解读采用DSP工业电机控制系统电路_电动机控制电路图讲解

电路图简介： 根据工业缝纫机的性能，提出了一套DSP永磁同步电机控制系统控制系统。

根据工业缝纫机的性能，提出了一套以DSP永磁同步电机控制系统控制系统。详细介绍了其关键部件的功能和实现方法，设计了电路原理图，完成了系统软硬件设计和系统安装；并测试了原型系统的性能。很好地实现了系统的调速范围宽、定位精度高的要求，增强了产品的市场竞争力。传统的工业缝纫机，主轴驱动大多采用离合器电机，缝纫过程中的动作依靠机械和人工合作，效率低、体积大、调速范围窄、位置控制困难、自动化程度低。另一方面，传统的工业缝纫机，由于主轴驱动离合器电机，无论机器是否处于缝纫状态，电机一直在高速运行，无法实现机器运行时的缝纫动作，机器停止时没有缝纫动作，造成大量的电力浪费。

系统设计完成了电控缝纫机的整体技术方案，是完成电控缝纫机设计最关键的步骤。电控系统主要包括控制器、驱动器、电机、编码器、传感器、电磁铁等部件，系统框图如图1所示。

控制器

图1控制器作为工业缝纫机控制系统的核心，一方面产生伺服电机驱动信号，给驱动控制缝纫机完成针，完成各种线路控制功能，另一方面产生开关信号到电源开关电路，完成缝纫机剪切、线、前后加固、压脚等动作。控制器的动作需要参与电机编码器信号、机头同步信号、踏板加减信号、电机电流传感器信号等信号的操作，以协调整机完成相应的动作。控制器的硬件电路如图2所示。

控制器主体核心采用TMS320F2406 DSP（U4)编程永磁同步电机的磁场定向控制。永磁同步电机磁场定向控制的原理框图如图3所示。

图3 永磁同步电机磁场定向控制的原理框图

逆变器输出的定子电流通过电流传感器测量iA、iB，经过DSP的A/D转换器转换成数字量，并使用它iC=-（iA iB）计算出iC。通过Clarde变换将电流iA、iB、iC转换为旋转坐标系中的直流分量isq、isd，isq、isd负反馈作为电流环。用增量编码器测量电机的机械转角位移qm，并将其转换为电角qe和转速n。电角度qe用于参与Park计算变换和逆变换。速度n作为速度环的负反馈。给定转速nref通过速度反馈度反馈N的偏差PI调节器的输出作为转矩控制电流q轴的参考分量isqref。isqref和 isdref(等于零)与电流反馈isq、isd偏差通过电流PI分别输出调节器dq旋转坐标系的相电压分量Vsqref和Vsdref。 Vsqref和Vsdref再通过park逆变换转换成a b直角坐标系定子相电压矢量的重量Vsaref和Vsbref。当定子相电压矢量的重量Vsaref、Vsbref当风扇区数已知时，可以使用电压空间矢量SVPWM技术，产生PMW控制逆变器的信号。

驱动器

驱动器是系统的功率变换部分，是驱动电机运行的关键部分，包括整流、逆变、前驱、SVPWM驱动输出、电流检测和各种保护功能。如图4所示。电流环的操作需要DSP检测电机相电流 ，系统设计只需收集两相电流(图3中iA，iB），根据电流定理就可以知道第三相的电流了。本系统采用电流传感器LEM(莱姆)公司LTS6-NP，如图4中U2，U三是霍尔型电流传感器。图4中的IR2136（U1）是IR公司的高压IGBT它从驱动器中接受DSP的6路PWM处理后驱动图4中6个信号IGBT（Q1-Q6），产生SVPWM为了达到理想的伺服控制性能，控制永磁同步电机的运行。

编码器

没有编码器，永磁同步电机的精确控制是的，DSP只有对编码器A、B信号及U、V、W只有检测和计算信号，才能完成电机对整个系统的精确控制。另一方面，只有自己设计制作编码器，才能将价格降到最低。图5为编码器硬件图，U1（HEDS9701）采集A、B信号，PH-U、PH-V、PH-W检测三个光电开关U、V、W信号，它们与码盘一起装在电机内，检测电机转速、判断转子位置，并将采集信号送给DSP。DSP（TMS320F2406)内部有正交编码模块，从编码器输出的正交信号输入DSP的PHASEA引脚和PHASEB引脚，内部正交编码模块对信号进行四倍频率，然后由位置计数器计数，以确定转子的速度和位置。

PHASEA和PHASEB输入信号必须首先通过干扰信号滤波器，可以延迟数字，过滤毛刺，确保只有真实信号才能计数。同时，只有单个信号的控制才能配置为单个脉冲计数。通过计算每个单位时间内位置计数器的变化值，可以获得高速转轴编码器的转轴速度。当电机低速时，由于输入PHASEA和 PHASEB连接到通用定时器可作为输入捕捉引脚，可利用定时器测量正交相位之间的时间周期，以获得高分辨率的速度测量。定时器模块使用16位计数器通过总线时钟的分频进行计数。对于1000齿的编码器，使用定时器测量速度可以准确测量0.15转每分。

机头同步定位器

编码器是装在电机里，而机头同步定位器则是装在机头里，它们均属于传感器的范畴。微机控制缝纫机的一个重要指标是停机位置的准确性，包括上针位置和下针位置的停机。因此，缝纫机必须在这两个位置发出信号，DSP机头同步定位器的主要功能是通过检测这两个信号来控制电机停止。此外，电机运行通过皮带与机头连接传动，皮带可能会打滑。只有结合电机编码器信号和机头同步信号，才能准确判断系统状态，确保系统处于最佳状态。上下针位信号的产生主要依靠安装在机头上的两个极性相反的磁铁（随电机旋转），对两个相反的开关霍尔传感器（固定），即每个磁铁只对应一个传感器。当机头旋转到上针或下针位置时，相应的开关霍尔传感器产生输出跳变，即所需的开关信号，即机头同步信号。我们选用Allegro公司的U3144，应用方便，性能稳定。

缝纫机控制系统已成功开发并小批量生产。从实际使用效果来看，控制技术实现了缝纫机针位控制的快速准确性，保证了高低速运行的稳定性，使缝纫机具有自动剪切、自动拨号、自动前后加固的功能。基于DSP磁场定向控制技术用于缝纫机电气控制系统的突破。其成功发展的意义不仅在于工业缝纫机电气控制系统的高性能，而且在其他类型的缝纫纺织设备中演变，以实现针位控制的快速性和准确性。

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