新型SVPWM算法在工業(yè)縫紉機(jī)中的應(yīng)用

彭 惠，何明華，王英俊，林 東

（1.福州大學(xué) 電氣工程與自動化學(xué)院，福建 福州 350108；2.福州大學(xué) 物理與信息工程學(xué)院，福建 福州 350108）

我國是世界公認(rèn)的縫紉機(jī)生產(chǎn)大國，工業(yè)縫紉機(jī)產(chǎn)量占世界總產(chǎn)量的50%以上。近年來，為提高服裝質(zhì)量和生產(chǎn)效率，生產(chǎn)廠家不僅在縫紉機(jī)的結(jié)構(gòu)上做了很大改進(jìn)，還逐漸采用性能更好的PMSM（永磁同步電機(jī)）調(diào)速系統(tǒng)替代傳統(tǒng)電機(jī)調(diào)速系統(tǒng)。

針對工業(yè)縫紉機(jī)的驅(qū)動控制系統(tǒng)，文中采用了一種新型SVPWM算法進(jìn)行控制。該算法相對于傳統(tǒng)的SVPWM算法，具有的優(yōu)點(diǎn)是無需進(jìn)行與扇區(qū)相關(guān)的判斷與計算，從而縮短了數(shù)字信號處理器的編程時間和程序運(yùn)行時間，可提高處理器工作效率。通過對永磁同步電機(jī)改進(jìn)型矢量控制的理論分析，建立相應(yīng)的仿真模型，經(jīng)過仿真分析，給出了一個能實(shí)現(xiàn)快速起停，上下停針，自動剪線等功能的高性能設(shè)計方案。

1 新型SVPWM算法

1.1 新型SVPWM理論分析

根據(jù)定子三相電壓定義的定子電壓空間矢量表達(dá)式如下：

電壓矢量在兩相靜止坐標(biāo)系中的分量uα，uβ與三相電壓分量 ua，ub，uc的關(guān)系如式（2）所示：

對于給定的電壓分量，采用下標(biāo)r表示，如Ur表示給定電壓空間矢量，ura，urb，urc分別表示給定的三相電壓分量，它們與Ur之間也滿足式（1）。

新型SVPWM算法是依據(jù)三相給定電壓計算逆變器各相上橋臂導(dǎo)通（即接通高電平）的時間 ti（i=a，b，c）。 若 uri是給定的三相電壓，tr為新型SVPWM的脈寬調(diào)制周期，且ud是逆變器直流回路電壓，則可按式（3）計算參考時間量tri。

由于存在 tri＜0 或 tri＞tr的情況，故式（3）計算的 tri不能真正用來表示每一相輸出高電平的時間，需按式（4）進(jìn)行一定的調(diào)整。

式（4） 將 tri加上時間偏移量 Δt以確保 0≤ti≤tr。當(dāng) Δt按式（3）得到的輸出波形較好。

經(jīng)式（4）修正后得到的ti即為三相電壓型逆變器每相接通高電平的時間，這就是新型SVPWM的原理。最后設(shè)置DSP中定時器T1工作模式為連續(xù)增減計數(shù)模式，并根據(jù)式（6）計算得T1中各比較單元的比較值Vi。

不難看出，新型SVPWM方法并未要求三相之間有協(xié)調(diào)的開關(guān)動作，它僅要求每一相上橋臂導(dǎo)通時間分別為就可滿足上述新型SVPWM原理，所以每一相的控制有較大的自由度。

1.2 新型SVPWM的仿真

根據(jù)前面介紹的新方法，利用Simulink仿真工具，建立新型SVPWM的仿真模型，如圖1所示。從圖中可以看出，仿真模型并不復(fù)雜，且進(jìn)行的都是一些很簡單的計算，從而大大的縮減了處理器運(yùn)行時間，提高了運(yùn)行效率。

2 系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)

2.1 系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)

系統(tǒng)硬件設(shè)計總體結(jié)構(gòu)上采用DSP+IPM的模式，包括控制電路、功率主回路、信號檢測及保護(hù)電路等，如圖2所示。系統(tǒng)圍繞DSP芯片搭建外圍電路后構(gòu)成圖中所示控制板，整流橋、濾波電容、逆變器等構(gòu)成系統(tǒng)的功率驅(qū)動電路，控制板與強(qiáng)電的功率驅(qū)動電路之間進(jìn)行了光電隔離。整個系統(tǒng)包含電流環(huán)和速度環(huán)兩部份。通過檢測電路的霍爾電流傳感器和光電編碼器得到電機(jī)的電流和速度反饋信息，由DSP實(shí)現(xiàn)控制算法并輸出SVPWM信號驅(qū)動IPM逆變器，實(shí)現(xiàn)PMSM旋轉(zhuǎn)，使縫紉機(jī)進(jìn)行縫紉工作。同時，DSP控制板與上位機(jī)通信，實(shí)時控制與顯示。

系統(tǒng)使用TI公司TMS320F2812作為核心處理芯片，該芯片具備32位定點(diǎn)處理單元。PMSM參數(shù)為：額定功率400 W，額定電壓 300 V，50 Hz，額定轉(zhuǎn)速 4 000 r/min，極對數(shù)為 4，額定轉(zhuǎn)矩為12 N·m。光電耦合部分采用了高速光耦合器6N137。功率驅(qū)動電路主要由整流和逆變兩部分組成。在整流部分，采用的是三相橋式整流模塊，逆變是用三菱公司的IPM PS21563模塊來實(shí)現(xiàn)。位置傳感器采用的是增量式光電編碼器。DSP控制板提供SCI串口通信接口與上位機(jī)通信，由SCIRXD引腳得到上位機(jī)傳來的數(shù)據(jù)，SCITXD引腳發(fā)送數(shù)據(jù)給上位機(jī)。

