0引言

隨著服裝行業(yè)的發(fā)展，服裝的制作工藝日趨復(fù)雜，制作效率要求越來(lái)越高。而傳統(tǒng)的工業(yè)縫紉機(jī)一般采用滑差調(diào)速的單相感應(yīng)電動(dòng)機(jī)作為驅(qū)動(dòng)部件，系統(tǒng)存在著效率低、體積大、調(diào)速范圍窄和位置控制精度低等缺點(diǎn)，已不能滿足日益發(fā)展的需要。永磁同步電動(dòng)機(jī)（以下簡(jiǎn)稱PMSM）伺服控制系統(tǒng)憑借其能夠克服上述缺點(diǎn)的優(yōu)勢(shì)在工業(yè)縫紉機(jī)中正得以廣泛應(yīng)用。本文在介紹逆變器一工業(yè)縫紉機(jī)伺服系統(tǒng)的組成和功能工藝的基礎(chǔ)上，分析了PMSM矢量控制的調(diào)速原理，共模電壓zui小的SVPWM調(diào)制算法，并在MATLAB／sIMuuNK環(huán)境下對(duì)整個(gè)系統(tǒng)給予了全面的仿真分析。zui后，利用TMS320F2801作為工業(yè)縫紉機(jī)伺服系統(tǒng)的控制芯片進(jìn)行了試驗(yàn)研究。

1工業(yè)縫紉機(jī)系統(tǒng)的構(gòu)成

工業(yè)縫紉機(jī)交流伺服系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)如圖1所示。

其中，220 V交流電源、整流橋、濾波電容、制動(dòng)電路、逆變器和PMSM構(gòu)成系統(tǒng)的功率電路；電流檢測(cè)、速度位置檢測(cè)和DSP控制器構(gòu)成控制回路，顯示與鍵盤(pán)和各種功能電磁閥構(gòu)成外圍電路。交流220 V電壓經(jīng)過(guò)整流濾波后得到穩(wěn)定的直流電源供給逆變器，逆變器在SVPWM調(diào)制下產(chǎn)生三相PWM電壓供給PMSM，PMSM驅(qū)動(dòng)工業(yè)縫紉機(jī)的機(jī)頭進(jìn)行縫紉工作?？刂齐娐分校妱?dòng)機(jī)的y相、Ⅳ相電流信號(hào)經(jīng)霍爾電流傳感器檢測(cè)后進(jìn)人DSP的A／D口，由DSP完成電流的閉環(huán)控制。用于檢測(cè)電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)子位置的編碼器采用復(fù)合式的光電編碼器，它是一種帶有簡(jiǎn)單磁極定位功能的增量式光電編碼器，它輸出兩組信息：一組是三路彼此相差120。且占空比為O．5的三路脈沖信號(hào)U、V、W，用于檢測(cè)轉(zhuǎn)子磁極位置，帶有信息功能；另一組與增量式光電編碼器相同，輸出正交方波脈沖A、B信號(hào)。該信號(hào)進(jìn)入DSP，DSP根據(jù)檢測(cè)到的A脈沖或B脈沖計(jì)算得到零脈沖z信號(hào)，實(shí)現(xiàn)電動(dòng)機(jī)的速度和位置閉環(huán)。縫紉機(jī)工作時(shí)，腳踏板調(diào)速器給定PMSM一個(gè)轉(zhuǎn)速信號(hào)，機(jī)頭定位器給定PMSM運(yùn)行的轉(zhuǎn)數(shù)，并配合各個(gè)功能電磁閥，完成定針縫、自由縫、口袋縫等縫紉工藝。

2 PMSM矢量控制原理

對(duì)于轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)為凸極式的PMSM，在假設(shè)磁路不飽和、忽略磨擦、磁滯和渦流損耗影響，空間磁場(chǎng)成正弦分布的條件下，得到永磁同步電動(dòng)機(jī)在abc靜止坐標(biāo)系下的電壓方程[3-4]:

式中：Ua、Ub、Uc為三相定子繞組的電壓，ia、ib、ic。為三相定子繞組的電流，R為每相定子繞組的電阻，Ld=Lq=L為交軸和直軸電感，LM為繞組問(wèn)的互感，p為微分算子為電動(dòng)機(jī)角速度，Ke為電壓常數(shù)，θ為轉(zhuǎn)子位置角，即轉(zhuǎn)子與a相軸線的夾角。

