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無刷直流電機控制織機送經機構

來源:北京永光高特微電機有限公司作者:李利網址:http://www.fupoqq9.cn瀏覽數:208

摘要:織機送經電機的轉速控制由于其特殊性,一方面要求控制規律的易變性,另一方面要求轉速的精確性和響應的及時性,本文介紹了無刷直流電機雙極性可逆PWM控制在織機送經機構中的應用。

1織機卷取和送經系統的控制要求

織機中由于受實際織造的影響,電機的轉速并不高。不同的織物由于其織造的材質和要求的緯密的差異,需要按經驗設定卷取筒織物的線速度和織造時織物的張力值,卷取筒的織物的線速度由摩擦離合器保證不變。這樣,為了保證實際張力值與設定值相等,送經筒織物的線速度也應保持在某固定值,進而,在送經筒織物半徑隨時間變小的情況下,送經電機的轉速應按某種規律變化。實際織機中由于機械的或其他因素的影響,使實際張力值偏離設定張力值,這樣就必須調整送經電機的轉速規律,以保證設定的張力值。由此可見,送經電機的調速性能決定了整個織機的性能。無刷直流電機作為新興的直流電機,調速性能優異,就其本質結構而言,可以認為是由驅動、電動機本體、以及位置傳感器三者組成的電動系統[1]。就驅動系統來說,它主要由控制電路、驅動電路、逆變主回路、以及故障檢測電路組成。結合織機的應用要求,無刷直流電機在本系統中的大原理框圖如圖1。

 圖l 系統原理圖

2 PWM控制系統設計

2.1控制規律的選擇

   由于無刷直流電機是直流電機的一個分支,故除變勵磁調速方法外一切直流電動機轉速控制方法均可用來控制無刷直流電機,通常采用PWM方法實現調速,直流電動機PWM控制系統有可逆和不可逆系統兩種??赡鍼WM系統又分為雙極性可逆驅動和單極性可逆驅動,雙極性可逆系統電流波動大,功率損耗大,且必須增加死區來避免開關管直通的危險,但在中低速運行平穩和靈敏,故用于中小功率直流電機的控制。單極性可逆系統能夠避免開關管上下直通,不需要死區電路,使系統可靠性大大提高,故用在大功率的場合,由于織機中織物對轉速的變化很敏感,而轉速又處于中低速,且需要正反轉,故采用雙極性可逆PWM驅動。在雙極性PWM驅動方式下,一個PWM周期中電機電樞電壓經歷了正反兩次變化,其平均電壓Uo可用下式表示:Uo=(T1/T一(T一T1)/T)Us=(2Tl/T一1)Us

=(2a一1)Us式中,Uo一輸出平均電壓;Us一電樞電壓;T1一方波電壓高電平所占時間;丁一方波電壓周期;a一方波電壓占空比。

   由上式可見,雙極性可逆PWM驅動時,電樞繞組所受電壓取決于占空比a大小,調節a大小就可以使電機正反轉,當a=O時,Uo=一Us,電動機反轉,且轉速最大;當a一1時,Uo=Us電動機正轉,轉速最大;當a=O.5時,Uo=0電動機不轉,但電樞繞組中仍然有交變電流流動,使電動機產生高頻震蕩,這種震蕩有利于克服電動機負載的靜摩擦,提高動態性能,使得電機的中低速性能優異,非常有利于織物的織造。    .

2.2  逆變和驅動電路

   送經電機的逆變電路采用由MOSFET器件組成的橋式電路,由MOTOROLA公司生產的直流電機控制專用集成電路MC33035[5]控制各橋臂依次導通,形成雙極性可逆PWM驅動系統。MC33035即可以和MOTOROLA公司的其他外接器件如MC33039結合構成閉環控制系統,也可以單獨作為開環控制系統使用,由于織機中不同織物的控制規

