工业缝纫机系统的仿真与试验

    张峦国¹，杨喜军¹，雷淮刚²

(1．上海交通大学，上海200240；2上海儒竞电子有限公司，上海200072)

    摘要：在介绍逆变器一工业缝纫机伺服系统的组成结构和功能工艺的基础上，主要分析了PMSM矢量控制的调速原理，新型的共模电压最小的SVPWM调制算法。并将上述两个部分作用在整个新型工业缝纫机交流伺服系统中，利用MATLAB／SIMULINK软件对该系统给予了全面的仿真分析，所得的仿真结果与理论分析结果一致。并利用DSP TMS320F2801作为工业缝纫机伺服系统的控制芯片进行了试验研究，所得的试验结果验证了设计方案的有效性。

    关键词：工业缝纫机；伺服系统；矢量控制；永磁同步电动机；仿真分析

    中图分类号：TND41    文献标识码：A  文章编号：1004—7018(2008)04—0022—03

0引言

    随着服装行业的发展，服装的制作工艺日趋复杂，制作效率要求越来越高。而传统的工业缝纫机一般采用滑差调速的单相感应电动机作为驱动部件，系统存在着效率低、体积大、调速范围窄和位置控制精度低等缺点，已不能满足日益发展的需要。永磁同步电动机(以下简称PMSM)伺服控制系统凭借其能够克服上述缺点的优势在工业缝纫机中正得以广泛应用。本文在介绍逆变器一工业缝纫机伺服系统的组成和功能工艺的基础上，分析了PMSM矢量控制的调速原理，共模电压最小的SVPWM调制算法，并在MATLAB／sIMuuNK环境下对整个系统给予了全面的仿真分析。最后，利用TMS320F2801作为工业缝纫机伺服系统的控制芯片进行了试验研究。

1工业缝纫机系统的构成

    工业缝纫机交流伺服系统的结构如图1所示。

其中，220 V交流电源、整流桥、滤波电容、制动电路、逆变器和PMSM构成系统的功率电路；电流检测、速度位置检测和DSP控制器构成控制回路，显示与键盘和各种功能电磁阀构成外围电路。交流220 V电压经过整流滤波后得到稳定的直流电源供给逆变器，逆变器在SVPWM调制下产生三相PWM电压供给PMSM，PMSM驱动工业缝纫机的机头进行缝纫工作。控制电路中，电动机的y相、Ⅳ相电流信号经霍尔电流传感器检测后进人DSP的A／D口，由DSP完成电流的闭环控制。用于检测电动机转速和转子位置的编码器采用复合式的光电编码器，它是一种带有简单磁极定位功能的增量式光电编码器，它输出两组信息：一组是三路彼此相差120。且占空比为O．5的三路脉冲信号U、V、W，用于检测转子磁极位置，带有****信息功能；另一组与增量式光电编码器相同，输出正交方波脉冲A、B信号。该信号进入DSP，DSP根据检测到的A脉冲或B脉冲计算得到零脉冲z信号，实现电动机的速度和位置闭环。缝纫机工作时，脚踏板调速器给定PMSM一个转速信号，机头定位器给定PMSM运行的转数，并配合各个功能电磁阀，完成定针缝、自由缝、口袋缝等缝纫工艺。

2 PMSM矢量控制原理

    对于转子结构为凸极式的PMSM，在假设磁路不饱和、忽略磨擦、磁滞和涡流损耗影响，空间磁场成正弦分布的条件下，得到永磁同步电动机在abc静止坐标系下的电压方程^[3-4]:

式中：U_a、U_b、U_c为三相定子绕组的电压，i_a、i_b、i_c。为三相定子绕组的电流，R为每相定子绕组的电阻，Ld=Lq=L为交轴和直轴电感，LM为绕组问的互感，p为微分算子为电动机角速度，K_e为电压常数，θ为转子位置角，即转子与a相轴线的夹角。

    式(1)经α_β、d_q坐标变换可得d_q旋转坐标系下的电压方程为：

式中：p为电动机极对数，对于凸装式的转子结构，L_d=L_q，可以得到线性方程：

上式表明，PMSM产生的电磁转矩与其交轴电流成正比，和直流电动机的数学模型完全一样。

3共模电压最小的SVPWM调制算法