縫紉機(jī)用無刷直流電動(dòng)機(jī)及其控制系統(tǒng)的研制
周賢韜 徐 衛(wèi) 朱世益 麻志德(蕪湖電機(jī)廠241000)
摘 要 介紹了工業(yè)縫紉機(jī)用永磁無刷直流電動(dòng)機(jī)及其自動(dòng)控制系統(tǒng)的研制及特點(diǎn)，重點(diǎn)分析了產(chǎn)品的電磁設(shè)計(jì)和控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)。
敘 詞 永磁電機(jī)無刷直流電動(dòng)機(jī)縫紉機(jī)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)
1 引 言
隨著經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，適應(yīng)高檔服裝生產(chǎn)的高速工業(yè)縫紉機(jī)用永磁無刷直流電動(dòng)機(jī)及其三自動(dòng)控制系統(tǒng)開始大量進(jìn)入我國市場(chǎng)。這種產(chǎn)品功能齊全、性能優(yōu)越，深受服裝工業(yè)界的歡迎。為追蹤國際先進(jìn)水平，提高產(chǎn)品在國際市場(chǎng)的競(jìng)爭(zhēng)能力，國內(nèi)一些高校和大型企業(yè)相繼開展這類產(chǎn)品的研制工作。我廠同合肥工業(yè)大學(xué)合作研制出SF-13 - 550型永磁無刷直流工縫電動(dòng)機(jī)及其控制系統(tǒng)，其產(chǎn)品的主要技術(shù)指標(biāo)及優(yōu)點(diǎn)為：功率550w，額定轉(zhuǎn)速3 600～4 000r／min，調(diào)速比1 t 100，正反轉(zhuǎn)，快速起動(dòng)和制動(dòng)(lOOms)，定位精度高，過載能力大，噪聲、振動(dòng)低。同時(shí)具有實(shí)現(xiàn)工業(yè)縫紉機(jī)的自動(dòng)切線、自動(dòng)返縫、自動(dòng)挑線的三自動(dòng)控制功能。
2 電磁設(shè)計(jì)
稀土永磁無刷直流電機(jī)是由同步電動(dòng)機(jī)、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(jī)的基本工作原理是借助于反映轉(zhuǎn)子位置的傳感器信號(hào)，遁過驅(qū)動(dòng)電路，驅(qū)動(dòng)逆變電路的功率開關(guān)元件，使電樞繞組依一定順序饋電，從而在氣隙中產(chǎn)生步進(jìn)旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)，拖動(dòng)永磁轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)。隨著轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)動(dòng)，位置傳感器不斷輸出信號(hào)，從而改變電樞繞組的通電狀態(tài)，實(shí)現(xiàn)能量轉(zhuǎn)換。
2.2設(shè)計(jì)方法
設(shè)計(jì)稀土永磁無刷直流電動(dòng)機(jī)和普通直流電動(dòng)機(jī)有所不同，首先是根據(jù)給定的技術(shù)經(jīng)濟(jì)指標(biāo)，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(yīng)的轉(zhuǎn)子位置傳感器形式，然后才能合理進(jìn)行電動(dòng)機(jī)的磁路和電路的設(shè)計(jì)。
這里考慮了兩種情況，一是氣隙磁場(chǎng)為正弦分布；二是氣隙磁場(chǎng)為方波形式。結(jié)合所選擇的電子線路形式，按照直流電機(jī)的分析方法，推導(dǎo)出稀土永磁無刷直流電動(dòng)機(jī)的理想空載轉(zhuǎn)速，平均電磁轉(zhuǎn)矩，平均電樞電流；通過磁路及電路計(jì)算求出電機(jī)的所有指標(biāo)及工作特性。設(shè)計(jì)框圖如圖1所示。
2-3氣隙磁場(chǎng)及轉(zhuǎn)矩平穩(wěn)性研究
