引言

    根據(jù)工業(yè)縫紉機的性能，提出了一套以DSP為的永磁同步電機控制系統(tǒng)設(shè)計方案。詳述了其關(guān)鍵部分的功能與實現(xiàn)方法，設(shè)計了電路原理圖，完成了系統(tǒng)軟、硬件設(shè)計和系統(tǒng)的安裝；并對樣機系統(tǒng)的各項性能進行了測試。很好地實現(xiàn)了系統(tǒng)的調(diào)速范圍寬、定位高的要求，增強了產(chǎn)品的市場競爭力。

　　傳統(tǒng)的工業(yè)縫紉機，主軸驅(qū)動大多采用離合器電機，縫制過程中的動作都靠機械和人工配合完成，存在效率低、體積大、調(diào)速范圍窄、位置控制難、自動化程度低。另一方面，傳統(tǒng)的工業(yè)縫紉機，由于主軸驅(qū)動靠離合器電機，通電后不管機器是否正處于縫制狀態(tài)，電機都一直在高速運轉(zhuǎn)耗電，不能實現(xiàn)有縫制動作時機器運轉(zhuǎn)，沒有縫制動作時機器停止，從而造成了大量電能浪費。

　　近年來德國杜克普，日本重機，日本兄弟等國外公司，相繼推出了縫紉機電腦控制系統(tǒng)，實現(xiàn)了縫制動作的自動化，大大提高了工作效率，降低了能耗，深受市場歡迎，但其價格一直居高不下，國內(nèi)一般企業(yè)很難承受。為此開發(fā)低能耗、高可靠性，能實現(xiàn)較寬的調(diào)速范圍、快速的位置控制并且價格低廉的高速工業(yè)縫紉機控制系統(tǒng)，替代進口，將會具有很好的市場前景。

　　系統(tǒng)設(shè)計

　　系統(tǒng)設(shè)計完成的是整體電控縫紉機的總體技術(shù)方案，它是完成電控縫紉機設(shè)計的關(guān)鍵的一個步驟，該電控系統(tǒng)主要包括控制器、驅(qū)動器、電機、編碼器、傳感器、電磁鐵等幾個部分，系統(tǒng)框圖如圖1所示。

　　控制器

　　圖1的控制器作為工業(yè)縫紉機控制系統(tǒng)的，一方面產(chǎn)生伺服電機驅(qū)動信號，送給驅(qū)動器控制縫紉機完成定針位，并完成各種不同線跡的控制功能，另一方面產(chǎn)生開關(guān)信號給功率開關(guān)電路，完成縫紉機的剪線、撥線、前后加固、抬壓腳等動作?？刂破鞯膭幼餍枰姍C編碼器信號、機頭同步信號、腳踏板加減信號、電機電流傳感器信號等信號的參與運算，以協(xié)調(diào)整個機器完成相應(yīng)動作。該控制器的硬件電路如圖2所示。

　　該控制器的主體采用TMS320F2406 DSP(U4)進行程序編程，以實現(xiàn)對永磁同步電機實行磁場定向控制。對永磁同步電機實行磁場定向控制的原理框圖如圖3。

　　通過電流傳感器測量逆變器輸出的定子電流iA、iB，經(jīng)過DSP的A/D轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換成數(shù)字量，并利用iC=-(iA+ iB)計算出iC。通過Clarde變換將電流iA、iB、iC變換成旋轉(zhuǎn)坐標系中的直流分量isq、isd，isq、isd作為電流環(huán)的負反饋量。

　　利用增量式編碼器測量電動機的機械轉(zhuǎn)角位移qm，并將其轉(zhuǎn)換成電角度qe和轉(zhuǎn)速n。電角度qe用于參與Park變換和逆變換的計算。轉(zhuǎn)速n作為速度環(huán)的負反饋量。

　　給定轉(zhuǎn)速nref與轉(zhuǎn)速反饋量n的偏差經(jīng)過速度PI調(diào)節(jié)器，其輸出作為用于轉(zhuǎn)矩控制的電流q軸參考分量isqref。isqref和isdref(等于零)與電流反饋量isq、isd的偏差經(jīng)過電流PI調(diào)節(jié)器，分別輸出dq旋轉(zhuǎn)坐標系的相電壓分量Vsqref和Vsdref。Vsqref和Vsdref再通過park逆變換轉(zhuǎn)換成a b直角坐標系的定子相電壓矢量的分量Vsaref和Vsbref。

　　當定子相電壓矢量的分量Vsaref、Vsbref和其所在的扇區(qū)數(shù)已知時，就可以利用電壓空間矢量SVPWM技術(shù)，產(chǎn)生PMW控制信號來控制逆變器。

   　驅(qū)動器

　　驅(qū)動器是系統(tǒng)的功率變換部分，是驅(qū)動電機運轉(zhuǎn)的關(guān)鍵部分，該部份包括整流、逆變、前置驅(qū)動、SVPWM驅(qū)動輸出、電流檢測及多種保護功能。硬件電路如圖4所示。

