【文章內(nèi)容簡介】 度， T 為力矩。 和 的功率關(guān)系為 式中 為效率系數(shù) (齒輪、皮帶傳動：近似 )。根據(jù)上式換算得電機軸上負載轉(zhuǎn)矩為 C. 電機最大轉(zhuǎn)矩 其中，是負載的近似轉(zhuǎn)動慣量， 是電機的轉(zhuǎn)動慣量，與電機轉(zhuǎn)子的尺寸和質(zhì)量有關(guān)。 BLDCM TM9004 型號 A0421 極數(shù) P 4P / 8P 功率 W 400 額定力矩 Nm Kgcm 啟動力矩 Nm Kgcm 哈爾濱工業(yè)大學(xué) 自動控制元件及線路課程設(shè)計說明說明書 13 電機選型 經(jīng)過上面的計算可知，電機的選擇要滿足額定轉(zhuǎn)速與最大轉(zhuǎn)矩的要求，此外，額定力矩也要滿足一定條件。根據(jù)經(jīng)驗，縫紉機電機的額定力矩一般為：夏裝、薄布料 左右，冬裝、厚布料、鞋類要求 左右。根據(jù)這些限制條件，可以進行電機的選型。 我們查找了幾家公司的不同種類的無刷直流電機，分別計算轉(zhuǎn)動慣量，然后帶入最大轉(zhuǎn)矩公式進行驗證，最后選取的型號是 韓國 WOOJIN SERVO 公司的 TM9004 系列的 A0421直流無刷電機，電機如圖所示，右表是該電機的參數(shù)表。 下面是我們對該電機性能指標驗證的過程。 A． 最大轉(zhuǎn)矩（啟動轉(zhuǎn)矩）驗證 右圖是電機的零件圖。近似認為轉(zhuǎn)子的半徑為電機定子半徑的一半，結(jié)合零件圖上的尺寸標注，可以求得電機轉(zhuǎn)子的質(zhì)量為 進而由圓柱體的轉(zhuǎn)動慣量公式可得電機近似轉(zhuǎn)動慣量為 代入最大轉(zhuǎn)矩公式可得 電壓 V 24 電流 A 轉(zhuǎn)速 RPM 2020 絕緣等級 B 重量 Kg 3 環(huán)境 20℃ ~ 40℃ / 20 ~ 80% RH 表 電機參數(shù)表 圖 TM90電機 圖 電機局部零件圖 哈爾濱工業(yè)大學(xué) 自動控制元件及線路課程設(shè)計說明說明書 14 B． 額定轉(zhuǎn)矩驗證 電機的額定轉(zhuǎn)矩關(guān)系到電機能否在該力矩下連續(xù)運行，而不超過溫度限制。 右圖是電機連續(xù)運行時的轉(zhuǎn)速曲線與轉(zhuǎn)矩曲線，在這里，我們以 作為機針上下運動一次的時間，在每個 內(nèi)，前25ms 是機針在布料上方，中間 50ms 是機針在布料中運動，后 25ms 是指針重新回到布料上方。在這一過程中，轉(zhuǎn)速與力矩均會發(fā)生如圖所示的波動，但是如果是近似計算的話，這一波動影響很小，可以把 時間內(nèi)的運動看作恒轉(zhuǎn)矩運動，轉(zhuǎn)矩大小為 這是因為，僅僅在機針剛接觸布料是轉(zhuǎn)矩會有大的變化，之后機針已經(jīng)把布料穿透，轉(zhuǎn)矩和 相差不大，因此可以這樣近似計算。 首先計算啟動力矩，根據(jù)之前的計算可得 然后是制動力矩，制動階段的加速度 則 設(shè)縫紉機的平均每 6s 停車一次，即單次工作 200 針，然后歇停 ，則 圖 電機連續(xù)運行 哈爾濱工業(yè)大學(xué) 自動控制元件及線路課程設(shè)計說明說明書 15 參照表 ， TM90— A0421 電機的起動轉(zhuǎn)矩是 ，滿足 200ms內(nèi)快速啟動的需求；額定轉(zhuǎn)速為 2020 rpm ，滿足之前計算所得的 3000 sti/min 的縫紉速度需求。同時，此電機的額定轉(zhuǎn)矩為 ，除了鞋類、皮革和厚料，普通的中厚布料都可以縫紉。 圖 電機零件圖 哈爾濱工業(yè)大學(xué) 自動控制元件及線路課程設(shè)計說明說明書 16 綜合來看，此電機符合性能指標需求。下圖是此電機的零件圖。 驅(qū)動方案 橋式逆變電路 首先，直流無刷電機要有配套的逆變電路來實現(xiàn)基本的換相功能，本電機是三相電機，采用星形接法，而且是二相導(dǎo)通六狀態(tài)工作，因此逆變電路共有三路橋 。在逆變電路中，我們采用 NTD32N06型號的 MOSFET 功率管，它是專門為低壓、高速切換的工作場合設(shè)計，常用于電機控制和橋式電路設(shè)計。 NTD32N06 的的基本參數(shù)如又圖所示。其漏極允許加最大電壓為 60V，允許的最大電流是 32A，可以驅(qū)動我們選擇的電機。 