内蒙古科技与经济数字伺服节能控制器的设计与应用庞胜，孙小琴（广州市市政工程维修处，广东广州510120）的单片机的控制器软硬件。系统采用PI调节实现了无刷直流电机的无级控制，对控制器用于工业缝纫机进行实测，节能效果显著，动静态指标符合实际使用要求，具有良好的实用价值。

　　传统的工业缝纫机电机是一款交流离合器电机，交流异步电机输出功率只有输入功率的70左右，通过摩擦离合器传递扭矩到缝纫机，效率又只有70左右，因此其总效率仅为40～50.因此寻找一种高效率且易于控制的节能电机和控制方法显得尤为必要，近年来，永磁无刷直流电机以体积小、效率高一直成为研究的重点，它具备结构简单、运行可靠、无需机械换向、维护方便的特点，又有直流电机那样良好的调速特性，因此其应用越来越广泛。

　　本控制器基于dspic33fj32mc204单片机为核心的设计硬件平台，改M CU有丰富的片内资源，通过优化算法编写的软件，能精确控制电机地工作状态。

　　在无传感器无刷直流电机的控制中，转子位置的判断，电机的启动及电流的换相均由控制系统完成，采用基于DSP的无传感器无刷直流电机控制方法，借助M CU内DSP的强大的运算处理能力，软件上大大简化，微处理器只需对外面的开关信号做出处理，就能实现电机可靠的运转。

　　1控制原理的特点及其在系统中的应用。

　　主控制芯片是控制系统的核心，它有完善的过压、过流、过热保护。输出驱动信号给逆变器，对功率驱动单元进行保护，实时采集转换信号、位置信号，通过开关量输入输出接收外部信息并对外部进行控制，可以通过总线与外部其他系统交换信息等。

　　本系统采用的主控制芯片是Microchip公司专为电机控制领域设计。dspic33fj32mc204芯片是具有功能的其引擎具有17X17位乘法器，一个40位ALU，两个40位饱和累加器和一个40位双向移位寄存器， DSP指令可以无缝地与其他所有指令一起操作，控制功能强，使得它比一般的DSP硬件开发电路更简单更便宜，比同档次的单片机更能适应数字信号处理的要求。在实际应用中主要使用了芯片的如下资源：①电机控制PW M模块。

　　PW M时基配置为递增/递减技术模式，工作于中间对齐方式，调制频率选择为10k Hz，采用独立的PW M输出模式，每个占空比发生器同时连接到输出对中的两个引脚，且利用特殊事件触发器使采样在占空比有效的中间时刻同步，以便获得准确的模拟量值②9路12位高速A /D转换通道，可以用来接入踏板、电压以及其他保护信号，且采样与PWM时基同步③电平变化中断：来自电机霍尔传感器的位置信号发生电平变化时会产生电平变化中断，在电平变化中断服务子程序中，实施电机换相、辨别电机转向以及计算转速④定时器（ TIM ER2 /3）：工作于周期计数模式，以记录相邻两个电周期发生的间隔，用来计算转速。

　　2硬件、软件设计直流无刷电机的驱动，是根据霍尔元件的状态来控制6个MO S管来对电机进行驱动和换相。控制器主电路设计为星形连接三相桥式，采用二二导通三相六状态工作方式，主电路见图1所示，根据各相绕组反电势波形与转子位置检测器霍尔状态之间的关系，可分析出无刷直流电机电动运行时霍尔状态、电机绕组通电顺序以及功率场效应管导通顺序的逻辑关系，。

　　主要电路设计见图2所示：驱动电路：主要器件采用IR5集成电路，它们把单片机产生的PW M信号进行放大后，驱动功率场效应管。逆变器：功率场效应管（ M OSFET）对于400W以下无刷直流电机120度无刷电机换相真值霍尔传感器A、B、C场效应管导通内蒙古科技与经济过流检测电路：主要器件采用LM 393集成比较器，比较器正输入端接电流检测电路输出端，负输入端接单片机内的数模转换器输出端当电流大到一定值时，比较器输出由低电平变为高电平，此高电平输入给单片机，起到过流保护作用，通过设置DAC输出，达到设置过流值。

　　转子位置检测电路：由无刷直流电机内的3个霍尔元件，加上滤波电容组成，它提供的转子位置信号送到单片机，用于计算位置和速度。

　　片内稳压：避免内核电压根外围电路电压的冲突。

　　本控制器的测试应用对象为工业缝纫机，其功能流程（见图3）。控制器软件用C语言编写，按功能模块化设计，主要的功能模块有速度闭环PI控制、制动闭环PI控制、定针控制等等，在编制定针程序时由于皮带传动主从轮轮径不一致，算法难度很大，需要比较复杂的修正计算。

　　3应用分析用图4、图5所示的BLDC电机，取代Singer牌缝纫机上的交流离合电机，让改装后的缝纫机与未改装的Singer牌缝纫机完成同样的工作任务，同时用2个功率计量插座分别测试2台缝纫机的能耗情况，实际情况表明采用数字伺服控制的能耗约为原来交流离合电机的35 ，与前言中提到传统的工业缝纫机电机的效率仅为40～50较为吻合。由于交流离合电机在工作时，不论缝制布料厚薄，输出功率一致，而且在缝纫机待料待机时，电机通过离合器脱开负载，继续空载运行，造成极大的待机损耗。

　　而高效节能伺服控制电机采用直流无刷电机作为驱动，能效高达70～80 ，伺服控制系统可以根据需要通过软件调节电机的输出转速和输出功率，在缝纫机待机时，系统处在待机状态，基本不耗电，所以没有待机损耗，因此综合起来直流无刷电机的能耗为传统交流离合电机能耗的30～40.

　　通过高效节能伺服控制电机替代交流离合器电机在工业缝纫机领域推广应用，可在该领域节能50～60 ，每台缝纫机可节电600kW？ h /年，据行业协会估算全国现在生产使用的工业缝纫机至少400万台，如果都采用节能伺服控制电机，每年将节省用电24亿kW？ h，这将是多么有效的节能减排项目。

　　在实际操作中，更换一台缝纫机平车的电机只需10min，而且由于采用了电脑控制，除了节能外，质量轻可节约大量材料，发热小对环境影响小，而且还能有定针等功能，大大方便了操作，平车的速度也比原来更快，可以稳定达到3 000rpm，工人实际操作感受良好。

　　4结论与展望基于的单片机设计的无刷直流电机控制器，其实质是一款具有通用性能地控制器，将其应用在工业缝纫机控制中，取得非常优异的节能控制效果，电机速度跟踪速度快，没有超调现象，实际应用实验表明控制器各项指标达到了设计要求，控制器具有结构简单、寿命长、维护方便、通用性好、成本低等诸多优点，应用前景广阔。

　　本控制器稍作改动，即可应用在家电以及其他使用无刷直流电机的工业领域。

　　[参考文献] [1 ]李友善。自动控制原理[M ].北京：国防工业出