俞迪峰¹，王竹林²，孙正捷³，杨成,忠¹

（1．杭州电子科技大学信息与控制研究所，杭州310018;2杭州电子科技大学科技处

    杭州310018；3．浙江省质量技术监督检测研究院，杭州310013）

摘要：介绍了一种工业缝纫机交流伺服系统的软硬件设计方案，其控制核心采用‘IMS320F2812DSP.同时阐述了其外围电路和智能功率模块的使用。系统控制策略采用空间矢量控制算法。通过对该系统的测试，表明方案可行且效果良好。

关键词：数字信号处理器；交流伺服系统；工业缝纫机；空间矢量控制

中图分类号：TM359. 9；TP271+4    文献标志码：A    文章编号：1001-6848(2010) 01-0071-03

    

0引 言   

    目前，国内工业缝纫机很多仍然使用离合器电机或方波直流电机作为驱动，其效率比较低，转矩脉动大，且不利于针头精确定位。为适应服装加工要求的匀速、精准等特性，新型的工业缝纫机逐渐以永磁同步电机为控制对象的交流伺服系统来取代旧有控制系统。然而市场上该类高性能工业缝纫机大部分为国外品牌所占据，由于不具备核心技术，因此应用成本较高。针对这一状况，本文设计了一种以TMS320F2812数字信号处理器( DSP)为核心，用于工业缝纫机的永磁同步电机交流伺服控制系统，并介绍了系统软硬件的实现方法。该设计方案能实现平稳运行调速等功能，具有高性能、高可靠性、低成本等特点，为实现工业缝纫机复杂的缝制工艺提供了较好的平台。

  设计的工业缝纫机交流伺服系统硬件系统结构如图1所示。

该系统主要包括基于TMS320 F2812的DSP控制器、IPM智能功率驱动模块、系统保护电路、开关电源等模块。

    系统以交流永磁同步电机为控制对象，其具有转动惯量小，响应频率高，运行可靠等优点^[1],此外，开关电源需要为各模块提供不同的电压值以满足系统需求。开关电源性能对系统的稳定性具有重要影响，本设计采用电流型PWM集成控制器UC3843作为电源控制芯片，不仅简化了电源元器件，同时也能有效抑制纹波电压，提高系统可靠性。

    1)控制器与外围电路

    控制电路以TMS320F2812 DSP为核心^[2，3]。其内部集成了事件管理器模块，特别适合运动控制及电机控制。该DSP内核电压为1.8 V或1.9 V，I/O外设电压为3.3 V，为了保证上电过程中所有模块具有正确的复位状态，要求I/O先于内核供电。本设计选用TPS70151作为DSP供电芯片，当110 3.3 V电压上升到百分之83时才对内核1.8 V供电，从而使DSP以正确顺序上电。

    本控制器外围电路包括电流采样电路、光电编码电路、脚踏板信号电路及电磁铁驱动电路等。永磁同步电机端电流采样采用TBC06DS霍尔电流传感器，其测量额定电流为±3A，额定输出为2.5 V ±0. 625 V，测量峰值电流可达±12 A，输出则为2.5 V±2 V。两路霍尔电流传感器输出OUT端分别经放大电路后转换为0 25 V -2. 25 V电压信号，输入DSP的ADCINAO和ADCINAI接口进行采样，从而实现系统的电流环控制。如图2所示。

  为实现工业缝纫机转速的精确控制，必须对永磁同步电机转子状态进行检测以实现系统速度环控制。工业缝纫机电机通常转速在100 r/min到4000 r/min之间，其定位精度要求在±2度内。本系统光电码盘为360线增量式编码盘，其产生的正交脉冲信号经4倍频后得到1440个跳边沿信号，分辨率可达到0. 25度，精度已经完全满足工业缝纫机的定位要求，并且成本低廉，系统实现简单可靠。编码器选用Agilent公司HEDS-9700光电编码器，其内部集成了信号处理及比较电路，可直接输出AB正交脉冲编码信号，用于判断转子位置及旋转方向，它兼容TTL电平，可经过Schmitt触发器整形后直接输入到DSP的QEP接口，从而可以很方便地通过TMS320F2812的事件管理器实现对永磁同步电机转子位置检测。

  此外，工业缝纫机使用脚踏板来控制电机起停、转速控制、剪线等功能，因此可使用2个C形光电开关和1个霍尔元件来检测踏板位置，其霍尔电流信号经DSP的A/D采样后用于电机转速及其他功能控制。

  2)智能功率模块及保护电路

  功率驱动模块是交流伺服系统的重要组成部分，DSP产生的PWM信号必须通过该模块才能右效驱动电机^[4]。本设计中采用IR公司的智能功率模块IRAMX16UP60A，其内部集成了IGBT功率器件和相应的驱动电路，过热、过电流保护电路及驱动电源欠电压保护电路。由于其具有较高的集成性，因此极大地简化了硬件设计，从而提高系统可靠性。该模块使用15 V供电，支持****PWM载波频率达20 kHz，同时带有300 ns死区时间延迟。通过外部电路设计，可构筑比较完备的系统保护机制。

  如图3，当系统出现过压、过流等故障时，O/C Sense端变为低电平，此时T／I。端则为5v左右高电平。通过对模块T/I_Trip引脚的操作，可完全关断IGBT器件的PWM输出。同时也可将O/C Sense端经光电隔离后连接到DSP的PDPINT中断引脚，当该引脚为低电平时，DSP的PWM输出引脚将被置于高阻状态，从而保护系统避免损坏。而在正常情况下T/I_Trip。端电压也反映模块温度状况，将Temp Sense连接到DSP的A/D采样端口，通过采样T/I_Trip。引脚电压即可实现模块温度的实时监测。

    本系统控制策略采用空间矢量( SVPWM)算法^[5,6]，模型框图如图4所示。

    它将定子电流经过Clark交换转换到两相静止坐标系中，再经过Park变换为两相旋转坐标系上的励磁电流屯和转矩电流i_d.根据永磁同步电机特性，当令i_d.=0时，控制i_d.就可完全控制电机转矩。当给定一定转速时，根据光电编码器速度反馈获得转速误差，经PI调节器输出为i_q的给定值，i_d.、i_q再经过PI调节器和Park反变换得到两相静止坐标系上的电压U_α和U_β，由此运算得到SVPWM波驱动永磁同步电机工作。

  本系统在交流永磁同步电机上进行了试验，该电机选用2对极永磁同步电机，额定功率为550 W，转矩系数为0.5 N-m/A。本试验设定转速为1 500 r/min，SVPWM波输出频率为l5 kHz，通过双踪示波器观测，其波形如图5所示。通过对电流采样电路测试，其通过定子绕组相电流为正弦

波，且波形良好，转速平稳，如图6所示。试验充分说明了本系统能较好地实现对永磁同步电机的控制，具有良好的运行效果。

 

  本文设计了一种基于TMS320F2812的工业缝纫机交流伺服控制系统。凭借DSP丰富的片上资源和高性能，本系统可以很好地完成复杂的算法运算及其他辅助功能的控制，并为工业缝纫机实现多样化的缝制工艺和提高其自动化程度提供了一个良好的平台，有效地推动了工业缝纫机向机电一体化方向发展.