　　電流環(huán)的運算需要DSP對電機相電流的檢測 ，該系統(tǒng)設(shè)計只需要采集兩相的電流(圖3中iA，iB)，根據(jù)電流定理就可以知道第三相的電流了。本系統(tǒng)所采用電流傳感器為LEM(萊姆)公司的LTS6-NP，如圖4中U2，U3，其為霍爾型電流傳感器。

　　圖4中的IR2136(U1)是IR公司的高壓IGBT驅(qū)動器，它接受來自DSP的6路PWM信號，處理后驅(qū)動圖4中6只IGBT(Q1-Q6)，產(chǎn)生SVPWM信號，控制永磁同步電機的運轉(zhuǎn)，以達到理想的伺服控制性能。

　  編碼器

　　永磁同步電機控制離不開編碼器，DSP只有通過對編碼器A、B信號及U、V、W信號的檢測計算，才能完成電機仍至整個系統(tǒng)的控制。另一方面，我們只有自己設(shè)計并制作編碼器，才可將價格降到限度。

　　圖5為編碼器硬件圖，U1(HEDS9701)采集A、B信號，PH-U、PH-V、PH-W三只光電開關(guān)檢測產(chǎn)生U、V、W信號，它們與碼盤一起裝在電機內(nèi)，檢測電機轉(zhuǎn)速、判斷轉(zhuǎn)子位置,并將采集信號送給DSP。DSP(TMS320F2406)內(nèi)部帶有正交編碼模塊，從編碼器輸出的正交信號輸入DSP的PHASEA引腳和PHASEB引腳，內(nèi)部的正交編碼模塊將信號進行四倍頻，再由位置計數(shù)器計數(shù)從而可以確定轉(zhuǎn)子的速度和位置。

　　PHASEA和PHASEB的輸入信號首先必須通過一個干擾信號濾波器，該濾波器可以數(shù)字延時，可以濾除毛刺，保證只有真正的信號才進行計數(shù)。同時對于只用單個信號的控制，均可配置為單個的脈沖計數(shù)。

　　對于一個高速轉(zhuǎn)軸編碼器，轉(zhuǎn)軸速度可以通過計算每單位時間內(nèi)位置計數(shù)器的變化值來得到。對于電機低速時，由于輸入PHASEA和PHASEB與通用定時器相連均可作為輸入捕捉引腳，可以利用定時器測量正交相位之間的時間周期來得到高分辨率的速度測量。定時器模塊利用一個16位的計數(shù)器，通過對總線時鐘的分頻來計數(shù)。對于一個1000齒的編碼器來說，通過利用定時器測量速度可以測量到0.15轉(zhuǎn)每分。

　  機頭同步定位器

　　編碼器是裝在電機里，而機頭同步定位器則是裝在機頭里，它們均屬于傳感器的范疇。

　　微機控制縫紉機的一個重要指標是停機位置的準確度，這里包括上針位和下針位的停機，所以，縫紉機在這兩個位置必須各給出一個信號，DSP才可以通過檢測這兩個信號來控制電機停止，這是機頭同步定位器的主要作用。另外電機運轉(zhuǎn)通過皮帶與機頭連接傳動，皮帶可能存在打滑現(xiàn)象，只有結(jié)合電機編碼器信號與機頭同步信號，才能準確判斷系統(tǒng)狀態(tài)，從而保證系統(tǒng)運轉(zhuǎn)在狀態(tài)。

　　上下針位信號的產(chǎn)生主要是依靠安裝在機頭上的兩塊極性相反的磁鐵(跟著電機旋轉(zhuǎn))，對兩個相反安裝的開關(guān)型霍爾傳感器(固定)作用，即每塊磁鐵僅對應(yīng)一個傳感器起作用。當機頭旋轉(zhuǎn)到上針位或下針位位置上時，相應(yīng)的開關(guān)霍爾傳感器因為磁場到達其跳變的閾值，而產(chǎn)生輸出跳變，也就是需要的開關(guān)信號，即機頭同步信號。我們選用Allegro公司的U3144，應(yīng)用方便，性能穩(wěn)定。

　　在整個系統(tǒng)設(shè)計中我們強調(diào)了可靠性設(shè)計，對系統(tǒng)中的敏感信號都加強了保護，以符合電磁兼容的要求。在程序設(shè)計中強調(diào)了指令的精簡及信號的多次確認，以提高運算結(jié)果的快速性與準確性。在設(shè)計中還引入了多種保護措施，如過流、過壓、過載、堵轉(zhuǎn)等狀態(tài)下，系統(tǒng)都將立即進入保護狀態(tài)，以保證系統(tǒng)穩(wěn)定可靠。

