基于無刷直流電機的高精度工業縫紉機控制系統
陳 勇，屈穩太，劉學文(浙江大學電氣工程學院，杭州3100127)
摘要：該文設計了一種基于無刷直流電機的高精度工業縫紉機控制系統。系統在控制策略上采用改進型的積分分離式PID來提高系統的能量利用率和控制效果；同時提出了一種新型的定位停車方法，此法充分利用光電編碼器z脈沖的特性，克服了以往需要另加位置傳感器的局限性，并對定位過程進行了修正，使得定位更加精確。最后給出的仿真結果和實驗樣機結果，說明該系統啟動快、運行穩定、調速性能優良、定位準確、關鍵詞：無刷直流電機；積分分離式PID；工業縫紉機；定位停車
0 引 言
近年來隨著新型永磁材料和電力電子器件的不斷進步，無刷直流電機(BLDcM)得到了快速的發展，由于它擁有精巧的結構和優良的調速性能，因此被廣泛地應用于伺服控制系統，特別是近年來無刷直流電機越來越多的進入了縫紉機制造業。但是，從目前國內縫紉機廠家生產來看，由于技術上的原因，高精度的縫紉機控制器仍然依賴進口。本文根據國內現狀，從提高性能、減小成本、降低實現難度的角度出發，提出了一種不需要專門定位傳感器而能夠進行準確定位的控制策略，在速度環節并采用一種新型積分分離式PID算法，基于此而設計了一種無刷直流電機的平縫機控制器。
1無刷直流電機控制系統結構
本文所設計的BLDcM控制系統結構如圖1所示。系統中BLDcM采用三相Y型接法，三相橋式逆變器工作在120。三相六狀態導通方式，通過連續調節PwM占空比來實現電機的調壓調速。系統采用帶速度環和電流環的雙閉環控制，電流環采用傳統的PID控制，基本能夠滿足控制要求；速度環則由傳統的PI調節器替換為一種改進型積分分離PID算法控制，并且在定位算法的配合下，系統能夠進行實時地速度跟蹤和定位停車．
2控制策略
在控制策略方面，本文就系統的電機運行特性陸線和應用特點，作出了兩方面的改進：其一是采用改進型的積分分離式PID算法來提高電機的能量利用率和控制效果。其二是設計了一種新型的定位停車算法，減少了設計成本，且定位精度很高。
雖說增量式PID相對于位置式PID帶來了不少好處，例如，計算只輸出增量，對誤動作是影響小；算式也不需要累加，大大減少了累加誤差。但是它電有不足之處：積分截斷效應大，有穩態誤差，溢出影響大。
介于以上兩種算法的缺點，本文采用了一種改進型的積分分離PID控制算法。
對于伺服系統來說，僅僅采用PID控制算法，將會浪費較大能量且控制效果不一定很好。所以結合無刷直流電機的啟動和調速特性曲線，本文采用一種折中的曲線——梯形控制曲線，如圖2所示。
從圖中可以看出，在啟動、加速階段可以進行開環控制，使電機軟啟動，以恒定加速度加速。當到達預設定值時，就進入了穩定的調速階段，本階段可以采取積分分離PID算法進行穩態調速。
改進型積分分離算法具體分析如下：
這種方法結合了電機的調速特性，發揮了軟件的易修改性特點，在實際應用中大大減少了電機能量的消耗和噪音，還提高了系統的穩定性和精確性。
圖3為常規PID和改進型積分分離PID分別對系統作用的仿真波形：從圖中可以看出，無論是響應時間還是穩定精度，后者明顯優于前者。
2．2 系統停車定位控制策略
為了實現無刷直流電機在指定的位置停車，即縫紉機系統中所指的上針位或下針位，一般都是在電機的定子上同步安裝一個反射式光電傳感器，反射鋁箔安裝在電機轉子帶動的轉盤對應的上針位角位置。此方法雖說可靠簡單，但是增加了產品的成本。本文所采取的定位方案是充分利用測速光電編碼器每轉輸出一個z脈沖的特性來進行定位。它僅對處理器內部資源要求有兩個定時計數器，以處理器LPc2103為例，這里用到了它的計數器T1主要是用來對AB正交脈沖計數，T1是用來在必要時刻獲取z脈沖。具體做法是：當驅動系統獲取L位機的停車指令時，系統馬上降速至一個穩定低速。在低速狀態下開通Tl對編碼器的z脈沖進行計數，其可計數值為1。一旦出現z脈沖，T1馬上溢出并開通TO對AB正交脈沖進行計數。當To計數溢出時，LPc2103馬上封鎖PwM脈沖，這樣電機以在指定位置自由停車。這個方案主要涉及到兩個問題：一是先應該確定好從z脈沖點到停車位之間的A／B正交脈沖個數。根據編碼器的特性，它在電機一個機械周期內的脈沖數恒定，由于z脈沖出現的位置和停車位置相對于電機來說都是同定的，所以它們之間的正交脈沖值也就同定了，此值必須經過多次實際測量：二是在停車之前先必須降速。當電機降至某一穩定低速時，電機的慣性比較確定，這樣就不會因為電機在不同高速運行狀態下的瞬時停車而導致越過定位點的程度差異：降速停車還有一個優點就是可以對該低速狀態下停車產生的誤差進行修正，此修正值可以通過多次試驗得到，修正值即理想定位點與實際定位點之間的脈沖數，這樣使得停車更精確。
假設電機運行在低速n(r／mm)下，令z脈沖位置和停車位置之間的4／口正交脈沖數為Ⅳ1，若將皿設定為M時，則它會越過定位點／、2個脈沖數才停下，見圖4(a)。若將Ⅵ作為修正債，則口r設置皿計數值應為Ⅳ=Ⅳ1一妲，也就是說_lY計數Ⅳ個脈沖后封鎖PwM自由停車，這樣加質性作用F的妣，于是實際停車位恰好是定位點，修正后的電機狀態見圖4(b)。
 3仿真與實驗結果 3．1仿真分析
在確定了控制方案和定位停車策略之后，先用M以ah對該系統的進行了仿真。仿真用永磁無刷直流電機參數如下：電機極對數p=4，額定電壓為U1=220 V，額定轉速為n=3000r／min相電阻R2=2 875 n，相電感為L：=8 5 mH，轉動慣量為J=O．0008 kg。m。．用于縫紉機的電機控制系統的控制目標主要是調速性能和定位停車。從圖6可以看出，在設定的0 5 s仿真時間內，系統的效果很好。電機先從O r／，n-n很快上升到額定轉速3000r／mim并且能夠穩定運行。在0．3 s處給定轉速跳變為零，即J二位機停車指令，系統馬上降至低速500 r／min。電機在此低速狀態運行0．08 s，這時開始啟動z脈沖計數。一旦出現z脈沖，系統馬上對編碼器AB正交脈沖計數：此處本應設定計數值為12才能到達定位點，然而由于電機在此速度慣性作用下停止會過定位點2個脈沖，所以此時只能夠將計數器可計數值修正為10。一旦達到10，馬上施加定位停午控制信號，那么加上慣性作用的2個脈沖正好停止在定位點．
3。2樣機試驗
實驗樣機采用IPc2103作為主控cPu。。圖7給出系統實驗樣機相電壓波形，電機在該控制器的驅動下可以穩定可靠的正常運行，并且成功地驗證了本文所提定位停止方案的可行性。
4.結語
本文設計了一種基于無刷直流電機的高精度縫紉機控制系統，并對速度環節的PID進行了改進，提高了系統的綜合性能和控制精度，并且配合使用本文所提的定位停車控制方式，使得系統能夠實現智能化，剎車定位準確。
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