織機(jī)主傳動(dòng)控制系統(tǒng)的優(yōu)化及應(yīng)用

徐偉鋒 毛華先 林英華

（1.紹興職業(yè)技術(shù)學(xué)院，浙江紹興，312000；2.杭州中達(dá)電機(jī)有限公司，浙江杭州，310024）

織機(jī)作為紡織行業(yè)最主要的設(shè)備，迫切需要對(duì)其進(jìn)行升級(jí)改造或更新?lián)Q代，其中，無(wú)梭織機(jī)以其重量輕、振動(dòng)小、噪聲低、車速快等特點(diǎn)已逐步替代有梭織機(jī)［1］。同時(shí)，將先進(jìn)的智能化技術(shù)應(yīng)用到織機(jī)開發(fā)和生產(chǎn)中，能夠有效提升織機(jī)的開發(fā)、生產(chǎn)效率，提高織機(jī)制造水平和產(chǎn)品的性能［2］。目前，國(guó)內(nèi)外多數(shù)無(wú)梭織機(jī)主傳動(dòng)系統(tǒng)仍通過主傳動(dòng)電機(jī)與織機(jī)主軸之間的傳動(dòng)鏈或皮帶，把電機(jī)的驅(qū)動(dòng)力矩傳送給織機(jī)主軸，并通過控制離合器與制動(dòng)器的結(jié)合或脫離來(lái)實(shí)現(xiàn)織機(jī)主傳動(dòng)的啟動(dòng)或制動(dòng)，織機(jī)調(diào)速難度大，傳動(dòng)機(jī)構(gòu)能耗高、效率低、智能化程度低。而隨著國(guó)內(nèi)無(wú)梭織機(jī)產(chǎn)業(yè)鏈的形成，織機(jī)技術(shù)水平和性能質(zhì)量有所提升，但與國(guó)外相比，織機(jī)在智能化、高性能等方面還需改進(jìn)和完善。

針對(duì)上述問題，為實(shí)現(xiàn)無(wú)梭織機(jī)智能化織造，提高織機(jī)可靠性和穩(wěn)定性，降低織機(jī)傳動(dòng)系統(tǒng)能耗，提升織機(jī)效率，對(duì)無(wú)梭織機(jī)主傳動(dòng)控制系統(tǒng)的關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行改進(jìn)和優(yōu)化，具有較高的應(yīng)用價(jià)值。

1 織機(jī)主傳動(dòng)控制系統(tǒng)的傳動(dòng)機(jī)構(gòu)

傳統(tǒng)無(wú)梭織機(jī)主傳動(dòng)控制系統(tǒng)的傳動(dòng)機(jī)構(gòu)通常由三相交流異步電動(dòng)機(jī)、皮帶傳動(dòng)裝置、主軸傳動(dòng)裝置和機(jī)械式位置傳感器以及電磁制動(dòng)器等組成，其織機(jī)高速運(yùn)行的精準(zhǔn)性主要通過位置傳感器檢測(cè)反饋主軸轉(zhuǎn)動(dòng)位置信息加以保證，系統(tǒng)負(fù)載變化大、抗干擾能力差、能耗高、效率低［3］。并且，由于該系統(tǒng)位置傳感器的安裝，加大了傳動(dòng)機(jī)構(gòu)的復(fù)雜程度，易受工作環(huán)境溫度和電磁噪聲影響，從而降低系統(tǒng)的可靠性，增加維修難度和成本。所以對(duì)傳統(tǒng)無(wú)梭織機(jī)主傳動(dòng)控制系統(tǒng)中的傳動(dòng)機(jī)構(gòu)進(jìn)行改進(jìn)，采用織機(jī)主電機(jī)與織機(jī)直接聯(lián)動(dòng)，去除中間傳動(dòng)環(huán)節(jié)，提高織機(jī)的效率和可靠性，降低能耗和成本。

