工业缝纫机系统设计课程设计说明书(编辑修改稿)

工业缝纫机系统设计课程设计说明书(编辑修改稿)内容摘要：

度， T 为力矩。 和 的功率关系为 式中 为效率系数 (齿轮、皮带传动：近似 )。 根据上式换算得电机轴上负载转矩为 C. 电机最大转矩 其中，是负载的近似转动惯量， 是电机的转动惯量，与电机转子的尺寸和质量有关。 BLDCM TM9004 型号 A0421 极数 P 4P / 8P 功率 W 400 额定力矩 Nm Kgcm 启动力矩 Nm Kgcm 哈尔滨工业大学 自动控制元件及线路课程设计说明说明书 13 电机选型 经过上面的计算可知，电机的选择要满足额定转速与最大转矩的要求，此外，额定力矩也要满足一定条件。 根据经验，缝纫机电机的额定力矩一般为：夏装、薄布料 左右，冬装、厚布料、鞋类要求 左右。 根据这些限制条件，可以进行电机的选型。 我们查找了几家公司的不同种类的无刷直流电机，分别计算转动惯量，然后带入最大转矩公式进行验证，最后选取的型号是 韩国 WOOJIN SERVO 公司的 TM9004 系列的 A0421直流无刷电机，电机如图所示，右表是该电机的参数表。 下面是我们对该电机性能指标验证的过程。 A． 最大转矩（启动转矩）验证 右图是电机的零件图。 近似认为转子的半径为电机定子半径的一半，结合零件图上的尺寸标注，可以求得电机转子的质量为 进而由圆柱体的转动惯量公式可得电机近似转动惯量为 代入最大转矩公式可得 电压 V 24 电流 A 转速 RPM 2020 绝缘等级 B 重量 Kg 3 环境 20℃ ~ 40℃ / 20 ~ 80% RH 表 电机参数表 图 TM90电机 图 电机局部零件图 哈尔滨工业大学 自动控制元件及线路课程设计说明说明书 14 B． 额定转矩验证 电机的额定转矩关系到电机能否在该力矩下连续运行，而不超过温度限制。 右图是电机连续运行时的转速曲线与转矩曲线，在这里，我们以 作为机针上下运动一次的时间，在每个 内，前25ms 是机针在布料上方，中间 50ms 是机针在布料中运动，后 25ms 是指针重新回到布料上方。 在这一过程中，转速与力矩均会发生如图所示的波动，但是如果是近似计算的话，这一波动影响很小，可以把 时间内的运动看作恒转矩运动，转矩大小为 这是因为，仅仅在机针刚接触布料是转矩会有大的变化，之后机针已经把布料穿透，转矩和 相差不大，因此可以这样近似计算。 首先计算启动力矩，根据之前的计算可得 然后是制动力矩，制动阶段的加速度 则 设缝纫机的平均每 6s 停车一次，即单次工作 200 针，然后歇停 ，则 图 电机连续运行 哈尔滨工业大学 自动控制元件及线路课程设计说明说明书 15 参照表 ， TM90— A0421 电机的起动转矩是 ，满足 200ms内快速启动的需求；额定转速为 2020 rpm ，满足之前计算所得的 3000 sti/min 的缝纫速度需求。 同时，此电机的额定转矩为 ，除了鞋类、皮革和厚料，普通的中厚布料都可以缝纫。 图 电机零件图 哈尔滨工业大学 自动控制元件及线路课程设计说明说明书 16 综合来看，此电机符合性能指标需求。 下图是此电机的零件图。 驱动方案 桥式逆变电路 首先，直流无刷电机要有配套的逆变电路来实现基本的换相功能，本电机是三相电机，采用星形接法，而且是二相导通六状态工作，因此逆变电路共有三路桥。 在逆变电路中，我们采用 NTD32N06型号的 MOSFET 功率管，它是专门为低压、高速切换的工作场合设计，常用于电机控制和桥式电路设计。 NTD32N06 的的基本参数如又图所示。 其漏极允许加最大电压为 60V，允许的最大电流是 32A，可以驱动我们选择的电机。 