0 引言
近年來(lái)，由于服裝加工業(yè)的迅速發(fā)展，加工企業(yè)對(duì)工業(yè)縫紉機(jī)的需求量不斷增加，并且對(duì)其性能也提出了越來(lái)越高的要求。永磁無(wú)刷電機(jī)是隨著電機(jī)控制技術(shù)、電力電子技術(shù)和微電子技術(shù)的發(fā)展而出現(xiàn)的一種新型電機(jī)，其最大特點(diǎn)是以電子換向線路替代了由換向器和電刷組成的機(jī)械式換向結(jié)構(gòu)，克服了電刷和換向器所帶來(lái)的一系列缺點(diǎn)，如噪聲，電磁干擾，換向火花，電磁磨損和可靠性差等，它既具有直流電機(jī)調(diào)速方便的優(yōu)點(diǎn)，又具有交流電機(jī)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，運(yùn)行可靠，維護(hù)方便等一系列優(yōu)點(diǎn)。另外，進(jìn)入20世紀(jì)90年代以后，控制技術(shù)尤其是控制理論發(fā)展十分迅猛，而借助于先進(jìn)的計(jì)算機(jī)技術(shù)這一強(qiáng)有力的物質(zhì)基礎(chǔ)，使得人們得以不斷嘗試著將一些先進(jìn)的控制策略、方法引入永磁無(wú)刷電動(dòng)機(jī)控制器，從而
推動(dòng)著永磁無(wú)刷電動(dòng)機(jī)朝著高智能化、柔性化、全數(shù)字化方向發(fā)展，使工業(yè)縫紉機(jī)從傳統(tǒng)的機(jī)械類產(chǎn)品向機(jī)電一體化產(chǎn)品發(fā)展。由數(shù)字信號(hào)處理器控制的永磁電機(jī)位置伺服控制系統(tǒng)有精度高，效率高，參數(shù)調(diào)整方便，可靠性高等優(yōu)點(diǎn)，成為這一領(lǐng)域的研發(fā)熱點(diǎn)。
1 永磁無(wú)刷電機(jī)的組成和工作原理
直流無(wú)刷電動(dòng)機(jī)的結(jié)構(gòu)原理如圖1 所示。所謂直流無(wú)刷電動(dòng)機(jī)，就其基本結(jié)構(gòu)而言，可以認(rèn)為是一臺(tái)電子開(kāi)關(guān)線路，永磁式同步電動(dòng)機(jī)以及位置傳感器三者組成的“電動(dòng)機(jī)系統(tǒng)”。電動(dòng)機(jī)本體在結(jié)構(gòu)上和永磁同步電動(dòng)機(jī)相似，但沒(méi)有籠型繞組和其他啟動(dòng)裝置。其定子繞組一般制成多相，轉(zhuǎn)子由永久磁鋼按一定對(duì)數(shù)組成。圖1中的電動(dòng)機(jī)本體為三相兩極。
三相定子繞組分別與電子開(kāi)關(guān)線路中相應(yīng)的功率開(kāi)關(guān)器件連接。當(dāng)定子繞組的某一相通電時(shí)，該電流與轉(zhuǎn)子永久磁鋼的磁極所產(chǎn)生的磁場(chǎng)相互作用而產(chǎn)生轉(zhuǎn)矩，驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)，再由位置傳感器將轉(zhuǎn)子磁鋼位置變換成電信號(hào)，去控制電子開(kāi)關(guān)線路，從而使定子各相繞組按一定順序?qū)?，定子相電流隨轉(zhuǎn)子位置的變化而按一定的次序換相，因而起到了機(jī)械換向器的換向作用。

永磁無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)的輸入電流可以是方波和正弦波。對(duì)于方波無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)，只需要簡(jiǎn)單的轉(zhuǎn)子位置信息，使用霍爾元件就可以滿足控制要求，控制簡(jiǎn)單，但是轉(zhuǎn)矩有一定脈動(dòng)。而對(duì)于正弦波無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)，則需要較為精細(xì)的位置信息，其位置傳感器通常較復(fù)雜，輸出轉(zhuǎn)矩平穩(wěn)無(wú)脈動(dòng)。
本文所設(shè)計(jì)的位置伺服系統(tǒng)采用正弦波無(wú)刷直流電機(jī)。正弦波永磁無(wú)刷電動(dòng)機(jī)在設(shè)計(jì)過(guò)程中使電動(dòng)機(jī)的電勢(shì)特性為正弦，相當(dāng)于傳統(tǒng)的永磁同步電動(dòng)機(jī)，只要電動(dòng)機(jī)的電流與轉(zhuǎn)子位置角成正弦關(guān)系，且三相對(duì)稱，使電動(dòng)機(jī)的電樞反應(yīng)磁勢(shì)軸線和電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子磁極的軸線相差90毅，就可以產(chǎn)生電磁轉(zhuǎn)矩拖動(dòng)轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)。
改變電機(jī)三相輸入電壓的大小就可以實(shí)現(xiàn)電機(jī)轉(zhuǎn)速的調(diào)節(jié)。
2 位置伺服系統(tǒng)控制框圖
縫紉機(jī)位置伺服控制系統(tǒng)是一個(gè)多變量，非線性，強(qiáng)耦合，大滯后的系統(tǒng)，要求系統(tǒng)具有很強(qiáng)的快速性與穩(wěn)定性，啟動(dòng)快，停車迅速。
采用速度、電流雙閉環(huán)控制以滿足位置伺服控制系統(tǒng)的高精度要求，方框圖如圖2所示。一般情況下，速度控制器采用PID控制，它的輸出為電流指令（直流量）。速度控制器的作用主要是為了能進(jìn)行穩(wěn)定的速度控制，以便其在定位時(shí)不產(chǎn)生振蕩。當(dāng)然，在伺服系統(tǒng)中，為了進(jìn)行位置控制，要求速度環(huán)能有快速響應(yīng)速度指令的能力，并對(duì)各種擾動(dòng)具有良好的抑制作用。電流控制器作為速度環(huán)的內(nèi)環(huán)，它在入口綜合電流指令信號(hào)和反饋信號(hào)，使電樞繞組中的電流在幅值和相位上都得到有效控制，完成與磁通矢量的正交或弱磁高速控制，電流控制器通常也采用PI 控制，要求它具有更高的快速性，以適應(yīng)對(duì)電流瞬時(shí)值跟蹤控制的要求。

