工业缝纫机伺服控制系统的研究

摘要

随着缝制行业的快速发展，市场对高性能缝纫设备的需求越来越多。传统的离合器式工业缝纫机调速性能差、体积大、停针不精确、能量耗费严重，不能满足高质量缝纫工作的需求。当前市场上，带伺服控制系统的工业缝纫机越来越多，但基本采用光电传感器获取电机转速和位置信息，生产及维护成本高;并且由于无能量回馈功能，工业缝纫机工作过程中频繁停针产生的制动能量，一般通过制动电阻消耗掉，造成浪费。本论文针对工业缝纫机伺服控制系统展开研究，选用面贴式永磁同步电机作为执行电机，设计了一套速度响应快、停针位置精确、缝纫功能丰富、无需安装速度传感器、可回馈制动能的工业缝纫机伺服控制系统。
　　主要工作和创新点如下:
　　(1)为改善调速控制系统的动静态性能，提出一种基于转子动能储存的矢量控制策略;针对转动惯量和负载转矩波动，提出一种负载功率前馈补偿的方法。仿真和实验结果表明，相较于转速-电流双闭环矢量控制策略，所提出的控制策略提升了系统动静态性能，且能够克服系统转动惯量和负载转矩波动的不利影响。
　　(2)针对工业缝纫机伺服控制系统机械式位置传感器的缺点，研究了基于扩展卡尔曼滤波(Extended Kalman Filting，EKF)的无速度传感器控制策略。在EKF算法中，引入蚁群算法解决系统噪声模型即其协方差矩阵Q和R的选择问题。仿真和实验结果证明了基于蚁群算法整定Q和R参数的EKF算法用于永磁同步电机无速度传感器控制的有效性。
　　(3)为回收工业缝纫机频繁停针产生的制动能，设计了一套基于单相整流器的能量回馈系统，并着重研究了其前端PWM整流器的控制方法。提出一种带电流校正的无差拍电流控制方法，外环采用电容储能作为反馈变量，并带机侧功率前馈。实验验证了所提方法的可行性和有效性。
　　(4)根据缝制操作的具体工作要求，设计了工业缝纫机专用伺服控制硬件系统。将本文研究的控制策略应用于工业缝纫机伺服控制系统，测试结果表明:系统停针精确，响应迅速，自动化程度高，能够满足高精度复杂缝制操作的需求，性能稳定可靠。

目录

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致谢

摘要

第一章 绪论

1．1 课题产生背景

1．1．1 工业缝纫机简介

1．1．2 工业缝纫机系统现状与发展

1．2 永磁同步电机及其控制系统

1．2．1 永磁同步电机的发展

1．2．2 永磁同步电机伺服控制系统的研究现状

1．2．3 永磁同步电机无速度传感器控制研究现状

1．3 工业缝纫机能量回馈系统

1．4 工业缝纫机伺服控制系统发展趋势

1．5 本文的主要工作

第二章 工业缝纫机中永磁同步电机的伺服控制

2．1 永磁同步电机的结构及特点

2．2 永磁同步电机数学模型

2．2．1 坐标变换

2．2．2 永磁同步电机的砌坐标系数学模型

2．3 永磁同步电机矢量控制策略

2．4 工业缝纫机伺服控制系统

2．5 本章小结

第三章 转子动能为外环控制量的PMSM矢量控制策略

3．1 永磁同步电机的能量交换模型

3．2 基于转子储存动能反馈的永磁同步电机双闭环矢量控制

3．2．1 电流内环的设计

3．2．2 基于转子动能反馈的外环设计

3．3 负载的影响及负载补偿

3．4 仿真及分析

3．5 实验结果及分析

3．5．1 不同控制策略的实验比较

3．5．2 负载转矩突变时负载估计算法的实验

3．5．3 转动惯量变化时负载估计算法的实验

3．6 本章小结

第四章 ACA整定EKF参数的PMSM无速度传感器控制

4．1 扩展卡尔曼滤波原理

4．2 永磁同步电机无速度传感器EKF滤波方程推导

4．3 基于ACA整定EKF参数的永磁同步电机无速度传感器控制系统

4．3．1 蚁群算法原理

4．3．2 控制系统结构

4．4 仿真与分析

4．4．1 仿真系统简介

4．4．2 与传统TSP应用的差别及应对

4．4．3 蚁群算法程序设计

4．4．4 仿真结果分析

4．5 实验结果及分析

4．6 本章小结

第五章 基于改进无差拍控制的工业缝纫机能量回馈研究

5．1 单相整流器及其功率交换模型

5．1．1 单相整流器数学模型

5．1．2 单相整流器功率交换模型

5．2 带电流校正的无差拍电流内环设计

5．2．1 带电流校正的无差拍控制

5．2．2 加权系数断的选择

5．3 基于电容储能反馈和电机侧功率前馈的外环设计

5．3．1 电容储能外环设计

5．3．2 机侧功率前馈设计

5．5 实验结果及分析

5．5．1 电动状态下两种控制策略稳态过程的比较

5．5．2 发电状态下两种控制策略稳态过程的比较

5．6 本章小结

第六章 工业缝纫机伺服控制系统设计与测试

6．1 工业缝纫机的系统结构概述

6．1．1 机头系统

6．1．2 电机及安装方式

6．1．3 工业缝纫机伺服系统控制器电路

6．1．4 踏板部件

6．1．5 操作面板

6．2 工业缝纫机伺服控制系统的功能设计

6．2．1 停针控制

6．2．2 缝纫功能简介

6．2．3 自动切线与自动扫线功能

6．3 硬件电路设计

6．3．1 功率电路

6．3．2 主控电路设计

6．3．3 其他电路

6．4 软件设计

6．4．1 伺服系统转子动能储能环的实现

6．4．2 伺服系统位置环的软件实现

6．4．3 主程序和定时器中断服务子程序

6．4．4 功能实现与协调

6．5 系统测试

6．5．1 频繁起停测试

6．5．2 系统缝纫功能测试

6．6 本章小结

第七章 总结与展望

7．1 总结

7．2 展望

参考文献

攻读博士学位期间的学术活动及成果情况