式（1）經(jīng)αβ、dq坐標(biāo)變換可得dq旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系下的電壓方程為：

式中：p為電動(dòng)機(jī)極對(duì)數(shù)，對(duì)于凸裝式的轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)，Ld=Lq，可以得到線性方程：



上式表明，PMSM產(chǎn)生的電磁轉(zhuǎn)矩與其交軸電流成正比，和直流電動(dòng)機(jī)的數(shù)學(xué)模型*一樣。

3共模電壓zui小的SVPWM調(diào)制算法

典型的三相逆變器一電動(dòng)機(jī)電路如圖2所示。電動(dòng)機(jī)的共模電壓又叫零序電壓，是指電機(jī)定子繞組中心點(diǎn)和地之間的電壓。共模電壓主要會(huì)對(duì)電機(jī)絕緣造成損害，同時(shí)還會(huì)產(chǎn)生高頻漏電流對(duì)電機(jī)軸承造成“電蝕”，從而損壞軸承。另一方面，電動(dòng)機(jī)變頻運(yùn)行時(shí)，由于功率器件的開(kāi)關(guān)導(dǎo)致電動(dòng)機(jī)繞組的共模電壓急劇變化，即dv/dt相當(dāng)高，導(dǎo)致EMI噪聲，對(duì)電動(dòng)機(jī)的運(yùn)行有害。因此，降低共模電壓是十分必要的。

根據(jù)電動(dòng)機(jī)的電壓和電流方程可以得出電動(dòng)機(jī)的共模電壓表達(dá)式[5-6]：

式中：van為電動(dòng)機(jī)的共模電壓，vbn、vcn、van分別為逆變器輸出的a、6、c三相電壓。不同開(kāi)關(guān)狀態(tài)下相電壓和共模電壓的幅值如表1所示。

由表l可知，在零矢量作用時(shí)，共模電壓的幅值為,在非零矢量作用時(shí)，共模電壓的幅值為如果采用不含零矢量的SVPWM調(diào)制算法實(shí)現(xiàn)矢量控制，則能夠降低電動(dòng)機(jī)的共模電壓，改善電動(dòng)機(jī)的運(yùn)行狀況。

以第1扇區(qū)為例說(shuō)明共模電壓zui小的SVPWM調(diào)制算法。如圖3所示，Vref為需要合成的空間電壓矢量。在傳統(tǒng)的sVPwM調(diào)制算法中，有：



式中：T為PwM開(kāi)關(guān)周期，T1為V1作用時(shí)間，T2為V2作用時(shí)間，T0為零矢量V0或V7作用時(shí)間。為了

降低共模電壓，采用不含零矢量的SVPWM調(diào)制算法。有兩種方法可以實(shí)現(xiàn)：

（1）在T0的時(shí)間里，與兩個(gè)有效矢量V1、V2方向相反的兩個(gè)矢量V4、V5分別作用,同時(shí)V1、V2延長(zhǎng),這樣所合成的電壓空間矢量仍然等于兩有效矢量的合成。但是，由于相反矢量V1和V4、V2和V5轉(zhuǎn)換時(shí)需要三個(gè)功率開(kāi)關(guān)同時(shí)動(dòng)作，增加了開(kāi)關(guān)損耗。因此本文不采用這種方法，而采用第二種方法。

（2）在T0的時(shí)間里，采用與兩個(gè)有效矢量相鄰的兩個(gè)空間電壓矢量V3、V6分別作用T0/2的時(shí)間進(jìn)行合成.則式（6）變?yōu)?