3 位置伺服系統(tǒng)的硬件組成
采用永磁電機(jī)的數(shù)字位置伺服控制系統(tǒng)由電源模塊，功率模塊，控制模塊和電機(jī)本體構(gòu)成。其中，電源模塊將220 V交流電壓經(jīng)過(guò)整流橋轉(zhuǎn)換成可用的直流電壓，功率模塊采用三菱公司的智能功率模塊DIP-IPM，控制模塊以三菱公司M16C系列高檔單片機(jī)（M30624FGP）為核心?？傮w框架如圖3所示。
3.1 智能功率模塊DIP-IPM
三菱電機(jī)推出的第四代智能電源模塊DIP-IPM（Dual-in-line package Inbbbligent Power Modules），是針對(duì)家電和小型變頻器應(yīng)用對(duì)功率器件的要求（低成本、小型化、高可靠性、易使用等），在IPM成功的基礎(chǔ)上而開(kāi)發(fā)的，內(nèi)置三相交流輸出的IGBT逆變電路；只需一個(gè)+15V的驅(qū)動(dòng)電源；具有欠電壓保護(hù)和短路保護(hù)；采用雙列直插封裝；不采用任何光耦直接與單片機(jī)或其他PWM輸出端口耦合，從而省略至少6套隔離電路。1/4開(kāi)關(guān)頻率可達(dá)到15 kHz。
3.2 三菱M16C系列單片機(jī)
系統(tǒng)的核心———三菱M16C 族單片機(jī)是一種16位高檔單片機(jī)，它融合了基于寄存器型和基于存儲(chǔ)器型兩種結(jié)構(gòu)的優(yōu)點(diǎn)，從而能夠?qū)崿F(xiàn)類似RISC的高速處理性能。M16C 具有超低功耗、極強(qiáng)的抗干擾能力，片內(nèi)集成了10 位A轅D 轉(zhuǎn)換器、DMA控制器、異步通信通道、定時(shí)器等豐富的周邊功能電路模塊，總共100個(gè)引腳。這種單片機(jī)使用高效率的復(fù)雜指令，具有l(wèi) MB 的線性地址空間，能高速地執(zhí)行指令。還內(nèi)置有乘法器和DMAC，使其更適合于各種高速數(shù)據(jù)處理的應(yīng)用。
3.3 電流和位置傳感器
霍爾電流傳感器將永磁無(wú)刷電機(jī)的三相電流中的兩相采集轉(zhuǎn)換成一定范圍之內(nèi)的電壓信號(hào)，并經(jīng)過(guò)電壓箝位電路將正負(fù)范圍內(nèi)變化的電壓信號(hào)平移成大于零的電壓信號(hào)，從而提供給單片機(jī)處理范圍之內(nèi)的信號(hào)。位置傳感器的輸出信號(hào)經(jīng)過(guò)信號(hào)調(diào)理電路產(chǎn)生兩路相位相差90毅的脈沖，輸入單片機(jī)，從而實(shí)現(xiàn)位置和速度的計(jì)算。單片機(jī)根據(jù)控制策略進(jìn)行內(nèi)部計(jì)算，輸出電機(jī)三相電壓的驅(qū)動(dòng)信號(hào)，從而驅(qū)動(dòng)電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)，實(shí)現(xiàn)電機(jī)的啟動(dòng)，調(diào)速和定位控制。
4 位置伺服系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)
M16C 的計(jì)數(shù)器對(duì)位置傳感器的輸出脈沖進(jìn)行加減計(jì)數(shù)，通過(guò)計(jì)算得到電機(jī)的速度。A/D轉(zhuǎn)換口將電流傳感器輸出的模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換為可用的數(shù)字信號(hào)。速度PI調(diào)節(jié)器和電流PI調(diào)節(jié)器以及制動(dòng)定位的控制均由單片機(jī)中斷完成，且M16C 具有三相馬達(dá)控制模式，電流PI 調(diào)節(jié)器的輸出轉(zhuǎn)換為三相PWM脈沖信號(hào)。主程序的流程圖如圖4所示。