作為伺服電機(jī)，保持轉(zhuǎn)矩和低速運(yùn)行時(shí)轉(zhuǎn)速的平穩(wěn)是很重要的。由于采用電子換向，電機(jī)繞組的供電狀態(tài)是開關(guān)型的，其波形為方波或階梯波。形成的電樞磁場(chǎng)呈步進(jìn)磁場(chǎng)，負(fù)載時(shí)的氣隙磁場(chǎng)由轉(zhuǎn)子永磁體磁場(chǎng)和步進(jìn)電樞磁場(chǎng)合成。由于電樞磁場(chǎng)的步進(jìn)性，使其氣隙磁場(chǎng)波動(dòng)，進(jìn)而影響電磁轉(zhuǎn)矩的平穩(wěn)性。所以步進(jìn)磁場(chǎng)對(duì)無刷直流電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)矩平穩(wěn)性是至關(guān)重要的。為了提高電機(jī)控制系統(tǒng)的極限調(diào)速比，減小永磁電機(jī)的靜態(tài)定位轉(zhuǎn)矩是一個(gè)重要因素。為了減小定位轉(zhuǎn)矩，除采用斜槽外，槽口應(yīng)由2. 5mm減小到Imm，這樣定位轉(zhuǎn)矩可減百分之5左右。相對(duì)而言，增大氣隙是一條主要措施，當(dāng)然這要受到磁體用量與工藝諸因素的影響，應(yīng)統(tǒng)籌考慮。
2.4隸磁體工作的可靠性
工業(yè)縫紉機(jī)工作狀態(tài)實(shí)質(zhì)上是使電機(jī)處于頻繁起、制動(dòng)。對(duì)起、制動(dòng)過程，均有起、制動(dòng)轉(zhuǎn)矩。該轉(zhuǎn)矩的大小在短時(shí)間可能達(dá)到6倍左右的額定轉(zhuǎn)矩。勢(shì)必產(chǎn)生很大的起、制動(dòng)電流。這樣大的電流，對(duì)永磁體產(chǎn)生的去磁影響必須引起注意。特別在電機(jī)運(yùn)行在負(fù)載溫升時(shí)，隨著工作溫度的升高，這種去磁作用就越大。若對(duì)永磁體的厚度選取不當(dāng)，這種去磁反應(yīng)還將影響到永磁體的回復(fù)線。在設(shè)計(jì)工業(yè)縫紉機(jī)用永磁電機(jī)時(shí)，永磁體的設(shè)計(jì)必須考慮二點(diǎn)：第一是電機(jī)****工作溫度，第二是起、制動(dòng)時(shí)的電樞反應(yīng)去磁作用。
3 永磁無刷直流電動(dòng)機(jī)的速度調(diào)節(jié)系統(tǒng)
3.1 永磁無刷直流電動(dòng)機(jī)的速度調(diào)節(jié)系統(tǒng)數(shù)學(xué)模型
永磁無刷直流電動(dòng)機(jī)按上述設(shè)計(jì)，其內(nèi)電勢(shì)為1200平頂?shù)奶菪尾ǎ羲c功率逆變電路匹配，通過適當(dāng)?shù)墓╇姺绞�，可以獲得轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)最小的工作狀態(tài)。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(zhuǎn)矩。
功率開關(guān)器件除導(dǎo)通瞬間過程較為復(fù)雜外，在導(dǎo)通后，實(shí)際上電機(jī)的狀態(tài)可以用公式U= E+/d/／dt+/R描述，而在開關(guān)器件斷開后，如果存在續(xù)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(guān)器件，開關(guān)時(shí)間在1s左右，對(duì)于永磁無刷直流電動(dòng)機(jī)動(dòng)態(tài)過程，忽略開關(guān)動(dòng)作時(shí)間，仍可用V=E+/d/／dt+/R描述其通電狀態(tài)下的的動(dòng)態(tài)過程，那么無刷直流電機(jī)在其模型上將近似普通直流電動(dòng)機(jī)。
永磁無刷直流電動(dòng)機(jī)的模型描述如下：
3.2等效時(shí)間常數(shù)的確定
在直流電機(jī)控制中，常用兩個(gè)時(shí)間常數(shù)的概念，繞組時(shí)間常數(shù)丁。和機(jī)電時(shí)間常數(shù)T。
繞組時(shí)間常數(shù)可以利用通電時(shí)繞組電上升沿時(shí)間決定，其表示為
機(jī)電時(shí)間常數(shù)按電勢(shì)系數(shù)Ca、轉(zhuǎn)矩系數(shù)Cm及電機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量求取
3.3永磁無刷直流電機(jī)的調(diào)速系統(tǒng)
該系統(tǒng)用于工業(yè)縫紉機(jī)三自動(dòng)控制系統(tǒng)，對(duì)系統(tǒng)的快速性要求頗高，且運(yùn)行平穩(wěn)。為了實(shí)現(xiàn)快速的加、減速度控制，必須通過系統(tǒng)的控制參數(shù)選取及結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)消除或削弱時(shí)間常數(shù)的影響。
