控制电机论文
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一、控制电机概述 在生产实际和日常生活中，各类普通电机的应用是非常广泛的，这些电机的主要任务就是实现机电能量转换，发电机把机械能转换为电能，电动机把电能转换为机械能，它们的核心问题是如何提高能量转换的效率。控制电机是自动控制系统中的一个元件，其主要任务是完成控制信号的传递和转换。 控制电机的种类众多，比较传统的有旋转变压器、自整角机、测速发电机、伺服发电机和步进电动机等，比较新颖的有无刷直流电动机、直线电动机和超声波电动机等。
（一）旋转变压器 旋转变压器是将角度信号转换成与其成某种函数关系的电压信号，从原理上看，旋转变压器相当于一台可以转动的变压器；从结构上看，旋转变压器相当于一台两相的绕线转子异步电动机。 其主要用途就是进行三角函数计算、坐标变换和角度数据传输等。按照输出电压与转子转角间的函数关系，旋转变压器可以分为正余弦旋转变压线性旋转变压器、特种函数旋转变压器等。燃气阀角度测量、真空室传送器角度位置测量等，都是采用旋转变压器。
（二）自整角机 自整角机是将转角变为交流电压或由转角变为转角的感应式微型电机，主要由发送机和接收机两部分组成，发送机负责转角信号的发送，接收机负责转角信号的接收或电压信号的输出。基本作用是实现机械角度的检测，角度信号的远距离传输、变换、接收和指示。 自整角机在随动系统中的应用非常广泛，主要是实现角度的传输、交换和指示，包括角位置的远距离指示和远距离定位等。例如，力矩式自整角机可方便地应用于水位远距离指示系统；控制式差动发送机可用于舰船雷达天线定位系统。
（三）测速发电机 测速发电机是一种把输入的转速信号转换成输出的电压信号的机电式信号元件，主要可分为直流测速发电机和交流测速发电机。 测速发电机广泛用于各种速度或位置控制系统。在自动控制系统中作为检测速度的元件，以调节电动机转速或通过反馈来提高系统稳定性和精度；在解算装置中可作为微分、积分元件，也可作为加速或延迟信号用或用来测量各种运动机械在摆动或转动以及直线运动时的速度。
（四）伺服电动机 伺服电动机的作用是把输入的电压控制信号转换成输出的角位移或角速度，可分为直流伺服电动机和交流伺服电动机。 直流伺服电动机按照励磁方式的不同，可分为电磁式和永磁式两种。直流伺服电动机具有运行特性好，控制灵活、方便的优点。交流伺服电动机包括异步伺服电动机和同步伺服电动机。交流伺服电动机结构简单，无电刷和换向器，不需要经常维护，而且效率高，相应快，速比大。
（五）微特同步电动机 同步电动机的转速不随负载和电压的变化而改变，稳态运行时，它的转子转速与定子电流的频率成正比。 交流伺服电动机，按照转子结构的不同，同步电动机主要可分为永磁式、磁阻式和磁滞式三种。这些微特同步电动机的共同特点就是转子上没有励磁绕组，取消了电励磁同步电动机的滑环和电刷，因而结构简单，运行可靠，维护方便，并且效率较高。目前，微特同步电动机广泛应用于需要恒速运行的遥控装置、无线电通信设备、高级音像制品和钟表行业。
二、基于伺服电动机在工业缝纫机控制系统中的应用 随着服装业的兴起，对缝制设备的需求量也越来越大。在不断追求缝制质量和速度的前提下，具有较高自动化水平的工业缝纫机越来越受到市场的青睐。目前，我国从事工业缝纫机研究和开发的力量薄弱，全自动高速缝纫机的研发和应用时间都很短，在产品档次、质量及使用的稳定性方面与国际先进水平存在一定的差距。因此，结合工程应用实际，开展工业缝纫机伺服控制系统的研发工作，具有重要的工程应用价值。 工业缝纫机伺服控制技术，采用速度、位置外环和电流内环，通过实时检测电机相电流，进行磁链轨迹控制，从而实现对电机的闭环控制，电压利用率得到提高，转矩脉动降低，噪声降低，控制性能大大提高。并且解决了电机的迟滞、抖动、齿谐波、超调等问题，针位控制又快又准，系统稳定性高。 工业缝纫机大部分功能的实现最终都需要依靠伺服电动机控制系统来完成，所以伺服系统的性能好坏是评价控制器性能的关键。
（一）工业缝纫机伺服控制系统组成 1、基本结构 工业缝纫机具有自动剪线、自动挑线、自动倒缝等功能。用户根据需要可以随时改变运行速度、调整缝制针数、切换缝纫模式。图1是工业缝纫机控制系统的结构图，它主要包括伺服控制器、功率驱动电路、电磁铁驱动电路、测量电路、脚踏板控制电路、机头定位器、伺服电机、操作面板等部分。
缝布运动
控制电路 电机位置传感
机头定位器 脚踏板传感器
功率电路 伺服电动机 缝纫机机头
脚踏板 操作面板
电磁铁驱动电路 电磁铁 连杆机构 控制系统 被控对象 图1 工业缝纫机系统结构图 （1）伺服控制电路
