根据工业缝纫机的性能要求，本文提出一套以 DSP 为核心的永磁同步电机控制系统设计方案，详述其关键部分的功能与实现方法，设计了电路原理图，完成了系统软、硬件设计和系统的安装，并对样机系统的各项性能进行了测试，很好地实现了系统调速范围宽、定位精度高的要求。

传统的工业缝纫机，主轴驱动大多采用离合器电机，缝制过程中的动作都靠机械和人工配合完成，存在效率低、体积大、调速范围窄、位置控制难、自动化程度低等缺点；另一方面，由于主轴驱动靠离合器电机，通电后不管机器是否正处于缝制状态，电机都一直在高速运转耗电，不能实现有缝制动作时机器运转、没有缝制动作时机器停止，从而造成了大量电能浪费。

系统设计完成的是整体电控缝纫机的总体技术方案，它是完成电控缝纫机设计的最关键的一个步骤。该电控系统主要包括控制器、驱动器、电机、编码器、传感器、电磁铁等几个部分，系统框图如图 1 所示。

图 1　系统框图

一、控制器

图 1 的控制器作为工业缝纫机控制系统的核心：一方面产生伺服电机驱动信号，送给驱动器控制缝纫机完成定针位，并完成各种不同线迹的控制功能；另一方面产生开关信号给功率开关电路，完成缝纫机的剪线、拨线、前后加固、抬压脚等动作。控制器的动作需要电机编码器信号、机头同步信号、脚踏板加减信号、电机电流传感器信号等信号的参与运算，以协调整个机器完成相应动作，该控制器的硬件电路如图 2 所示。

图 2　控制器硬件电路

该控制器的主体核心采用 TMS320F2406 DSP（U4）进行程序编程，以实现对永磁同步电机的磁场定向控制，其原理框图如图 3 所示。

图 3　永磁同步电机磁场定向控制原理框图

控制过程如下：通过电流传感器测量逆变器输出的定子电流 i_A、i_B，经过 DSP 的 A/D 转换器转换成数字量，并利用 i_C = −(i_A + i_B) 计算出 i_C；通过 Clarke 变换将电流 i_A、i_B、i_C 变换成两相静止坐标系中的分量，再经 Park 变换得到旋转坐标系中的直流分量 i_sq、i_sd，作为电流环的负反馈量。利用增量式编码器测量电动机的机械转角位移 θ_m，并将其转换成电角度 θ_e 和转速 n：电角度 θ_e 用于参与 Park 变换和逆变换的计算，转速 n 作为速度环的负反馈量。

给定转速 n_ref 与转速反馈量 n 的偏差经过速度 PI 调节器，其输出作为用于转矩控制的电流 q 轴参考分量 i_sqref；i_sqref 和 i_sdref（等于零）与电流反馈量 i_sq、i_sd 的偏差经过电流 PI 调节器，分别输出 dq 旋转坐标系的相电压分量 V_sqref 和 V_sdref；V_sqref 和 V_sdref 再通过 Park 逆变换转换成 αβ 直角坐标系的定子相电压矢量的分量 V_sαref 和 V_sβref。当定子相电压矢量的分量 V_sαref、V_sβref 和其所在的扇区数已知时，就可以利用电压空间矢量 SVPWM 技术，产生 PWM 控制信号来控制逆变器。