基于無刷直流電機的高精度工業(yè)縫紉機控制系統(tǒng)
陳 勇，屈穩(wěn)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(yè)縫紉機控制系統(tǒng)。系統(tǒng)在控制策略上采用改進型的積分分離式PID來提高系統(tǒng)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(tǒng)啟動快、運行穩(wěn)定、調(diào)速性能優(yōu)良、定位準確、關鍵詞：無刷直流電機；積分分離式PID；工業(yè)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(fā)展，由于它擁有精巧的結構和優(yōu)良的調(diào)速性能，因此被廣泛地應用于伺服控制系統(tǒng)，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(yè)。但是，從目前國內(nèi)縫紉機廠家生產(chǎn)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(jù)國內(nèi)現(xiàn)狀，從提高性能、減小成本、降低實現(xiàn)難度的角度出發(fā)，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(huán)節(jié)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(tǒng)結構
本文所設計的BLDcM控制系統(tǒng)結構如圖1所示。系統(tǒng)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(tài)導通方式，通過連續(xù)調(diào)節(jié)PwM占空比來實現(xiàn)電機的調(diào)壓調(diào)速。系統(tǒng)采用帶速度環(huán)和電流環(huán)的雙閉環(huán)控制，電流環(huán)采用傳統(tǒng)的PID控制，基本能夠滿足控制要求；速度環(huán)則由傳統(tǒng)的PI調(diào)節(jié)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(tǒng)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(tǒng)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�。凰闶揭膊恍枰奂�，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(wěn)態(tài)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(tǒng)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(diào)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(huán)控制，使電機軟啟動，以恒定加速度加速。當?shù)竭_預設定值時，就進入了穩(wěn)定的調(diào)速階段，本階段可以采取積分分離PID算法進行穩(wěn)態(tài)調(diào)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(diào)速特性，發(fā)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(tǒng)的穩(wěn)定性和精確性。
圖3為常規(guī)PID和改進型積分分離PID分別對系統(tǒng)作用的仿真波形：從圖中可以看出，無論是響應時間還是穩(wěn)定精度，后者明顯優(yōu)于前者。
2．2 系統(tǒng)停車定位控制策略
為了實現(xiàn)無刷直流電機在指定的位置停車，即縫紉機系統(tǒng)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(chǎn)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(nèi)部資源要求有兩個定時計數(shù)器，以處理器LPc2103為例，這里用到了它的計數(shù)器T1主要是用來對AB正交脈沖計數(shù)，T1是用來在必要時刻獲取z脈沖。具體做法是：當驅動系統(tǒng)獲取L位機的停車指令時，系統(tǒng)馬上降速至一個穩(wěn)定低速。在低速狀態(tài)下開通Tl對編碼器的z脈沖進行計數(shù)，其可計數(shù)值為1。一旦出現(xiàn)z脈沖，T1馬上溢出并開通TO對AB正交脈沖進行計數(shù)。當To計數(shù)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(shù)。根據(jù)編碼器的特性，它在電機一個機械周期內(nèi)的脈沖數(shù)恒定，由于z脈沖出現(xiàn)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(jīng)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(wěn)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(tài)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(yōu)點就是可以對該低速狀態(tài)下停車產(chǎn)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(shù)，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(shù)為Ⅳ1，若將皿設定為M時，則它會越過定位點／、2個脈沖數(shù)才停下，見圖4(a)。若將Ⅵ作為修正債，則口r設置皿計數(shù)值應為Ⅳ=Ⅳ1一妲，也就是說_lY計數(shù)Ⅳ個脈沖后封鎖PwM自由停車，這樣加質(zhì)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(tài)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(tǒng)的進行了仿真。仿真用永磁無刷直流電機參數(shù)如下：電機極對數(shù)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(tǒng)的控制目標主要是調(diào)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(nèi)，系統(tǒng)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(wěn)定運行。在0．3 s處給定轉速跳變?yōu)榱�，即J二位機停車指令，系統(tǒng)馬上降至低速500 r／min。電機在此低速狀態(tài)運行0．08 s，這時開始啟動z脈沖計數(shù)。一旦出現(xiàn)z脈沖，系統(tǒng)馬上對編碼器AB正交脈沖計數(shù)：此處本應設定計數(shù)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(shù)器可計數(shù)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(tǒng)實驗樣機相電壓波形，電機在該控制器的驅動下可以穩(wěn)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(tǒng)，并對速度環(huán)節(jié)的PID進行了改進，提高了系統(tǒng)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(tǒng)能夠實現(xiàn)智能化，剎車定位準確。
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