　　結(jié)語

　　目前該縫紉機控制系統(tǒng)已開發(fā)成功，并進行了小批量生產(chǎn)。從實際使用效果看，該控制技術(shù)實現(xiàn)了縫紉機針位控制的快速性與準確性，保證了高低速運行的平穩(wěn)性，同時使縫紉機具備了自動剪線、自動撥線、自動前后加固的功能?；贒SP的磁場定向控制技術(shù)是運用于縫紉機電氣控制系統(tǒng)的突破口，它的成功開發(fā)，其意義不僅在于可以在工業(yè)縫紉機電控系統(tǒng)中獲得較高的性能，另外可將該技術(shù)演化到其他種類的縫制紡織設(shè)備中去，以實現(xiàn)針位控制的快速性與準確性。

    關(guān)于DSP

    DSP芯片是專門完成各種實時數(shù)字信息處理用的，它是建立在數(shù)字信號處理的各種理論和算法基礎(chǔ)上的。DSP技術(shù)的發(fā)展經(jīng)歷了三個階段，70年代-80年代-90年代。

    個DSP微處理器Intel2920出現(xiàn)在1976年，接著是1982年的AMD2811,NECμPD7720,德州儀器公司的TMS32010.2811和7720兩者都有片上陣列乘法器，都有可編程ROM和相對小的數(shù)據(jù)和程序?qū)ぶ房臻g。32010是個可全速從片外RAM執(zhí)行指令的微處理器，且容納的程序也比7720大一個數(shù)量級。階段的DSP具有下列特點：指令流水，有效的尋址模式，有子程序調(diào)用和地址傳遞協(xié)議；使用Harvard結(jié)構(gòu)，可同時取指令和數(shù)據(jù)；特殊的DSP相對尋址模式（如變址計算任意數(shù)的模式），對于FIR（Finite-Length Impulse Response）的濾波器自動循環(huán)隊列或數(shù)據(jù)移動，對于FFT的比特反轉(zhuǎn)；附加的尋址ALU;對于特殊應(yīng)用的接口（如對于通信編碼的串行接口）。DSP系統(tǒng)主要由分立元件組成，包括線性電路模擬前端、模擬數(shù)字轉(zhuǎn)換器和外圍界面電路、一大堆的組合電路、可編程的陣列邏輯（PAL）及可編程只讀存儲器（PROM）、存儲器及個別處理器。當時的DSP技術(shù)在醫(yī)療電子、生物電子、應(yīng)用地球物理等領(lǐng)域獲得應(yīng)用。

    進入80年代，隨著數(shù)字信號處理技術(shù)應(yīng)用范圍的擴大，要求提高處理速度，到1988年出現(xiàn)了浮點DSP,執(zhí)行浮點算術(shù)運算和乘/累加，如AT&T DSP32C,Motorola DSP96002,TI公司的TMS320C30等，同時提供了語言的編譯器。這種DSP是一種專用的綜合性微處理器，能夠告訴輸入和輸出數(shù)據(jù)，專門處理以運算為主的信號處理應(yīng)用系統(tǒng)。如電話PCM傳輸和程控交換中大量使用的語音處理，數(shù)據(jù)傳輸用的調(diào)制解調(diào)器，計算機的硬盤驅(qū)動器等。

    到了90年代，DSP技術(shù)發(fā)展十分驚人，以DSP作為主要元件，再加上外圍設(shè)備和特定功能單元綜合成的單一芯片，加速了DSP解決方案（DSP Solution-DSPS）的發(fā)展，同時產(chǎn)品的價格降低，運算速度和集成度獲得提高，90年代DSP揭開了計算機、通信、消費類、汽車、軍事等電子市場的新紀元，這些技術(shù)也反過來促進了數(shù)字信號處理器的發(fā)展和需求.

    現(xiàn)狀和趨勢

    當前的DSP多數(shù)基于RISC結(jié)構(gòu)，且進入VLSI階段，如TI公司的TMS320C80代表了DSP的新一代芯片集成技術(shù)，它將4個32位的DSP、1個32位的RISC主處理器、1個傳輸控制器、2個視頻控制器和50KbSRAM集成在一個單片上。

    由于數(shù)字信號處理系統(tǒng)愈來愈先進，高科技含量愈來愈高，系統(tǒng)性能愈來愈強大，現(xiàn)在的DSP芯片制造商隨DSP芯片提供系統(tǒng)的解決方案DSPS.DSPS=DSP+混合信號處理電路+系統(tǒng)軟件+軟件。DSPS可包括其它半導(dǎo)體器件，如邏輯電路、存儲器及ASIC.系統(tǒng)技術(shù)包括設(shè)計工具、技術(shù)支持及產(chǎn)品信息。

    TMS320C6000系列的DSP是TI公司的高端DSP產(chǎn)品，它包攬了許多高性能的芯片，是具有先進的VLIW的高度并行類RISC結(jié)構(gòu)的指令集。業(yè)界可以得到的性能的DSP芯片，該系列芯片的發(fā)展藍圖中有高至5000MIPS、3GFLOPS的處理性能。也是的一種在定點和浮點芯片指令級兼容的DSP芯片系列，同時該系列芯片是面向C編譯器而設(shè)計的，C語言的編譯效率較高。TMS320C6000系列在后續(xù)章節(jié)中進行詳細介紹。