基于无刷直流电机的高精度工业缝纫机控制系统
陈 勇，屈稳太，刘学文(浙江大学电气工程学院，杭州3100127)
摘要：该文设计了一种基于无刷直流电机的高精度工业缝纫机控制系统。系统在控制策略上采用改进型的积分分离式PID来提高系统的能量利用率和控制效果；同时提出了一种新型的定位停车方法，此法充分利用光电编码器z脉冲的特性，克服了以往需要另加位置传感器的局限性，并对定位过程进行了修正，使得定位更加精确。最后给出的仿真结果和实验样机结果，说明该系统启动快、运行稳定、调速性能优良、定位准确、关键词：无刷直流电机；积分分离式PID；工业缝纫机；定位停车
0 引 言
近年来随着新型永磁材料和电力电子器件的不断进步，无刷直流电机(BLDcM)得到了快速的发展，由于它拥有精巧的结构和优良的调速性能，因此被广泛地应用于伺服控制系统，特别是近年来无刷直流电机越来越多的进入了缝纫机制造业。但是，从目前国内缝纫机厂家生产来看，由于技术上的原因，高精度的缝纫机控制器仍然依赖进口。本文根据国内现状，从提高性能、减小成本、降低实现难度的角度出发，提出了一种不需要专门定位传感器而能够进行准确定位的控制策略，在速度环节并采用一种新型积分分离式PID算法，基于此而设计了一种无刷直流电机的平缝机控制器。
1无刷直流电机控制系统结构
本文所设计的BLDcM控制系统结构如图1所示。系统中BLDcM采用三相Y型接法，三相桥式逆变器工作在120。三相六状态导通方式，通过连续调节PwM占空比来实现电机的调压调速。系统采用带速度环和电流环的双闭环控制，电流环采用传统的PID控制，基本能够满足控制要求；速度环则由传统的PI调节器替换为一种改进型积分分离PID算法控制，并且在定位算法的配合下，系统能够进行实时地速度跟踪和定位停车．
2控制策略
在控制策略方面，本文就系统的电机运行特性陆线和应用特点，作出了两方面的改进：其一是采用改进型的积分分离式PID算法来提高电机的能量利用率和控制效果。其二是设计了一种新型的定位停车算法，减少了设计成本，且定位精度很高。
虽说增量式PID相对于位置式PID带来了不少好处，例如，计算只输出增量，对误动作是影响小；算式也不需要累加，大大减少了累加误差。但是它电有不足之处：积分截断效应大，有稳态误差，溢出影响大。
介于以上两种算法的缺点，本文采用了一种改进型的积分分离PID控制算法。
对于伺服系统来说，仅仅采用PID控制算法，将会浪费较大能量且控制效果不一定很好。所以结合无刷直流电机的启动和调速特性曲线，本文采用一种折中的曲线——梯形控制曲线，如图2所示。
从图中可以看出，在启动、加速阶段可以进行开环控制，使电机软启动，以恒定加速度加速。当到达预设定值时，就进入了稳定的调速阶段，本阶段可以采取积分分离PID算法进行稳态调速。
改进型积分分离算法具体分析如下：
这种方法结合了电机的调速特性，发挥了软件的易修改性特点，在实际应用中大大减少了电机能量的消耗和噪音，还提高了系统的稳定性和精确性。
图3为常规PID和改进型积分分离PID分别对系统作用的仿真波形：从图中可以看出，无论是响应时间还是稳定精度，后者明显优于前者。
2．2 系统停车定位控制策略
为了实现无刷直流电机在指定的位置停车，即缝纫机系统中所指的上针位或下针位，一般都是在电机的定子上同步安装一个反射式光电传感器，反射铝箔安装在电机转子带动的转盘对应的上针位角位置。此方法虽说可靠简单，但是增加了产品的成本。本文所采取的定位方案是充分利用测速光电编码器每转输出一个z脉冲的特性来进行定位。它仅对处理器内部资源要求有两个定时计数器，以处理器LPc2103为例，这里用到了它的计数器T1主要是用来对AB正交脉冲计数，T1是用来在必要时刻获取z脉冲。具体做法是：当驱动系统获取L位机的停车指令时，系统马上降速至一个稳定低速。在低速状态下开通Tl对编码器的z脉冲进行计数，其可计数值为1。一旦出现z脉冲，T1马上溢出并开通TO对AB正交脉冲进行计数。当To计数溢出时，LPc2103马上封锁PwM脉冲，这样电机以在指定位置自由停车。这个方案主要涉及到两个问题：一是先应该确定好从z脉冲点到停车位之间的A／B正交脉冲个数。根据编码器的特性，它在电机一个机械周期内的脉冲数恒定，由于z脉冲出现的位置和停车位置相对于电机来说都是同定的，所以它们之间的正交脉冲值也就同定了，此值必须经过多次实际测量：二是在停车之前先必须降速。当电机降至某一稳定低速时，电机的惯性比较确定，这样就不会因为电机在不同高速运行状态下的瞬时停车而导致越过定位点的程度差异：降速停车还有一个优点就是可以对该低速状态下停车产生的误差进行修正，此修正值可以通过多次试验得到，修正值即理想定位点与实际定位点之间的脉冲数，这样使得停车更精确。
假设电机运行在低速n(r／mm)下，令z脉冲位置和停车位置之间的4／口正交脉冲数为Ⅳ1，若将皿设定为M时，则它会越过定位点／、2个脉冲数才停下，见图4(a)。若将Ⅵ作为修正债，则口r设置皿计数值应为Ⅳ=Ⅳ1一妲，也就是说_lY计数Ⅳ个脉冲后封锁PwM自由停车，这样加质性作用F的妣，于是实际停车位恰好是定位点，修正后的电机状态见图4(b)。
 3仿真与实验结果 3．1仿真分析
在确定了控制方案和定位停车策略之后，先用M以ah对该系统的进行了仿真。仿真用永磁无刷直流电机参数如下：电机极对数p=4，额定电压为U1=220 V，额定转速为n=3000r／min相电阻R2=2 875 n，相电感为L：=8 5 mH，转动惯量为J=O．0008 kg。m。．用于缝纫机的电机控制系统的控制目标主要是调速性能和定位停车。从图6可以看出，在设定的0 5 s仿真时间内，系统的效果很好。电机先从O r／，n-n很快上升到额定转速3000r／mim并且能够稳定运行。在0．3 s处给定转速跳变为零，即J二位机停车指令，系统马上降至低速500 r／min。电机在此低速状态运行0．08 s，这时开始启动z脉冲计数。一旦出现z脉冲，系统马上对编码器AB正交脉冲计数：此处本应设定计数值为12才能到达定位点，然而由于电机在此速度惯性作用下停止会过定位点2个脉冲，所以此时只能够将计数器可计数值修正为10。一旦达到10，马上施加定位停午控制信号，那么加上惯性作用的2个脉冲正好停止在定位点．
3。2样机试验
实验样机采用IPc2103作为主控cPu。。图7给出系统实验样机相电压波形，电机在该控制器的驱动下可以稳定可靠的正常运行，并且成功地验证了本文所提定位停止方案的可行性。
4.结语
本文设计了一种基于无刷直流电机的高精度缝纫机控制系统，并对速度环节的PID进行了改进，提高了系统的综合性能和控制精度，并且配合使用本文所提的定位停车控制方式，使得系统能够实现智能化，刹车定位准确。
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