圖 NTD32N06 型號 MOSFET 圖 MOSFET橋式逆變電路 哈爾濱工業(yè)大學(xué) 自動控制元件及線路課程設(shè)計說明說明書 17 為了使 BLDC 電機速度可變，必須在繞組的兩端加可變電壓。利用 PWM 控制技術(shù)，通過控制 PWM 信號的不同占空比，則繞組上平均電壓可以被控制，從而控制電機轉(zhuǎn)速。在控制系統(tǒng)中采用 DSP 或單片機時，可利用器件中的 PWM 產(chǎn)生模塊產(chǎn)生 PWM 波形。然后 根據(jù)轉(zhuǎn)速要求設(shè)定占空比， 輸出 6 路 PWM 信號，加到 6 個功率管上。 驅(qū)動芯片 Vishay 公司生產(chǎn)的三相無刷直流電動機控制器 SI9979，是無刷直流電動機的專用控制芯片，其內(nèi)部集成的 MOSFET 驅(qū)動電路使其可以容易地驅(qū)動 N溝道的三相橋 式 電路 ， 同時它采用了 7mmSQFP 封裝，可以簡 化驅(qū)動電路并減小電路尺寸，降低成本。 SI9979 為無刷電動機控制提供諸如控制信號輸入、產(chǎn)生換向邏輯、門驅(qū)動輸出和保護電路等一些功能。 下圖是此芯片的電路模塊圖。 下面對此芯片進行簡要介紹。首先，供電電壓 V+的范圍是 20V 40V，邏輯電壓VDD=16V，內(nèi)部參考電壓 VREF=，如下是對圖中比較重要的引腳進行的說明： Pins 13： INA, INB, INC 換相傳感器輸入 圖 SI9979芯片電路模塊圖 哈爾濱工業(yè)大學(xué) 自動控制元件及線路課程設(shè)計說明說明書 18 Pin 4: 60/120 傳感器 60176。分布與 120176。分布片選 Pin 6: F/R (Forward/Reverse) 電機轉(zhuǎn)向片選 Pin 7: QS (Quadrature Select) 選擇低端 MOSFET響應(yīng) PWM信號或低端和高端一起響應(yīng)PWM 信號 Pin 8: PWM PWM 信號輸入端口 Pin 9: BRK 剎車片選端口 Pin 11: FAULT 錯誤指示端口 Pin 17: RT/CT 過流關(guān)斷定時 RC 端口 Pin 19: IS+ 過流檢測端口 Pin 25: GBC C 相低端 MOSFET 的柵極驅(qū)動（ 16V/） Pin 26: GTC C 相高端 MOSFET 的柵極驅(qū)動（ 16V/） Pin 25: SC C 相高端 MOSFET 的負電源 Pin 25: CAPC C 相高端 MOSFET 的正電源（ 55V） 從上面的電壓輸出可以看出，此芯片和我們之前選擇的 NTD32N06 型號 MOSFET 可以搭配使用，下圖是 SI9979 與逆變電路的實際連接圖。 圖 SI9979 與逆變電路連接圖 哈爾濱工業(yè)大學(xué) 自動控制元件及線路課程設(shè)計說明說明書 19 MOSFET 電路的低端可以被 Si9979 的低端輸出信號 （ GB*） 直接驅(qū)動 ， 該信號在 Si9979的內(nèi)部通過上拉電阻上拉到 VDD（ 16V）。 MOSFET的高端不能被 Si9979的輸出直接驅(qū)動 ，Si9979 的高端輸出信號通過其內(nèi)部的浮動電路 （自舉電路） 驅(qū)動 MOSFET的高端。一旦MOSFET 低端導(dǎo)通 ， 浮動電路的電容開始充電并在低端導(dǎo)通時保持到 VDD， 當(dāng) MOSFET低端截止時 ， 該端輸出可以驅(qū)動 MOSFET 高端 。 驅(qū)動框架 在控制系統(tǒng)中， DSP 通過對傳感器返回的位置、速度、力矩信號進行處理，產(chǎn)生相應(yīng)的PWM、方向和剎車控制信號，然后傳遞給 Si9979 驅(qū)動板，實現(xiàn)對無刷直流電動機的驅(qū)動。 此外， Si9979 電動機換向邏輯是根據(jù)三個霍爾元件返回的位置信號確定的，從而實現(xiàn)無刷電動機的無接觸換向。由于 Si9979 內(nèi)部邏輯變換需要數(shù)字輸入，因此電動機輸出霍爾位置信號需要在輸入 Si9979 之前轉(zhuǎn)換成 TTL兼容的方波信號。由于無刷電動機霍爾位置傳感器輸出為模擬信號，而 Si9979 要求輸入信號與 TTL兼容，即數(shù)字信號，因此我們采用了光耦隔離電路，從而使比較電路的輸出與 Si9979 的 TTL 輸入信號端隔開，保證系統(tǒng)設(shè)計的抗干擾能力，同時也滿足提升霍爾方波輸入信號電壓的要 求。 