4.1 轉(zhuǎn)子初始位置的檢測(cè)
當(dāng)控制系統(tǒng)剛剛通電，電機(jī)尚未運(yùn)行時(shí)，系統(tǒng)即開(kāi)始測(cè)量轉(zhuǎn)子的初始位置。在此過(guò)程中只允許轉(zhuǎn)子有微小的抖動(dòng)，并且很快回歸原位。系統(tǒng)只有位置環(huán)和電流環(huán)處于工作狀態(tài)，速度環(huán)處于開(kāi)環(huán)狀態(tài)。具體分析過(guò)程可由圖5簡(jiǎn)要說(shuō)明。

開(kāi)始時(shí)，轉(zhuǎn)子磁勢(shì)為Fr方向與轉(zhuǎn)子位置相同，首先給電機(jī)通以三相對(duì)稱的正弦電流，得到一個(gè)任意位置的定子合成磁勢(shì)Fx（開(kāi)始時(shí)Fx為零），保持Fx幅值不變，逐漸增加Fx與初始位置的夾角酌，使酌從0增加到360毅，若電機(jī)轉(zhuǎn)子不發(fā)生轉(zhuǎn)動(dòng)則增加Fx的幅值，即增加相電流的幅值，酌再次從0開(kāi)始增加，如此循環(huán)。一定大小的定子合成磁勢(shì)，與轉(zhuǎn)子磁勢(shì)相差90毅時(shí)產(chǎn)生的電磁轉(zhuǎn)矩最大，因此當(dāng)Fx的幅值增加到某一個(gè)臨界值Ft時(shí)，只要Fx與轉(zhuǎn)子磁勢(shì)相差90毅，電機(jī)轉(zhuǎn)子就會(huì)發(fā)生轉(zhuǎn)動(dòng)。一旦檢測(cè)到轉(zhuǎn)子發(fā)生微小的轉(zhuǎn)動(dòng)，立刻將相電流降為零，轉(zhuǎn)子就不會(huì)繼續(xù)轉(zhuǎn)動(dòng)。這樣就實(shí)現(xiàn)了電機(jī)轉(zhuǎn)子初始位置的檢測(cè)。本系統(tǒng)中的永磁無(wú)刷電機(jī)采用的位置傳感器一周期內(nèi)產(chǎn)生的脈沖個(gè)數(shù)為400個(gè)，即代表0到400的位置信號(hào)。那么增加定子合成磁勢(shì)的角度酌，只要增加測(cè)試位置信號(hào)的大小即可。
4.2 PID調(diào)節(jié)器和電流預(yù)估
速度和電流調(diào)節(jié)器的設(shè)計(jì)，直接影響到電機(jī)運(yùn)行的效果。工業(yè)縫紉機(jī)系統(tǒng)是一個(gè)非線性復(fù)雜系統(tǒng)，因此本文在傳統(tǒng)PID 調(diào)節(jié)的基礎(chǔ)上結(jié)合了模糊控制，根據(jù)電機(jī)運(yùn)行狀態(tài)實(shí)時(shí)調(diào)整PID參數(shù)，從而使電機(jī)運(yùn)行更為理想。
為了消除電流反饋時(shí)由于系統(tǒng)處理時(shí)間產(chǎn)生的滯后，系統(tǒng)采用了電流的預(yù)估，預(yù)估時(shí)間正好抵消滯后環(huán)節(jié)的影響。根據(jù)泰勒定理，得到電流預(yù)估公式為

根據(jù)式（1）即可由當(dāng)前載波周期和前兩個(gè)載波周期的電流值預(yù)估出下一個(gè)載波周期的電流值。
5 實(shí)驗(yàn)結(jié)果
根據(jù)以上原理，設(shè)計(jì)位置伺服控制系統(tǒng)的硬件電路以及軟件編程，電機(jī)空載時(shí)轉(zhuǎn)速可達(dá)4 500 r/min。電機(jī)帶縫紉機(jī)負(fù)載時(shí)運(yùn)行穩(wěn)定，定位準(zhǔn)確。圖6是電機(jī)轉(zhuǎn)速為4 000 r/min時(shí)W相的電流波形。
6 結(jié)語(yǔ)
本文采用的永磁電機(jī)數(shù)字位置伺服控制系統(tǒng)充分利用了永磁電機(jī)的優(yōu)點(diǎn)和三菱M16C系列單片機(jī)的資源，實(shí)現(xiàn)了PID 調(diào)節(jié)，PWM算法和定位控制程序，使工業(yè)縫紉機(jī)的控制更為簡(jiǎn)單可靠。

作者簡(jiǎn)介：

    胡垚（1984-），女，碩士研究生，就讀于中山大學(xué)物理學(xué)與工程技術(shù)學(xué)院電力電子與電力傳動(dòng)專業(yè)，主要研究方向?yàn)殡姍C(jī)控制技術(shù)。

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