直流無刷伺服卷繞控制方法實(shí)現(xiàn)

夏燕蘭

(南京工業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院 教務(wù)處, 江蘇 南京 210023)

直流無刷伺服卷繞控制方法實(shí)現(xiàn)

夏燕蘭

(南京工業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院 教務(wù)處, 江蘇 南京 210023)

分析了絡(luò)絲機(jī)卷繞的特性,根據(jù)卷繞工藝的要求,研制了直流無刷伺服卷繞控制系統(tǒng)。對卷繞伺服控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)思路與控制策略進(jìn)行了闡述與論證。實(shí)踐表明,該直流無刷伺服卷繞控制系統(tǒng)卷繞特性得到了較大的改善,提高了生產(chǎn)效率及產(chǎn)品質(zhì)量。

卷繞特性； 伺服系統(tǒng)； 無刷直流電機(jī)

在紡織行業(yè)中,往往需要將紗線卷繞在卷筒上。卷繞過程中,隨著紗線不斷卷到卷筒上,其直徑不斷增大,為了保證卷繞質(zhì)量,理論上應(yīng)使其線速度和張力保持不變。目前,通常使用力矩電機(jī)作卷繞電機(jī),其機(jī)械特性較軟,而且卷繞過程中離理想卷繞特性還相差甚遠(yuǎn)，因此只能應(yīng)用于卷筒直徑變化較少的場合,才不至于影響產(chǎn)品質(zhì)量。

為了節(jié)約生產(chǎn)成本、改善卷繞特性和提高產(chǎn)品質(zhì)量,我們與北京和利時(shí)電機(jī)技術(shù)有限公司合作,采用直流無刷電機(jī),研制了卷繞伺服控制系統(tǒng),使被控對象的機(jī)械特性趨近理想卷繞特性。實(shí)踐表明,新研制出的卷繞伺服控制系統(tǒng)卷繞特性得到了較大的改善,提高了生產(chǎn)效率及產(chǎn)品質(zhì)量。

1 絡(luò)絲機(jī)卷繞特性分析

“卷繞”即紗線按照紡紗工藝要求卷繞成筒子。卷繞運(yùn)動(dòng)是由筒子本身的回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)和導(dǎo)紗器沿筒子軸向的往復(fù)運(yùn)動(dòng)合成,使紗線按照螺旋線的方式卷繞在筒子上。圓柱形紗筒的紗圈展開圖如圖1所示。

圖1 圓柱形紗筒的紗圈展開圖

由圖可得:

式中:Dj為紗筒直徑，α為卷繞角，S為繞距，v為卷繞線速度，v1為筒子圓周線速度，v2為橫動(dòng)導(dǎo)紗速度。

從以上公式可以看出,卷繞角α、繞距S、卷繞速度v等是影響到卷繞性能的重要參數(shù)。

筒子的卷繞密度反映筒子上紗線卷繞的松緊程度,是高質(zhì)量紗筒最重要的特性,而卷繞角、卷繞張力、繞距和卷繞壓力影響紗筒密度。卷繞角α增加,密度越??；卷繞時(shí)紗線張力越大,筒子卷繞密度就越大，卷繞速度也會(huì)影響卷繞張力,速度越快,張力越大,筒子卷繞密度也隨之加大；繞距S增加,密度越??；隨著卷繞的進(jìn)行,筒子重量不斷加大,使筒子表面與絡(luò)筒機(jī)接觸面(槽筒、壓輥)之間的壓力增大,使筒子卷繞密度增加。

高質(zhì)量的卷繞機(jī)一般要達(dá)到以下卷繞工藝要求：

(1) 盡可能減少對紗線原有機(jī)械性能如紗線的線密度、捻度、強(qiáng)力、彈性和伸長等的損傷。

(2) 紗筒表面的紗線和卷裝密度分布均勻。在適當(dāng)?shù)木砝@張力下,紗筒具有一定密度,特別對于染色用的松式筒子,紗線卷繞密度均勻尤為重要。

(3) 紗筒成形良好。紗筒表面和端面平整,沒有脫圈、滑邊、紗線重疊和兩端硬邊等現(xiàn)象，特別對于染色用的松式筒子,杜絕重疊和硬邊現(xiàn)象更是關(guān)鍵。

