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无刷直流电机控制织机送经机构

来源:北京永光高特微电机有限公司作者:李利网址:http://www.yggtwdj.cn浏览数:169

摘要:织机送经电机的转速控制由于其特殊性,一方面要求控制规律的易变性,另一方面要求转速的精确性和响应的及时性,本文介绍了无刷直流电机双极性可逆PWM控制在织机送经机构中的应用。

1织机卷取和送经系统的控制要求

织机中由于受实际织造的影响,电机的转速并不高。不同的织物由于其织造的材质和要求的纬密的差异,需要按经验设定卷取筒织物的线速度和织造时织物的张力值,卷取筒的织物的线速度由摩擦离合器保证不变。这样,为了保证实际张力值与设定值相等,送经筒织物的线速度也应保持在某固定值,进而,在送经筒织物半径随时间变小的情况下,送经电机的转速应按某种规律变化。实际织机中由于机械的或其他因素的影响,使实际张力值偏离设定张力值,这样就必须调整送经电机的转速规律,以保证设定的张力值。由此可见,送经电机的调速性能决定了整个织机的性能。无刷直流电机作为新兴的直流电机,调速性能优异,就其本质结构而言,可以认为是由驱动、电动机本体、以及位置传感器三者组成的电动系统[1]。就驱动系统来说,它主要由控制电路、驱动电路、逆变主回路、以及故障检测电路组成。结合织机的应用要求,无刷直流电机在本系统中的大原理框图如图1。

 图l 系统原理图

2 PWM控制系统设计

2.1控制规律的选择

   由于无刷直流电机是直流电机的一个分支,故除变励磁调速方法外一切直流电动机转速控制方法均可用来控制无刷直流电机,通常采用PWM方法实现调速,直流电动机PWM控制系统有可逆和不可逆系统两种。可逆PWM系统又分为双极性可逆驱动和单极性可逆驱动,双极性可逆系统电流波动大,功率损耗大,且必须增加死区来避免开关管直通的危险,但在中低速运行平稳和灵敏,故用于中小功率直流电机的控制。单极性可逆系统能够避免开关管上下直通,不需要死区电路,使系统可靠性大大提高,故用在大功率的场合,由于织机中织物对转速的变化很敏感,而转速又处于中低速,且需要正反转,故采用双极性可逆PWM驱动。在双极性PWM驱动方式下,一个PWM周期中电机电枢电压经历了正反两次变化,其平均电压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一输出平均电压;Us一电枢电压;T1一方波电压高电平所占时间;丁一方波电压周期;a一方波电压占空比。

   由上式可见,双极性可逆PWM驱动时,电枢绕组所受电压取决于占空比a大小,调节a大小就可以使电机正反转,当a=O时,Uo=一Us,电动机反转,且转速最大;当a一1时,Uo=Us电动机正转,转速最大;当a=O.5时,Uo=0电动机不转,但电枢绕组中仍然有交变电流流动,使电动机产生高频震荡,这种震荡有利于克服电动机负载的静摩擦,提高动态性能,使得电机的中低速性能优异,非常有利于织物的织造。    .

2.2  逆变和驱动电路

   送经电机的逆变电路采用由MOSFET器件组成的桥式电路,由MOTOROLA公司生产的直流电机控制专用集成电路MC33035[5]控制各桥臂依次导通,形成双极性可逆PWM驱动系统。MC33035即可以和MOTOROLA公司的其他外接器件如MC33039结合构成闭环控制系统,也可以单独作为开环控制系统使用,由于织机中不同织物的控制规