伺服控制电路是整个系统的核心。它的作用是产生6路PWM波形。面向操作者，接收设定的信息，显示运行的状况，驱动电磁铁，完成缝纫机的剪线、拔线、前后加固、抬压脚等动作。 （2）功率电路 功率电路包括两大模块: 一个是电源模块，220V的交流电经过变换后分别得到5V、15V、24V的电压；另一个模块是驱动模块，包括整流电路、滤波电路、驱动电路、保护隔离电路等。它的作用就是将220 V的交流电整流滤波成直流电源，接收从DSP输出的6路PWM信号，控制6个IGBT的导通与关断，从而得到电机所需的三相交流电。 （3）机头定位器电路 为保证工业缝纫机停机的一致性和准确性，伺服系统需要一个定位的硬件同步信号，因此采用一个定位器来实现上下停针的硬件同步。 （4）电磁铁驱动电路 电磁铁接收功率开关的信号指示，完成剪线、倒缝、抬压脚、自动剪线动作。 （5）脚踏板电路 在缝纫机系统中的作用是给电机提供起动信号、速度信号以及剪线、抬压脚信号。 （6）操作面板 操作面板提供人机接口，包括显示电路和键盘电路，可以设定缝纫模式，如最大速度、倒缝速度、是否自动剪线等，还可以设定当前的缝纫模式。操作面板和控制电路之间通过异步串行通信共享数据，控制电路接收操作面板发送的缝纫信息，而后对缝纫机进行控制，进而完成布料的各种缝纫。 （7）伺服电动机 伺服电动机是系统的主动机构，通过皮带带动缝纫机机头旋转完成各种功能和运行方式的缝纫。 2、伺服电动机的选择 工业缝纫机缝纫动作的动力来源于电动机，包括驱动主轴、针杆、挑线杆等往复运动和旋转运动部件。通过皮带轮，电动机的转动驱动缝纫机带轮转动，从而驱动整个部件完成缝制任务。目前工业缝纫机伺服电动机一般有涡流式、摩擦片式、电磁离合器电动机、混合式步进电动机、直流伺服电动机等。 由于工业缝纫机机头的机械结构是偏载的凸轮传动机构，而工业缝纫机在200 r /min ～ 5 000 r /min的范围内能够实现快速的加减速控制，且电机是与上轴直接安装的，本文选用伺服电动机作为工业缝纫机系统的动力源。 3、编码器的选择 电动机转子的实时位置信号与初始定位是伺服系统运行的基本条件，也是矢量控制解耦的必要条件。为了提高控制系统的精度，转子位置的检测选用增量式光电编码器。光电编码器具有精度高、测量范围广、体积小、重量轻、使用可靠等特点，广泛应用于工业用交流伺服电动机的位置检测。
（二）工业缝纫机伺服控制系统硬件软件的应用 1、硬件电路设计 工业缝纫机系统的硬件系统是220V交流电源、整流滤波电路、三相逆变器和PMSM 构成系统的功率电路，电流检测、速度位置检测电路和DSP控制器构成缝纫机伺服系统的主控制电路，键盘与显示电路、电磁铁驱动电路、脚踏板电路构成外围电路。其硬件电路如图3所示。交流220V电压经过整流滤波之后为三相逆变器提供稳定的直流电源，由DSP内置的PWM模块产生6路PWM信号直接输入功率驱动器IR2136，经过处理后驱动6只IGBT，产生SVPWM 信号，逆变器在SVPWM 调制下产生三相PWM 电压供给PMSM，PMSM 驱动工业缝纫机的机头进行缝纫工作。TMS320LF2406A 是一款高性能的数字信号处理器。控制电路中，电动机的U、V相电流信号经过霍尔电流传感器检测后进入DSP 的A/D 模块，该A/D 模块有两个独立的转换器，可以保证采集到的相电流是同时的，由DSP 完成电流的闭环控制。与PMSM 同轴的光电编码器产生用于检测电动机转子初始位置的Hall A、B、C 信号以及正交脉冲A、B 信号和Z 脉冲信号，为DSP 提供速度闭环控制信号，同时也进入DSP 的QEP 口，用于完成位置的闭环控制。缝纫机工作时，脚踏板的调速器给定永磁同步电动机的一个转速信号，机头定位器给定PMSM 运行的转数，并且配合各个功能电磁铁，完成定针缝、自由缝、商标缝等缝纫模式。 图3 系统硬件电路图 2、伺服系统软件设计 系统软件根据功能要求，按照模块化设计的思想，主要包括以下几个模块: 系统的初始化模块: 主要完成对各个控制寄存器预置初值，对运算过程中使用的各种变量分配地址并预置相应的初值，然后进入超级循环。 功能电磁铁模块: 根据系统要求，控制剪线电磁铁、倒缝电磁铁、扫线电磁铁等与机械结构配合协调完成相应的操作。 用户接口处理模块: 接收用户的按键信息并做相应的处理，包括LCD显示和键盘电路。 电机调速模块: 根据用户设定的速度以及脚踏板的控制信号，通过速度调节器完成速度的调节。 缝纫模式运行模块: 根据用户的设置选择特定的缝纫模式，可实现自缝、商标缝、固定针数缝及口袋缝。 错误信息处理模块: 处理系统出现的各种错误。为了提高系统的实时性，本