系統(tǒng)選擇了帶轉(zhuǎn)速、電流反饋的雙閉環(huán)控制系統(tǒng)。電流內(nèi)環(huán)的設(shè)計(jì)以典型I型系統(tǒng)****調(diào)節(jié)器參數(shù)確定，這樣基本上消除繞組時(shí)間常數(shù)的影響，并且等效電流環(huán)變成小時(shí)間常數(shù)的慣性環(huán)節(jié)，系統(tǒng)的帶寬得到拓寬，電流也不會(huì)超調(diào)很多。只要阻尼系數(shù)選擇合適，系統(tǒng)響應(yīng)快而超調(diào)小。
由于反饋速度脈沖直接引到單片計(jì)算機(jī)803 1的計(jì)數(shù)器輸入端，通過計(jì)算機(jī)對(duì)實(shí)際速度信號(hào)的測(cè)量，修正速度給定，從而進(jìn)一步提高了速度控制精度。無論是電流調(diào)節(jié)器或速度調(diào)節(jié)器的輸出均加限幅處理。速度控制系統(tǒng)框圖如圖2所示。
3.4位置、速度、電流信號(hào)的檢測(cè)
3.4.1位置傳感器
永磁元刷直流電機(jī)繞組相間的功率開關(guān)器件切換嚴(yán)格取決于電機(jī)轉(zhuǎn)子位置的實(shí)際測(cè)量，作為永磁無刷直流電動(dòng)機(jī)不可缺少的轉(zhuǎn)子位置檢測(cè)器，在電機(jī)速度控制系統(tǒng)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(shí)現(xiàn)的�；魻栐䲠�(shù)與相數(shù)相同，空間角度安排可按1200或600電角度兩種方式。轉(zhuǎn)子帶動(dòng)遮片轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，將會(huì)使三個(gè)霍爾元件發(fā)出三組互為相差1200電角度，占空比1:1的方波脈沖，該信號(hào)用來控制導(dǎo)通繞組對(duì)應(yīng)的開關(guān)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(hào)轉(zhuǎn)換
速度傳感器采用每轉(zhuǎn)發(fā)出500個(gè)脈沖信號(hào)的圓光柵編碼器，這樣，電機(jī)低速運(yùn)行有足夠的脈沖信號(hào)輸出，經(jīng)F/V轉(zhuǎn)換，輸出一個(gè)較穩(wěn)定的電平信號(hào)。在速度采樣階段，由于電機(jī)轉(zhuǎn)速的瞬時(shí)變化，脈沖傳感器輸出的脈沖信號(hào)寬度會(huì)不一樣，在F/V轉(zhuǎn)換時(shí)，必須將速度脈沖信號(hào)轉(zhuǎn)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(cè)
對(duì)于電流檢測(cè)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(yīng)時(shí)間1tis，測(cè)量精度百分之1，屬于無接觸測(cè)量。其優(yōu)點(diǎn)是能隔離主電路與控制電路在線路上的聯(lián)系，從而減少主電路對(duì)控制電路的干擾。
3.4.4脈寬調(diào)速專用芯片MC33034P120
MC33034是美國摩托羅拉公司生產(chǎn)的無刷直流電機(jī)調(diào)速的專用芯片，芯片內(nèi)部設(shè)有轉(zhuǎn)子位置譯碼器，電機(jī)位置傳感器信號(hào)可直接接到芯片的三個(gè)輸入端SA、SB.SC，通過內(nèi)部譯碼器控制上、下橋臂輸出的開通或關(guān)斷。當(dāng)有一個(gè)非法的信號(hào)輸入時(shí)，故障輸出端（14腳）動(dòng)作并且使得驅(qū)動(dòng)輸出信號(hào)封鎖，將故障信號(hào)送到計(jì)算機(jī)8031進(jìn)行處理。正／反轉(zhuǎn)輸入端（3腳）用來改變電機(jī)定子繞組電壓方向，實(shí)現(xiàn)電機(jī)的的換向，使得對(duì)電機(jī)換向的實(shí)現(xiàn)變得十分容易。
芯片采用脈寬調(diào)制控制提供一個(gè)在換向序列期間對(duì)每個(gè)定子繞組變化平均電壓來控制電機(jī)轉(zhuǎn)速。內(nèi)部有一個(gè)振蕩器，振蕩頻率可用RrCr進(jìn)行設(shè)定，為了防止噪聲和減少損耗，系統(tǒng)的頻率一般選擇在12kHz左右。
3·4.5功率模塊的驅(qū)動(dòng)電路