律并不一样,故。MC33035必须和外接的计算机构成整个反馈系统,用来控制转速和转向。在本系统中MC33035和MC68331组成闭环控制系统,MC33035应用示意图如图2。其中IN一与OUT端短接,使MC33035接成开环形式。转速的控制由MC68331产生,以满足织机系统的动态性能和控制规律易变的要求,脉宽调制器发出的脉宽信号接正/反引脚以形成PWM双极性可逆控制,霍尔位置传感器来的信号送人MC33035的SA、SB、SC后,由MC33035内部电路处理(因而无需外部逻辑处理电路)。输出6路驱动信号SA、SB、SC、CB、BB、AB,经死区逻辑处理电路后再控制逆变桥的工作,以防止同一桥臂上下功率管同时导通。由于霍尔位置传感器相差120。,故120。/60。相位选择端接地,制动端接地以使电机正常运转,故障端用来检测芯片自身的故障,外围电路的故障通过开关三极管控制芯片使能端,以决定电机是否应该正常运转。    

   图2 MC33035应用示意图

2.3脉宽调制器的设计

  脉宽调制器是将给定的信号转换成脉冲串的装置,由多环控制中的最内一层的闭环控制信号电压进行控制,其产生方式多样。在本系统中,由于对电机速度要求精确,响应要求及时,且需用到速度监测电机的转速,故不用计算机自接产生PWM波,而由速度电压经PI调节器与三角波发生器进行比较,以此产生PWM信号。其示意图如图3。

    图3脉宽调制器原理

2.4监测电路的设计

   针对不同的应用场合应设计不同的监测电路,针对本系统应用环境设计的监测电路有电路板发热监测电路、电源监测电路、限流电路、以及电机转速监测电路,在织机系统中,为了监测电机转速的故障,计算机发出的速度信号一路用来产生PWM波,一路输入电机转速监测电路,在规定的时间内,如果送经电机的转速由于任何原因没达到规定值,该模块发出故障信号,打入锁存器,供MC68331查询监测。同时,该信号立刻使整个驱动电路停止工作,以避免织出不合格的产品。电机转速监测电路如图4,系统工作时,速度信号输入放大电路,经有效值电路后与设定的电平比较,如果电机转速一直无法达到要求,则在长时间内,有效值电路输出的电平大于设定的电平,使得充放电时间不等积分器输出翻转,产生故障信号。该信号同时还与比较器比较,选择放大电路限压值,使得其变小(DWl、DW2和DW3、DW4稳压值异一大一小),进而使得有效值电路输出小于设定电平,这样充放电时间不等积分器慢慢

放电,使故障信号保持一定时间,供计算机和操作人员查询监测。

 图4电机转速监测电路

2.5转速控制

   为了确保织物质量,织机工作时,必须保证确定张力的要求,在卷取筒线速度由摩擦离合器保证的情况下,送经电机转速必须及时精确,故为了消除速度静差,可按2型系统校正,采用单闭环速度调节系统。织造时,由于MC68331特殊的串行口QSPI能独立于CPIJ工作,故设置QSPI经MISO脚对张力传感器信号进行采集。与此同时,对速度传感器(编码器)的速度解码,供MC68331采集,速度信号和反馈回来的张力信号在CPU内进行数字处理以

决定转速信号。转速信号由QSPI的MOSI口输出,该值经D/A转换后,一方面输入到系统电机转速监测电路,另一方面输入到PI调节器,产生PWM信号控制电机转速。整个系统简化动态结构如图5。系统中标号为1的框图D/A(内含采样保持器)转换器等效传递函数,2为PI调节器的等效传递函数,3为驱动及逆变电路传递函数,4为电机的等效传递函数,5为测速传感器与滤波器传递函数,各参数具体含义可查阅文献[1]、[3]、[4]。

 图5系统动态模型图

3  结束语

   本文设计的驱动控制系统由于织机的特殊要求采用了单环双极性可逆PWM驱动,并且数字控制和模拟调节相结合,使得数字控制部分转速控制策略易变,适合不同织物的织造,同时发挥模拟PI调节的精确特点,使得织造的质量得到可靠保证,监测电路的设计使整个板子的智能化大大提高,电路在中低速控制中获得了较好的应用效果,实践表明其性能可靠,完全满足织机的性能要求。

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