與三相異步電動(dòng)機(jī)相比，永磁同步電機(jī)（Per?manent Magnet Synchronous Motor，PMSM）定子電流和阻抗損耗小，無(wú)轉(zhuǎn)子阻抗損耗，總損耗低，功率因數(shù)高，并具有體積小、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、效率高、調(diào)速性能好以及節(jié)能效果明顯等優(yōu)點(diǎn)，適合用在負(fù)載波動(dòng)大且變化很快的場(chǎng)合。為實(shí)現(xiàn)織機(jī)直接式傳動(dòng)系統(tǒng)運(yùn)行平穩(wěn)和寬頻調(diào)速，保證織機(jī)迅速啟動(dòng)，本研究采用自主開發(fā)的織機(jī)專用無(wú)位置傳感器大啟動(dòng)力矩PMSM作為織機(jī)主傳動(dòng)電機(jī)，并通過提取PMSM反饋電壓、電流等信息間接計(jì)算估計(jì)，獲取轉(zhuǎn)子速度和位置信息。該P(yáng)MSM內(nèi)部采用結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單且磁路性能較好的表貼式轉(zhuǎn)子磁路結(jié)構(gòu)，定子繞組選用集中繞組。

2 織機(jī)主傳動(dòng)控制系統(tǒng)的控制方法

目前，國(guó)內(nèi)外對(duì)PMSM無(wú)位置傳感器控制技術(shù)已有深入研究?？刂品椒ㄖ兄饕蠵MSM低速控制和中高速控制兩大類，其中，低速控制通過電機(jī)凸極特性獲取位置信息，主要有脈振高頻信號(hào)注入法、高頻方波信號(hào)注入法、旋轉(zhuǎn)高頻信號(hào)注入法等；而中高速控制利用電機(jī)反饋的電信號(hào)獲取位置信息，主要有模型參考自適應(yīng)法、滑模觀測(cè)器法和擴(kuò)展卡爾曼濾波器法等［4］。由于模型參考自 適 應(yīng)（Model Reference Adaptive System，MRAS）控制方法具有較好的動(dòng)態(tài)性能，實(shí)現(xiàn)簡(jiǎn)單，效果良好，所以織機(jī)主傳動(dòng)控制系統(tǒng)在中高速時(shí)采用MRAS控制。根據(jù)PMSM在兩相同步旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系下的電流方程［5］見式（1）。

式中：ud、id、L d分別為d軸定子電壓、電流、電感分量；uq、iq、L q分別為q軸定子電壓、電流、電感分量；R為定子電阻；?em為轉(zhuǎn)子電角速度；φf為轉(zhuǎn)子磁極磁通。

結(jié)合式（1）進(jìn)行變化運(yùn)算，得到該系統(tǒng)基于MRAS的參考模型見式（2），可調(diào)模型見式（3）。

結(jié)合式（1）~式（3），根據(jù)Popov超穩(wěn)定理論［6］，可求解推得自適應(yīng)律，見式（4）。

式中：K i、K p分別為自適應(yīng)律微分、比例調(diào)節(jié)系數(shù)，為傳遞函數(shù)。

由于MRAS在零速或低速運(yùn)行中，檢測(cè)的反電動(dòng)勢(shì)很小或檢測(cè)不到，導(dǎo)致反饋信息失效，無(wú)法獲得轉(zhuǎn)子速度和位置信息。而脈振高頻注入法在零速或低速運(yùn)行中，能較好地檢測(cè)電機(jī)轉(zhuǎn)子速度和位置信息。所以，在零速或低速運(yùn)行時(shí)，織機(jī)主傳動(dòng)控制系統(tǒng)采用脈沖高頻電壓注入法，獲得轉(zhuǎn)子速度和位置信息，其注入高頻電壓方程見式（5）。

式中：uin、ωin分別為注入脈振高頻電壓信號(hào)的幅值和角頻率。

式中：L0=(L d+L q)/2為均值電感，L1=(L d-L q)/2為差值電感，Δθe為轉(zhuǎn)子角度偏差。

由式（6）可知，高頻電流分量可通過合適的帶通濾波器進(jìn)行幅值調(diào)制，提取出高頻電流信號(hào)后，再通過低通濾波器，獲得估計(jì)轉(zhuǎn)子位置偏差，作為轉(zhuǎn)子位置跟蹤觀測(cè)器的輸入信號(hào)，進(jìn)行轉(zhuǎn)子速度和位置的辨識(shí)，構(gòu)建新的函數(shù)見式（7）。