律并不一樣,故。MC33035必須和外接的計算機構成整個反饋系統,用來控制轉速和轉向。在本系統中MC33035和MC68331組成閉環控制系統,MC33035應用示意圖如圖2。其中IN一與OUT端短接,使MC33035接成開環形式。轉速的控制由MC68331產生,以滿足織機系統的動態性能和控制規律易變的要求,脈寬調制器發出的脈寬信號接正/反引腳以形成PWM雙極性可逆控制,霍爾位置傳感器來的信號送人MC33035的SA、SB、SC后,由MC33035內部電路處理(因而無需外部邏輯處理電路)。輸出6路驅動信號SA、SB、SC、CB、BB、AB,經死區邏輯處理電路后再控制逆變橋的工作,以防止同一橋臂上下功率管同時導通。由于霍爾位置傳感器相差120。,故120。/60。相位選擇端接地,制動端接地以使電機正常運轉,故障端用來檢測芯片自身的故障,外圍電路的故障通過開關三極管控制芯片使能端,以決定電機是否應該正常運轉。    

   圖2 MC33035應用示意圖

2.3脈寬調制器的設計

  脈寬調制器是將給定的信號轉換成脈沖串的裝置,由多環控制中的最內一層的閉環控制信號電壓進行控制,其產生方式多樣。在本系統中,由于對電機速度要求精確,響應要求及時,且需用到速度監測電機的轉速,故不用計算機自接產生PWM波,而由速度電壓經PI調節器與三角波發生器進行比較,以此產生PWM信號。其示意圖如圖3。

    圖3脈寬調制器原理

2.4監測電路的設計

   針對不同的應用場合應設計不同的監測電路,針對本系統應用環境設計的監測電路有電路板發熱監測電路、電源監測電路、限流電路、以及電機轉速監測電路,在織機系統中,為了監測電機轉速的故障,計算機發出的速度信號一路用來產生PWM波,一路輸入電機轉速監測電路,在規定的時間內,如果送經電機的轉速由于任何原因沒達到規定值,該模塊發出故障信號,打入鎖存器,供MC68331查詢監測。同時,該信號立刻使整個驅動電路停止工作,以避免織出不合格的產品。電機轉速監測電路如圖4,系統工作時,速度信號輸入放大電路,經有效值電路后與設定的電平比較,如果電機轉速一直無法達到要求,則在長時間內,有效值電路輸出的電平大于設定的電平,使得充放電時間不等積分器輸出翻轉,產生故障信號。該信號同時還與比較器比較,選擇放大電路限壓值,使得其變小(DWl、DW2和DW3、DW4穩壓值異一大一小),進而使得有效值電路輸出小于設定電平,這樣充放電時間不等積分器慢慢

放電,使故障信號保持一定時間,供計算機和操作人員查詢監測。

 圖4電機轉速監測電路

2.5轉速控制

   為了確??椢镔|量,織機工作時,必須保證確定張力的要求,在卷取筒線速度由摩擦離合器保證的情況下,送經電機轉速必須及時精確,故為了消除速度靜差,可按2型系統校正,采用單閉環速度調節系統??椩鞎r,由于MC68331特殊的串行口QSPI能獨立于CPIJ工作,故設置QSPI經MISO腳對張力傳感器信號進行采集。與此同時,對速度傳感器(編碼器)的速度解碼,供MC68331采集,速度信號和反饋回來的張力信號在CPU內進行數字處理以

決定轉速信號。轉速信號由QSPI的MOSI口輸出,該值經D/A轉換后,一方面輸入到系統電機轉速監測電路,另一方面輸入到PI調節器,產生PWM信號控制電機轉速。整個系統簡化動態結構如圖5。系統中標號為1的框圖D/A(內含采樣保持器)轉換器等效傳遞函數,2為PI調節器的等效傳遞函數,3為驅動及逆變電路傳遞函數,4為電機的等效傳遞函數,5為測速傳感器與濾波器傳遞函數,各參數具體含義可查閱文獻[1]、[3]、[4]。

 圖5系統動態模型圖

3  結束語

   本文設計的驅動控制系統由于織機的特殊要求采用了單環雙極性可逆PWM驅動,并且數字控制和模擬調節相結合,使得數字控制部分轉速控制策略易變,適合不同織物的織造,同時發揮模擬PI調節的精確特點,使得織造的質量得到可靠保證,監測電路的設計使整個板子的智能化大大提高,電路在中低速控制中獲得了較好的應用效果,實踐表明其性能可靠,完全滿足織機的性能要求。

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