采用分立式驅(qū)動(dòng)電路雖然經(jīng)濟(jì)實(shí)用，但要達(dá)到較好的性能不易，特別是由于IGBT內(nèi)寄生晶體管寄生電容的存在，門極驅(qū)動(dòng)與損壞時(shí)脈寬的關(guān)系等原因，使得驅(qū)動(dòng)電路設(shè)計(jì)復(fù)雜化，因此，選擇日本富士公司IGBT專用驅(qū)動(dòng)電路EXB840(見圖4)。該芯片內(nèi)部設(shè)有快速混合型lC，****開關(guān)頻率40kHz，其內(nèi)部設(shè)有光電隔離電路、過流檢測(cè)電路，以及低速過流自動(dòng)切斷功能，EXB840輸出通過 一個(gè)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(nèi)外先進(jìn)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(jī)驅(qū)動(dòng)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(dá)林頓晶體管大電流密度特性的開關(guān)器件。其優(yōu)點(diǎn)是輸入阻抗高，開關(guān)速度高，開關(guān)損耗低，開關(guān)速度為s級(jí)。
4 工業(yè)縫紉機(jī)三自動(dòng)控制系統(tǒng)
高檔工業(yè)縫紉機(jī)控制系統(tǒng)有不同的預(yù)先設(shè)置縫紉模式，所謂工業(yè)縫紉機(jī)三自動(dòng)指自動(dòng)返縫、自動(dòng)割線和自動(dòng)挑線。三自動(dòng)功能是通過電磁閥通斷加以控制的，同時(shí)電磁閥的吸合動(dòng)作又必須與針位置同步，為了實(shí)現(xiàn)針位同步，設(shè)計(jì)了一個(gè)針位傳感器來控制，針位傳感器有三個(gè)輸出信號(hào)，上針位、下針位、切線電磁閥同步信號(hào)，這三個(gè)信號(hào)送到計(jì)算機(jī)8031，實(shí)現(xiàn)三自動(dòng)控制。
系統(tǒng)針位的定位控制采用了快速隨動(dòng)系統(tǒng)的開關(guān)控制方式，由于系統(tǒng)采用的是單極性PWM調(diào)速方式，負(fù)載有較大的慣性，同時(shí)電機(jī)和工業(yè)縫紉機(jī)之間是采用皮帶傳動(dòng)的，非線性環(huán)節(jié)較多，采用開關(guān)控制方式可簡(jiǎn)化系統(tǒng)控制。
4.1 單片計(jì)算機(jī)的組成
采用MCS一51系列單片計(jì)算機(jī)8031作為核心部分，74Ls373、ERROM6264組成最小微機(jī)系統(tǒng)，通過擴(kuò)展二片74Ls244作為輸入輸出接口，選甩DAC0832進(jìn)行D/A轉(zhuǎn)換。
針數(shù)和模式設(shè)定（16種縫紉模式）由一個(gè)專用另外放置的模式盒進(jìn)行數(shù)據(jù)輸入，按鍵或撥碼開關(guān)的數(shù)據(jù)由模式盒內(nèi)的移位寄存器74Ls164變成并行數(shù)據(jù)送到計(jì)算機(jī)處理。
4.2 系統(tǒng)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(shè)計(jì)有如下特點(diǎn)：
(1)模塊化進(jìn)行軟件設(shè)計(jì)，有上電自診斷功能。
(2)軟件對(duì)信號(hào)量采用數(shù)字濾波技術(shù)。
(3)軟件設(shè)置“陷井”，以提高系統(tǒng)抗干擾能力，保證系統(tǒng)的可靠性。
5結(jié)語
永磁無刷直流工縫電動(dòng)機(jī)及其三自動(dòng)控制系統(tǒng)的樣機(jī)已通過了安徽省科委組織的省級(jí)鑒定。SF-13- 550稀土永磁無刷直流電機(jī)及三自動(dòng)控制系統(tǒng)完成了工業(yè)縫紉機(jī)的第三代改造。解決了稀土永磁無刷直流電機(jī)設(shè)計(jì)和應(yīng)用中的關(guān)鍵難點(diǎn)，位置傳感、驅(qū)動(dòng)邏輯轉(zhuǎn)換、功率器件保護(hù)以及減小靜態(tài)定位轉(zhuǎn)矩等多項(xiàng)技術(shù)，完成了工業(yè)縫紉機(jī)微機(jī)三自動(dòng)（自動(dòng)返縫、自動(dòng)割線、自動(dòng)挑線）控制，提高了稀土永磁無刷直流電機(jī)應(yīng)用水平。它的研制成功對(duì)高檔三自動(dòng)工業(yè)縫紉機(jī)系統(tǒng)的國產(chǎn)化帶來了生機(jī)，增強(qiáng)了進(jìn)軍國際市場(chǎng)的實(shí)力。
周賢韜： 男，1965年出生，工程師，主要從事永磁電機(jī)及其控制系統(tǒng)的研究。
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