图 NTD32N06 型号 MOSFET 图 MOSFET桥式逆变电路 哈尔滨工业大学 自动控制元件及线路课程设计说明说明书 17 为了使 BLDC 电机速度可变，必须在绕组的两端加可变电压。 利用 PWM 控制技术，通过控制 PWM 信号的不同占空比，则绕组上平均电压可以被控制，从而控制电机转速。 在控制系统中采用 DSP 或单片机时，可利用器件中的 PWM 产生模块产生 PWM 波形。 然后 根据转速要求设定占空比， 输出 6 路 PWM 信号，加到 6 个功率管上。 驱动芯片 Vishay 公司生产的三相无刷直流电动机控制器 SI9979，是无刷直流电动机的专用控制芯片，其内部集成的 MOSFET 驱动电路使其可以容易地驱动 N沟道的三相桥 式 电路 ， 同时它采用了 7mmSQFP 封装，可以简 化驱动电路并减小电路尺寸，降低成本。 SI9979 为无刷电动机控制提供诸如控制信号输入、产生换向逻辑、门驱动输出和保护电路等一些功能。 下图是此芯片的电路模块图。 下面对此芯片进行简要介绍。 首先，供电电压 V+的范围是 20V 40V，逻辑电压VDD=16V，内部参考电压 VREF=，如下是对图中比较重要的引脚进行的说明： Pins 13： INA, INB, INC 换相传感器输入 图 SI9979芯片电路模块图 哈尔滨工业大学 自动控制元件及线路课程设计说明说明书 18 Pin 4: 60/120 传感器 60176。 分布与 120176。 分布片选 Pin 6: F/R (Forward/Reverse) 电机转向片选 Pin 7: QS (Quadrature Select) 选择低端 MOSFET响应 PWM信号或低端和高端一起响应PWM 信号 Pin 8: PWM PWM 信号输入端口 Pin 9: BRK 刹车片选端口 Pin 11: FAULT 错误指示端口 Pin 17: RT/CT 过流关断定时 RC 端口 Pin 19: IS+ 过流检测端口 Pin 25: GBC C 相低端 MOSFET 的栅极驱动（ 16V/） Pin 26: GTC C 相高端 MOSFET 的栅极驱动（ 16V/） Pin 25: SC C 相高端 MOSFET 的负电源 Pin 25: CAPC C 相高端 MOSFET 的正电源（ 55V） 从上面的电压输出可以看出，此芯片和我们之前选择的 NTD32N06 型号 MOSFET 可以搭配使用，下图是 SI9979 与逆变电路的实际连接图。 图 SI9979 与逆变电路连接图 哈尔滨工业大学 自动控制元件及线路课程设计说明说明书 19 MOSFET 电路的低端可以被 Si9979 的低端输出信号 （ GB*） 直接驱动 ， 该信号在 Si9979的内部通过上拉电阻上拉到 VDD（ 16V）。 MOSFET的高端不能被 Si9979的输出直接驱动 ，Si9979 的高端输出信号通过其内部的浮动电路 （自举电路） 驱动 MOSFET的高端。 一旦MOSFET 低端导通 ， 浮动电路的电容开始充电并在低端导通时保持到 VDD， 当 MOSFET低端截止时 ， 该端输出可以驱动 MOSFET 高端。 驱动框架 在控制系统中， DSP 通过对传感器返回的位置、速度、力矩信号进行处理，产生相应的PWM、方向和刹车控制信号，然后传递给 Si9979 驱动板，实现对无刷直流电动机的驱动。 此外， Si9979 电动机换向逻辑是根据三个霍尔元件返回的位置信号确定的，从而实现无刷电动机的无接触换向。 