(4) 固定直徑下盡可能多地增大卷裝重量,并保證紗筒質(zhì)量的一致性。增加筒子的空間利用率,提高生產(chǎn)效率,特別對于染色用的筒子,紗筒質(zhì)量一致性將直接影響染色質(zhì)量。

(5) 能夠順利退繞。如果紗筒用于高速織機(jī),特別需要能夠高速、輕快退繞。

要達(dá)到高質(zhì)量的卷繞特性必須要采用數(shù)碼卷繞控制。數(shù)碼卷繞控制的雙動(dòng)程和轉(zhuǎn)數(shù)之間的比值在一定的直徑范圍內(nèi)保持恒定,交叉角僅在±1°的范圍內(nèi)變化,以致測量不出它們的密度差異,這樣筒子成形時(shí)既沒有重疊條帶,又為后道工序提供了最佳性能。只有筒子和導(dǎo)紗均采用獨(dú)立傳動(dòng)的結(jié)構(gòu)才能實(shí)現(xiàn)數(shù)碼卷繞控制。

2 數(shù)碼卷繞控制系統(tǒng)典型結(jié)構(gòu)

絡(luò)絲機(jī)的整機(jī)一般由多個(gè)結(jié)構(gòu)相同的錠箱組成,每個(gè)錠箱具備絲筒卷繞、導(dǎo)絲器橫動(dòng)和張力控制3個(gè)主要功能部件,絲筒卷繞主要由傳動(dòng)機(jī)構(gòu)驅(qū)動(dòng)絲筒旋轉(zhuǎn)完成絲線卷繞；導(dǎo)絲器橫動(dòng)部件用于平行于絲筒側(cè)面往復(fù)移動(dòng)絲線絡(luò)成各種規(guī)格形狀的筒子,張力控制部件主要完成絲線卷繞過程中實(shí)時(shí)張力控制[1]。

數(shù)碼卷繞控制系統(tǒng)采用了先進(jìn)的現(xiàn)場總線工業(yè)網(wǎng)絡(luò)技術(shù),根據(jù)需要整臺機(jī)器可配置多達(dá)128個(gè)錠箱,統(tǒng)一由主控芯片通過CAN總線驅(qū)動(dòng)模塊與上位機(jī)進(jìn)行參數(shù)設(shè)置和狀態(tài)監(jiān)控[2],系統(tǒng)結(jié)構(gòu)見圖2。

圖2 數(shù)碼卷繞控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

圖3是單錠數(shù)碼卷繞控制原理框圖,卷繞控制采用直流無刷伺服電機(jī)直接驅(qū)動(dòng)紗筒旋轉(zhuǎn),橫動(dòng)伺服電機(jī)軸連接一個(gè)鋼絲輪,通過鋼絲輪的正反旋轉(zhuǎn)驅(qū)動(dòng)緊固在鋼絲上的導(dǎo)紗器左右移動(dòng),實(shí)現(xiàn)紗線的橫動(dòng)排線運(yùn)動(dòng),上述卷繞和橫動(dòng)2個(gè)運(yùn)動(dòng)合成后即表現(xiàn)為紗線以螺旋線的形狀來回卷繞在紗筒表面[3]。

系統(tǒng)主控芯片根據(jù)絡(luò)絲工藝要求,如卷繞比、絡(luò)絲速度等參數(shù),向卷繞直流無刷電機(jī)控制接口輸出速度、使能和啟停信號,以控制紗筒高速旋轉(zhuǎn),同時(shí)系統(tǒng)主控芯片通過該接口輸入電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊卷繞電機(jī)報(bào)警信號,以判定卷繞電機(jī)是否工作正常。

3 無刷直流伺服卷繞控制的策略

卷繞無刷直流電機(jī)可以完全獨(dú)立實(shí)現(xiàn)閉環(huán)控制,無刷直流伺服卷繞控制系統(tǒng)根據(jù)絡(luò)絲機(jī)工作原理和工藝要求,按照上位工控機(jī)下傳參數(shù)所定義的卷繞電機(jī)的運(yùn)動(dòng)規(guī)律輸出實(shí)時(shí)控制信號,同時(shí)實(shí)時(shí)查詢并向上位工控機(jī)上傳每錠控制系統(tǒng)的運(yùn)行狀態(tài)。