圖1 新型SVPWM的仿真模型Fig.1 Simulation model of new SVPWM

圖2 系統(tǒng)硬件圖Fig.2 Chart of hardware system

2.2 控制器軟件結(jié)構(gòu)

系統(tǒng)軟件編程是在TMS320F2812系列DSP上實(shí)現(xiàn)，采用C語言和匯編語言混合編寫。TMS320F2812主要負(fù)責(zé)對控制電路各環(huán)節(jié)的工作進(jìn)行協(xié)調(diào)、保護(hù)和監(jiān)督，需要參與大量的處理及計算工作，其實(shí)現(xiàn)的主程序流程圖如圖3（a）所示。

系統(tǒng)初始化主要包括DSP系統(tǒng)初始化、電機(jī)和控制器參數(shù)設(shè)置、變量初始化、PWM初始化、事件管理器初始化和定時器初始化等部分?？刂颇K由中斷處理模塊和各程序模塊組成，各程序模塊又由多個子程序模塊組成，包括電流采樣、轉(zhuǎn)子位置和轉(zhuǎn)速的求取、速度和電流的PI調(diào)節(jié)器、坐標(biāo)變換、新型SVPWM模型等。系統(tǒng)的采樣頻率為10 kHz，當(dāng)系統(tǒng)采集到電機(jī)三相定子電流中的兩相電流值后，首先經(jīng)過Clark變換得兩相靜止坐標(biāo)系下的電流值，然后把電流值進(jìn)行Park變換，得到當(dāng)前一拍在兩相轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系（即d-q軸）下的電流值。與此同時光電編碼器測量得到電機(jī)轉(zhuǎn)子位置和速度信息。將測量得到的轉(zhuǎn)速與給定轉(zhuǎn)速進(jìn)行比較，經(jīng)過比例積分（PI）調(diào)節(jié)，得到q軸參考電流。然后將q軸的實(shí)際電流與參考電流進(jìn)行比較，同時采取d軸電流參考值固定為0的控制方式，通過PI調(diào)節(jié)器運(yùn)算得到電機(jī)兩相轉(zhuǎn)子同步旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系下的電壓量。根據(jù)轉(zhuǎn)子位置信息進(jìn)行Park逆變換，得到電機(jī)兩相靜止坐標(biāo)系下的電壓量，再通過新型SVPWM算法計算出三相橋臂的導(dǎo)通時間。最后經(jīng)過三相逆變器驅(qū)動單元的驅(qū)動，電機(jī)就按給定的轉(zhuǎn)速進(jìn)行運(yùn)轉(zhuǎn)。

圖3（b）是新型SVPWM算法實(shí)現(xiàn)流程圖。由流程圖可以看出，相對于傳統(tǒng)SVPWM算法，新型SVPWM算法無需進(jìn)行給定電壓矢量所在扇區(qū)N計算，且在計算過程中無需按照N進(jìn)行表格查詢，計算量減小，耗時少。

3 仿真及結(jié)果分析

文中使用MATLAB/Simulink工具箱對工業(yè)縫紉機(jī)控制系統(tǒng)進(jìn)行仿真。實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ椭杏玫?PMSM參數(shù)具體為Rs=0.958 5 Ω，Ld=0.005 25 H，Lq=0.005 25 H，ψf=0.182 7 Wb，J=0.000 632 9 kg·m2，pn=4。實(shí)驗(yàn)?zāi)M實(shí)際運(yùn)行過程中遇到突發(fā)事件，負(fù)載轉(zhuǎn)矩增加時的工況，仿真時間為0.25 s。系統(tǒng)給定轉(zhuǎn)速為700 r/min，仿真結(jié)果如圖4、圖5所示。

0 s時電機(jī)處于靜止?fàn)顟B(tài)，給電機(jī)一個初始負(fù)載轉(zhuǎn)矩1 N·m，在0.1 s時負(fù)載轉(zhuǎn)矩突加到3 N·m。由圖4可知，負(fù)載突變時，電磁轉(zhuǎn)矩響應(yīng)迅速，能準(zhǔn)確穩(wěn)定在給定值。因?yàn)樗惴ㄟf推在估算轉(zhuǎn)速時需要一定時間，由圖5可知，電機(jī)起動時轉(zhuǎn)速雖有一定誤差，但經(jīng)過約0.03 s就穩(wěn)定在給定轉(zhuǎn)速，響應(yīng)速度較快。在0.1 s突加負(fù)載時，實(shí)際轉(zhuǎn)速有波動，隨后快速達(dá)到穩(wěn)定，動態(tài)性能較好，滿足系統(tǒng)要求。

圖3 程序流程圖Fig.3 Chart of program flow

圖4 電機(jī)轉(zhuǎn)矩曲線Fig.4 Electrical machine torque curve

圖5 電機(jī)轉(zhuǎn)速曲線Fig.5 Electrical machine speed curve

4 結(jié)束語

文中詳細(xì)介紹了新型SVPWM算法和MATLAB/Simulink中的新型SVPWM模型，建立了基于矢量控制的仿真模型。仿真結(jié)果表明：電機(jī)電磁轉(zhuǎn)矩的響應(yīng)時間很快，動態(tài)性能較好，轉(zhuǎn)速也能在很短時間內(nèi)達(dá)到穩(wěn)定，滿足系統(tǒng)性能的要求。同時通過介紹系統(tǒng)軟硬件的設(shè)計方案，實(shí)現(xiàn)了基于永磁同步電機(jī)改進(jìn)型矢量控制的工業(yè)縫紉機(jī)驅(qū)動系統(tǒng)的設(shè)計。

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