由于 Si9979 内部逻辑变换需要数字输入，因此电动机输出霍尔位置信号需要在输入 Si9979 之前转换成 TTL兼容的方波信号。 由于无刷电动机霍尔位置传感器输出为模拟信号，而 Si9979 要求输入信号与 TTL兼容，即数字信号，因此我们采用了光耦隔离电路，从而使比较电路的输出与 Si9979 的 TTL 输入信号端隔开，保证系统设计的抗干扰能力，同时也满足提升霍尔方波输入信号电压的要 求。 上述过程的电路结构如下图所示。 图 驱动方案 哈尔滨工业大学 自动控制元件及线路课程设计说明说明书 20 第三章 测量元件 由于我们的系统采用的是电流、速度、位置三闭环控制，因此需要测量电机转速、针头位置以及电流大小，所以我们采用了位置传感器和电流传感器。 目前在工业控制中常用的位置传感器有旋转变压器、感应同步器、编码器、光栅等。 通过比较这几种位置传感器的优缺点，最终选出了一种适合于工业缝纫机伺服系统的传感器。 传感器介绍 旋转变压器 旋转变压器是一种输出电压随转子转角以一定规律变化的交流微特电机 —— 角度测量元件。 其外形结构和电机相似，有定子和转子。 从原理上看，是一种可以旋转的变压器，原边、副边在定子和转子上。 原、副绕组之间的电磁耦合程度与转子转角有关，因此输出电压也与转角有关。 在此主要介绍正余弦旋转变压器，线性和多极旋转变压器不作介绍。 A. 结构 图 旋转变压器的结构 哈尔滨工业大学 自动控制元件及线路课程设计说明说明书 21 图 转子电流磁密分解图 B. 工作原理 空载运行时（输出绕组接大阻抗负载时）定子绕组 S1 S3接交流激磁电压，频率 f为 400Hz 或 50Hz。 产生的脉振磁场 ，位于 S1 S3 的轴线上。 设绕组 R1R3（余弦绕组）轴线与脉振磁场轴线的夹角为θ，该绕组的磁通的 为： 图 空载运行时的 正余弦旋转变压器 该绕组感应电势有效值为： 绕组 R2R4（正弦绕组） : 根据变压器原理，输出绕组的感应电势的最大有效值为： 负载时：将转子电流磁密分解为直轴分量和交轴分量，副边电流产生的直轴磁密被激磁绕组电流的负载分量抵消；原边电流不能产生交轴磁势，不能抵 消转子负载电流磁密的交轴分量，交轴磁密使磁场发生了改变。 转子电流产生的磁势为 转子电流为 （ 1） 因此负载电流越大，交轴磁势引起的输出误差也越大。 对磁势进行分解，交轴磁势为： （ 2） 联立（ 1）（ 2）： 哈尔滨工业大学 自动控制元件及线路课程设计说明说明书 22 图 副边补偿 图 副边补偿时的磁势分解 θ不同，交轴磁势和磁密也不同。 当 θ=45176。 时，达到最大值，负载特性与空载特性之间出现最大偏差。 交轴分量无法抵消，它不会在定子绕组中感应出电动势，但会在转子绕组中感应出电动势。 感应电势为 C. 副边补偿： 副边两个绕组都接负载，使交轴磁势互相抵消。 两个磁势的直轴分量方向相同，交轴分量则方向相反，互相抵消。 若能使二者幅值相等，交轴磁势就完全抵消。 余弦绕组交轴磁势 正弦绕组交轴磁势 交轴磁势完全抵消的条件是 ，经补偿后的旋变能实现：角度测量，进而进行速度测量。 D. 优缺点： 优点：除了测角外，还可以用于解算，用途多构造简单，成本较低；对使用环境要求低（噪声、振动、冲击、温度）；无接触测量，可靠性高，寿命长；适合高速，最高可达 60000r/min（光电 3000r)；有绝对位置信号输出；处理电路相对简单。 缺点：精度较低。 E. 主要技术参数 (1) 额定电压； (2) 额定频率； (3) 变比； (4) 输出相位移； 哈尔滨工业大学 自动控制元件及线路课程设计说明说明书 23 图 滑尺 定尺 (5) 开路输入阻抗（空载输入阻抗）。 F. 误差 (1) 函数误差；。