控制系統(tǒng)與驅(qū)動(dòng)器之間的信號有保護(hù)信號與驅(qū)動(dòng)信號兩部分。將U1(見圖4)的PWM7通過接口電路輸出至驅(qū)動(dòng)器,驅(qū)動(dòng)器向卷繞無刷直流電機(jī)提供輸入功率。卷繞無刷直流電機(jī)的位置和速度信號由編碼器檢測,編碼器輸出信號通過線驅(qū)動(dòng)電路輸入U(xiǎn)1。驅(qū)動(dòng)器根據(jù)輸入模擬速度給定信號調(diào)節(jié)電機(jī)轉(zhuǎn)速[4-7]。

圖3 單錠數(shù)碼卷繞控制系統(tǒng)原理框圖

線驅(qū)動(dòng)電路原理如圖4所示,實(shí)現(xiàn)編碼器與主控芯片U1的匹配連接。編碼器輸出的差分位置信號先通過濾波,經(jīng)過線驅(qū)動(dòng)芯片U4,再通過輸出濾波轉(zhuǎn)換為U1的輸入信號。編碼器輸出初始位置霍爾信號通過濾波,經(jīng)過電平轉(zhuǎn)換芯片U5轉(zhuǎn)換為U1的輸入信號。

圖4 卷繞線驅(qū)動(dòng)控制原理

卷繞驅(qū)動(dòng)接口原理如圖5所示。主控芯片U1輸出的PWM7驅(qū)動(dòng)信號分別經(jīng)過電平匹配芯片U7轉(zhuǎn)換再分別送入驅(qū)動(dòng)模塊實(shí)現(xiàn)對直流無刷電機(jī)控制。

圖5 卷繞驅(qū)動(dòng)接口原理

雙閉環(huán)直流無刷伺服卷繞控制系統(tǒng)框圖見圖6(圖中n為轉(zhuǎn)速，nref為參考轉(zhuǎn)速),其中包含一個(gè)速度調(diào)節(jié)器和一個(gè)電流調(diào)節(jié)器,實(shí)現(xiàn)速度和電流的雙閉環(huán)控制。電流調(diào)節(jié)環(huán)用于控制橋式逆變器的PWM占空比以控制電機(jī)端的電壓[8-12]。

圖6 雙閉環(huán)直流無刷伺服電機(jī)控制系統(tǒng)框圖

電流控制可套用直流電機(jī)控制方法,將速度環(huán)輸出的電流直接與直流母線電流值比較形成閉環(huán)控制。電流檢測由采樣電阻實(shí)現(xiàn)。按照斬波開關(guān)模式的不同,直流電流控制方法有硬斬波和軟斬波方式,本系統(tǒng)采用軟斬波直流電流控制方式,如圖7所示。任意時(shí)刻,上橋只有導(dǎo)通相的一個(gè)開關(guān)管開關(guān)斬波控制,下橋?qū)ㄏ嗟囊粋€(gè)開關(guān)管恒通,其余開關(guān)管都處于關(guān)斷狀態(tài)。以從A相到B相繞組通電為例,此時(shí)A1斬波控制,B2恒定導(dǎo)通,其余開關(guān)管全部關(guān)斷。當(dāng)A1導(dǎo)通時(shí),電流通路為A1—A相繞組—B相繞組—B2；當(dāng)A1關(guān)斷時(shí),電流通路為A2—A相繞組—B相繞組—B2?？梢钥闯?在軟斬波模式下,通電的兩相繞組端部的電壓差將在Ud和0之間變動(dòng),相對硬斬波方式而言,電機(jī)繞組的電流變化要小一些,開關(guān)管承受的瞬時(shí)電壓、電流沖擊較小,開關(guān)管的開關(guān)損耗也小一些。但軟斬波續(xù)流過程中,電流并不通過母線和電源,這樣采樣電阻上的電流信息并不完全,控制中需要加以考慮。

圖7 直流無刷伺服電機(jī)軟斬波母線電流控制方法

無刷直流電機(jī)調(diào)速系統(tǒng)中電流和速度控制環(huán)路采用傳遞函數(shù)法按典型I型系統(tǒng)和典型II系統(tǒng)設(shè)計(jì)。

4 實(shí)驗(yàn)及結(jié)論

對本系統(tǒng)測試結(jié)果表明,采用直流無刷伺服進(jìn)行卷繞控制,其機(jī)械特性曲線非常接近理想卷繞特性曲線,如圖8所示(圖中T為轉(zhuǎn)矩)。