式中：V3、V6大小相等、方向相反，作用時(shí)間相等，所以它們合成的空間電壓矢量為零?？臻g電壓矢量作用順序如圖3所示。其他扇區(qū)SVPWM算法類似。圖3中，空間電壓矢量的作用順序?yàn)閂3—V2—V1-V6-V6—V1一V2—V3。與傳統(tǒng)的SVPWM調(diào)制算法一樣，開(kāi)關(guān)組合改變時(shí)只有一個(gè)功率管動(dòng)作，保證了切換過(guò)程中開(kāi)關(guān)損耗zui小。同時(shí)，該SVPWM算法由于沒(méi)有零矢量作用，因此電動(dòng)機(jī)的共模電壓小于傳統(tǒng)SVPWM調(diào)制算法時(shí)的共模電壓值。

4工業(yè)縫紉機(jī)系統(tǒng)的仿真和試驗(yàn)

4．1工業(yè)縫紉機(jī)系統(tǒng)的仿真

根據(jù)上述分析，在MATLAB／SIMULINK環(huán)境下建立了工業(yè)縫紉機(jī)交流伺服系統(tǒng)的仿真模型。PMSM的參數(shù)為：額定輸入電壓：Ac220 V；額定電流：3.5 A；zui大連續(xù)功率：550 w；額定轉(zhuǎn)速：5 000 r／min；連續(xù)額定轉(zhuǎn)矩：1．1 N·m；極數(shù)：4；定子線圈電阻：1．6 Ω／相；轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動(dòng)慣量：O．071×10-3kg·m2；d（qV7）軸自感：2．356 55 mH；勵(lì)磁磁通：0．073 Wb。逆變器開(kāi)關(guān)頻率為5 kHz，負(fù)載轉(zhuǎn)矩為l N·m。

共模電壓zui小的sVPWM調(diào)制算法的仿真結(jié)果如圖4所示。圖4a和4b分別為含有零矢量V7和為不含零矢量的SVPWM調(diào)制時(shí)2個(gè)開(kāi)關(guān)周期內(nèi)的共模電壓波形。從圖中可以看出，含有零矢量K的SVPWM調(diào)制時(shí)的共模電壓幅值為矢量的SVPWM調(diào)制時(shí)的共模電壓幅值為降低了電動(dòng)機(jī)的共模電壓，與理論分析相一致。

工業(yè)縫紉機(jī)系統(tǒng)伺服性能的仿真波形如圖5所示。通過(guò)鍵盤(pán)給定縫紉針數(shù)為10，即PMSM轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)10周，給定位置θr=10×2πxp=125．6 rad（p為電機(jī)的極對(duì)數(shù)，這里取2），同時(shí)腳踏板給定PMSM轉(zhuǎn)速為800 rad／s。由圖、5b可見(jiàn)，PMSM迅速起動(dòng)后速度穩(wěn)定運(yùn)行在給定值，當(dāng)檢測(cè)到位置角度達(dá)到給定值的百分之90左右時(shí)開(kāi)始減速，電動(dòng)機(jī)減速至零時(shí)位置達(dá)到給定值，實(shí)現(xiàn)了定位。

4．2工業(yè)縫紉機(jī)系統(tǒng)的試驗(yàn)

我們以TI公司生產(chǎn)的數(shù)字信號(hào)處理器TMS320F2801作為控制芯片，常州市圣博電器有限公司生產(chǎn)的永磁同步電動(dòng)機(jī)（型號(hào)為80SWYl02）作為工業(yè)縫紉機(jī)的驅(qū)動(dòng)單元，利用L818F系列的高速單針自動(dòng)剪線平縫機(jī)進(jìn)行了試驗(yàn)研究。PMSM的參數(shù)與上述仿真模型中PMSM的參數(shù)相同。工業(yè)縫紉機(jī)在自由縫時(shí)PMSM線電流和共模電壓有效值的波形如圖6所示，電流有效值為2．47 A，共模電壓有效值約為50 V。

5結(jié)語(yǔ)

在分析PMSM矢量控制的調(diào)速原理和共模電壓zui小的SVPWM調(diào)制算法基礎(chǔ)上，利用MATLAB／SIMULINK建立了工業(yè)縫紉機(jī)交流伺服系統(tǒng)的仿真模型，并利用TMS320F2801作為控制芯片進(jìn)行了試驗(yàn)研究。仿真和試驗(yàn)結(jié)果與理論分析相一致，為進(jìn)一步設(shè)計(jì)工業(yè)縫紉機(jī)交流伺服系統(tǒng)，改善系統(tǒng)的電磁兼容性打下了基礎(chǔ)。