對系統的快速性要求頗高，且運行平穩。為了實現快速的加、減速度控制，必須通過系統的控制參數選取及結構設計消除或削弱時間常數的影響。
系統選擇了帶轉速、電流反饋的雙閉環控制系統。電流內環的設計以典型I型系統****調節器參數確定，這樣基本上消除繞組時間常數的影響，并且等效電流環變成小時間常數的慣性環節，系統的帶寬得到拓寬，電流也不會超調很多。只要阻尼系數選擇合適，系統響應快而超調小。
由于反饋速度脈沖直接引到單片計算機803 1的計數器輸入端，通過計算機對實際速度信號的測量，修正速度給定，從而進一步提高了速度控制精度。無論是電流調節器或速度調節器的輸出均加限幅處理。速度控制系統框圖如圖2所示。
3.4位置、速度、電流信號的檢測
3.4.1位置傳感器
永磁元刷直流電機繞組相間的功率開關器件切換嚴格取決于電機轉子位置的實際測量，作為永磁無刷直流電動機不可缺少的轉子位置檢測器，在電機速度控制系統中起到非常重要的作用。
位置反饋是通過霍爾元件無接觸式傳感器實現的�；魻栐䲠蹬c相數相同，空間角度安排可按1200或600電角度兩種方式。轉子帶動遮片轉動時，將會使三個霍爾元件發出三組互為相差1200電角度，占空比1:1的方波脈沖，該信號用來控制導通繞組對應的開關功率器件。
霍爾位置傳感器不怕污染，無接觸，具有較高的可靠性。
3·4·2速度傳感器及信號轉換
速度傳感器采用每轉發出500個脈沖信號的圓光柵編碼器，這樣，電機低速運行有足夠的脈沖信號輸出，經F/V轉換，輸出一個較穩定的電平信號。在速度采樣階段，由于電機轉速的瞬時變化，脈沖傳感器輸出的脈沖信號寬度會不一樣，在F/V轉換時，必須將速度脈沖信號轉換成等寬脈沖，采用電路如圖3所示。
3·4.3電流反饋與檢測
對于電流檢測元件，電路中選用高精度、快速的萊姆電流傳感器，它的電流響應時間1tis，測量精度百分之1，屬于無接觸測量。其優點是能隔離主電路與控制電路在線路上的聯系，從而減少主電路對控制電路的干擾。
3.4.4脈寬調速專用芯片MC33034P120
MC33034是美國摩托羅拉公司生產的無刷直流電機調速的專用芯片，芯片內部設有轉子位置譯碼器，電機位置傳感器信號可直接接到芯片的三個輸入端SA、SB.SC，通過內部譯碼器控制上、下橋臂輸出的開通或關斷。當有一個非法的信號輸入時，故障輸出端（14腳）動作并且使得驅動輸出信號封鎖，將故障信號送到計算機8031進行處理。正／反轉輸入端（3腳）用來改變電機定子繞組電壓方向，實現電機的的換向，使得對電機換向的實現變得十分容易。
芯片采用脈寬調制控制提供一個在換向序列期間對每個定子繞組變化平均電壓來控制電機轉速。內部有一個振蕩器，振蕩頻率可用RrCr進行設定，為了防止噪聲和減少損耗，系統的頻率一般選擇在12kHz左右。
3·4.5功率模塊的驅動電路
采用分立式驅動電路雖然經濟實用，但要達到較好的性能不易，特別是由于IGBT內寄生晶體管寄生電容的存在，門極驅動與損壞時脈寬的關系等原因，使得驅動電路設計復雜化，因此，選擇日本富士公司IGBT專用驅動電路EXB840(見圖4)。該芯片內部設有快速混合型lC，****開關頻率40kHz，其內部設有光電隔離電路、過流檢測電路，以及低速過流自動切斷功能，EXB840輸出通過 一個電阻可直接接到IGBT柵極。
3·4.6功率變換部分
采用目前國內外先進的第三代電力電子器件絕緣柵極雙極晶體管模塊IGBT作為電機驅動模塊，IGBT是一種兼有功率MOS-FET高輸入阻抗、高速特性和雙極達林頓晶體管大電流密度特性的開關器件。其優點是輸入阻抗高，開關速度高，開關損耗低，開關速度為s級。
4 工業縫紉機三自動控制系統
高檔工業縫紉機控制系統有不同的預先設置縫紉模式，所謂工業縫紉機三自動指自動返縫、自動割線和自動挑線。三自動功能是通過電磁閥通斷加以控制的，同時電磁閥的吸合動作又必須與針位置同步，為了實現針位同步，設計了一個針位傳感器來控制，針位傳感器有三個輸出信號，上針位、下針位、切線電磁閥同步信號，這三個信號送到計算機8031，實現三自動控制。
系統針位的定位控制采用了快速隨動系統的開關控制方式，由于系統采用的是單極性PWM調速方式，負載有較大的慣性，同時電機和工業縫紉機之間是采用皮帶傳動的，非線性環節較多，采用開關控制方式可簡化系統控制。
4.1 單片計算機的組成
采用MCS一51系列單片計算機8031作為核心部分，74Ls373、ERROM6264組成最小微機系統，通過擴展二片74Ls244作為輸入輸出接口，選甩DAC0832進行D/A轉換。
針數和模式設定（16種縫紉模式）由一個專用另外放置的模式盒進行數據輸入，按鍵或撥碼開關的數據由模式盒內的移位寄存器74Ls164變成并行數據送到計算機處理。
4.2 系統控制軟件框圖
主程序框圖如圖5所示，模式子程序框圖如圖6所示。
該軟件的設計有如下特點：
(1)模塊化進行軟件設計，有上電自診斷功能。
(2)軟件對信號量采用數字濾波技術。
(3)軟件設置“陷井”，以提高系統抗干擾能力，保證系統的可靠性。
5結語
永磁無刷直流工縫電動機及其三自動控制系統的樣機已通過了安徽省科委組織的省級鑒定。SF-13- 550稀土永磁無刷直流電機及三自動控制系統完成了工業縫紉機的第三代改造。解決了稀土永磁無刷直流電機設計和應用中的關鍵難點，位置傳感、驅動邏輯轉換、功率器件保護以及減小靜態定位轉矩等多項技術，完成了工業縫紉機微機三自動（自動返縫、自動割線、自動挑線）控制，提高了稀土永磁無刷直流電機應用水平。它的研制成功對高檔三自動工業縫紉機系統的國產化帶來了生機，增強了進軍國際市場的實力。
周賢韜： 男，1965年出生，工程師，主要從事永磁電機及其控制系統的研究。
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