圖8 直流無刷伺服卷繞機(jī)械特性

本系統(tǒng)采用高壓永磁無刷直流電機(jī)代替低壓三相異步電機(jī),利用編碼器反饋?zhàn)龊喴姿俣乳]環(huán)控制代替普通SVPWM變頻調(diào)速控制,速度響應(yīng)快,性能好,精度高。

目前,本系統(tǒng)已經(jīng)產(chǎn)業(yè)化,通過近2年的運(yùn)行表明,采用數(shù)碼卷繞的工藝,可以避免任何區(qū)域中產(chǎn)生密度極高的疊紗，在整個(gè)卷裝直徑上密度不會(huì)改變。此外,卷裝退繞過程中,不會(huì)像隨機(jī)卷繞卷裝那樣有整個(gè)紗層“滑落”的危險(xiǎn)。本產(chǎn)品取得了較好的經(jīng)濟(jì)效益,值得大力推廣應(yīng)用。

References)

[1] 何震球.高速精密數(shù)碼卷繞解決方案[J].自動(dòng)化博覽,2008(增刊1):105-107.

[2] 陳忠義.基于DSP的卷繞同步控制系統(tǒng)的研發(fā)[J]. 微計(jì)算機(jī)信息,2008(9-2):122-123.

[3] 劉金華,彭芳,劉保軍.空氣包覆紗機(jī)精密卷繞控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)及實(shí)現(xiàn)[J]. 自動(dòng)化與儀表,2013(8):26-29.

[4] 黃小莉,何毅. 三相直流無刷電機(jī)驅(qū)動(dòng)板設(shè)計(jì)[J]. 機(jī)械設(shè)計(jì)與制造,2011(5):60-62.

[5] 何建華,何文輝,鄧小敏. 一種新的無刷直流電機(jī)機(jī)械特性檢測方法[J]. 中國計(jì)量學(xué)院學(xué)報(bào),2011(3):208-211.

[6] 張曉紅,趙顯紅,陳經(jīng)林,等. 直流無刷電機(jī)控制系統(tǒng)的研究[J]. 微計(jì)算機(jī)信息,2009(1/2):146-147.

[7] 張文升,胡勤耕,王文豐,等. 直流無刷電機(jī)智能控制系統(tǒng)研究[J]. 計(jì)算技術(shù)與自動(dòng)化,2012(3):69-75.

[8] 劉篤喜,黃興隆,孫富振.卷繞伺服系統(tǒng)大位移和線速度精確控制方法的研究[J]. 制造業(yè)自動(dòng)化,2010(10):35-38.

[9] 吳明琪,周武能,張志杰,等. 基于PLC和伺服控制的細(xì)繩卷繞成型機(jī)[J]. 江漢大學(xué)學(xué)報(bào):自然科學(xué)版,2013(4):57-60.

[10] 崔麗,葉先明. 基于AVR單片機(jī)的直流無刷電機(jī)智能控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J]. 儀表技術(shù)與傳感器,2009(11):34-36.

[11] 孟彥京,常杰,朱玉國. 基于DSP的直流無刷電機(jī)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J]. 陜西科技大學(xué)學(xué)報(bào),2009(3):101-105.

[12] 劉賀平,汪芳君,張春梅. 基于DSP的直流無刷電機(jī)數(shù)字控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)[J]. 電力系統(tǒng)及其自動(dòng)化學(xué)報(bào),2008(1):80-83.

Realization of control method of winding system with BLDC

Xia Yanlan

(Department of Teaching Management,Nanjing Institute of Industry and Technology, Nanjing 210023, China)

This paper analyzes the winding characteristic of winding machine. The servo system for BLDC is designed according to winding process. This paper also discusses the designing method and control strategy of the winding system with BLDC. It is proved that the winding characteristic of the winding system with BLDC has been improved so that winding machine has high quality and efficiency.

winding characteristic； servo system； BLDC

2015- 06- 03

江蘇省“六大人才高峰”第十批項(xiàng)目(ZBZZ-017)

夏燕蘭 (1964—)，女，四川遂寧，工程碩士，教授,高級工程師，南京工業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院教務(wù)處副處長，主要從事自動(dòng)控制技術(shù)、數(shù)控技術(shù)研究.

E-mail：xiayl@niit.edu.cn

TS103.122;TP273

B

1002-4956(2015)12- 0049- 04