上述過程的電路結(jié)構(gòu)如下圖所示。 圖 驅(qū)動方案 哈爾濱工業(yè)大學(xué) 自動控制元件及線路課程設(shè)計說明說明書 20 第三章 測量元件 由于我們的系統(tǒng)采用的是電流、速度、位置三閉環(huán)控制，因此需要測量電機轉(zhuǎn)速、針頭位置以及電流大小，所以我們采用了位置傳感器和電流傳感器。目前在工業(yè)控制中常用的位置傳感器有旋轉(zhuǎn)變壓器、感應(yīng)同步器、編碼器、光柵等。通過比較這幾種位置傳感器的優(yōu)缺點，最終選出了一種適合于工業(yè)縫紉機伺服系統(tǒng)的傳感器。 傳感器介紹 旋轉(zhuǎn)變壓器 旋轉(zhuǎn)變壓器是一種輸出電壓隨轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)角以一定規(guī)律變化的交流微特電機 —— 角度測量元件。其外形結(jié)構(gòu)和電機相似，有定子和轉(zhuǎn)子。從原理上看，是一種可以旋轉(zhuǎn)的變壓器，原邊、副邊在定子和轉(zhuǎn)子上。原、副繞組之間的電磁耦合程度與轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)角有關(guān)，因此輸出電壓也與轉(zhuǎn)角有關(guān)。在此主要介紹正余弦旋轉(zhuǎn)變壓器，線性和多極旋轉(zhuǎn)變壓器不作介紹。 A. 結(jié)構(gòu) 圖 旋轉(zhuǎn)變壓器的結(jié)構(gòu) 哈爾濱工業(yè)大學(xué) 自動控制元件及線路課程設(shè)計說明說明書 21 圖 轉(zhuǎn)子電流磁密分解圖 B. 工作原理 空載運行時（輸出繞組接大阻抗負載時）定子繞組 S1 S3接交流激磁電壓，頻率 f為 400Hz 或 50Hz。 產(chǎn)生的脈振磁場 ，位于 S1 S3 的軸線上。 設(shè)繞組 R1R3（余弦繞組）軸線與脈振磁場軸線的夾角為θ，該繞組的磁通的 為： 圖 空載運行時的 正余弦旋轉(zhuǎn)變壓器 該繞組感應(yīng)電勢有效值為： 繞組 R2R4（正弦繞組） : 根據(jù)變壓器原理，輸出繞組的感應(yīng)電勢的最大有效值為： 負載時：將轉(zhuǎn)子電流磁密分解為直軸分量和交軸分量，副邊電流產(chǎn)生的直軸磁密被激磁繞組電流的負載分量抵消；原邊電流不能產(chǎn)生交軸磁勢，不能抵 消轉(zhuǎn)子負載電流磁密的交軸分量，交軸磁密使磁場發(fā)生了改變。 轉(zhuǎn)子電流產(chǎn)生的磁勢為 轉(zhuǎn)子電流為 （ 1） 因此負載電流越大，交軸磁勢引起的輸出誤差也越大。 對磁勢進行分解，交軸磁勢為： （ 2） 聯(lián)立（ 1）（ 2）： 哈爾濱工業(yè)大學(xué) 自動控制元件及線路課程設(shè)計說明說明書 22 圖 副邊補償 圖 副邊補償時的磁勢分解 θ不同，交軸磁勢和磁密也不同。當(dāng) θ=45176。時，達到最大值，負載特性與空載特性之間出現(xiàn)最大偏差。 交軸分量無法抵消，它不會在定子繞組中感應(yīng)出電動勢，但會在轉(zhuǎn)子繞組中感應(yīng)出電動勢。感應(yīng)電勢為 C. 副邊補償： 副邊兩個繞組都接負載，使交軸磁勢互相抵消。兩個磁勢的直軸分量方向相同，交軸分量則方向相反，互相抵消。若能使二者幅值相等，交軸磁勢就完全抵消。 余弦繞組交軸磁勢 正弦繞組交軸磁勢 交軸磁勢完全抵消的條件是 ，經(jīng)補償后的旋變能實現(xiàn)：角度測量，進而進行速度測量。 D. 優(yōu)缺點： 優(yōu)點：除了測角外，還可以用于解算，用途多構(gòu)造簡單，成本較低；對使用環(huán)境要求低（噪聲、振動、沖擊、溫度）；無接觸測量，可靠性高，壽命長；適合高速，最高可達 60000r/min（光電 3000r)；有絕對位置信號輸出；處理電路相對簡單。 缺點：精度較低。 E. 主要技術(shù)參數(shù) (1) 額定電壓； (2) 額定頻率； (3) 變比； (4) 輸出相位移； 哈爾濱工業(yè)大學(xué) 自動控制元件及線路課程設(shè)計說明說明書 23 圖 滑尺 定尺 (5) 開路輸入阻抗（空載輸入阻抗）。 F. 誤差 (1) 函數(shù)誤差；