為實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)全速范圍無(wú)位置傳感器PMSM運(yùn)行控制，確保系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)快速響應(yīng)，將應(yīng)用較好的脈振高頻信號(hào)注入法和模型參數(shù)自適應(yīng)法的兩種控制方法有效融合，并通過權(quán)重算法平滑切換控制優(yōu)化。在零速或低速時(shí)，高頻電壓注入法對(duì)應(yīng)速度切換區(qū)間下限高于MRAS所對(duì)應(yīng)有效運(yùn)行的最低速度，而在中高速時(shí)，其對(duì)應(yīng)的速度切換區(qū)間上限低于脈振高頻電壓信號(hào)注入法所對(duì)應(yīng)有效自啟動(dòng)的最高速度，建立織機(jī)主傳動(dòng)自適應(yīng)混合控制系統(tǒng)，其系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示。

圖1 織機(jī)主傳動(dòng)PMSM無(wú)位置傳感器自適應(yīng)混合控制結(jié)構(gòu)框圖

3 試驗(yàn)與測(cè)試

3.1 試驗(yàn)仿真

利用MATLAB/Simulink仿真平臺(tái)，對(duì)織機(jī)主傳動(dòng)PMSM無(wú)傳感器自適應(yīng)混合控制系統(tǒng)進(jìn)行仿真試驗(yàn)。仿真采用的織機(jī)主傳動(dòng)PMSM參數(shù)：電機(jī)參考額定轉(zhuǎn)速600 r/min，電機(jī)極對(duì)數(shù)pn=10，電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)慣量J=23×10-4kg·m2，定子電阻R=2.1Ω，定子電感d軸分量L d=7 mH，定子電感q軸分量L q=7.3 mH，轉(zhuǎn)子磁體磁通φf=0.18 Wb，阻尼系數(shù)B=0，其織機(jī)主傳動(dòng)PMSM轉(zhuǎn)子速度和位置仿真結(jié)果如圖2和圖3所示。

圖2 PMSM轉(zhuǎn)子速度估計(jì)值與實(shí)際值對(duì)比曲線

圖3 PMSM轉(zhuǎn)子位置估計(jì)值與給定值對(duì)比曲線

從仿真結(jié)果可知，織機(jī)主傳動(dòng)PMSM從零速開始運(yùn)行時(shí)，系統(tǒng)響應(yīng)速度快，轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速和位置有微弱波動(dòng)，但隨轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速的上升，轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速和位置偏差減小，在運(yùn)行0.1 s后系統(tǒng)趨于平穩(wěn)運(yùn)行，能滿足實(shí)際織機(jī)控制性能的要求。

3.2 性能測(cè)試

為驗(yàn)證本研究織機(jī)主傳動(dòng)PMSM無(wú)位置傳感器控制系統(tǒng)的運(yùn)行性能，在測(cè)試平臺(tái)上對(duì)該系統(tǒng)進(jìn)行測(cè)試，PMSM額定功率3.7 kW、額定電流5.5 A、額定頻率100 Hz，額定轉(zhuǎn)速600 r/min，電機(jī)極對(duì)數(shù)10，額定輸出轉(zhuǎn)矩60 N·m，最大輸出轉(zhuǎn)矩180 N·m，如圖4所示。

圖4 織機(jī)主傳動(dòng)系統(tǒng)測(cè)試平臺(tái)

同時(shí)，采用TMS320F28035DSP型控制器，通過PMSM矢量控制系統(tǒng)對(duì)無(wú)位置傳感器自適應(yīng)混合控制方法進(jìn)行驗(yàn)證，織機(jī)主傳動(dòng)PMSM啟動(dòng)時(shí)電磁轉(zhuǎn)矩變化測(cè)試結(jié)果如圖5所示。可以看出，織機(jī)主傳動(dòng)PMSM在克服負(fù)載啟動(dòng)轉(zhuǎn)矩響應(yīng)時(shí)間較短，在0.2 s后電磁轉(zhuǎn)矩變化趨于穩(wěn)定，且波動(dòng)較小。

圖5 織機(jī)主傳動(dòng)PMSM電磁轉(zhuǎn)矩變化曲線

同時(shí)，按照實(shí)際現(xiàn)場(chǎng)運(yùn)行情況，對(duì)織機(jī)主傳動(dòng)PMSM進(jìn)行溫升測(cè)試，如圖6所示。結(jié)果表明，PMSM長(zhǎng)時(shí)間連續(xù)運(yùn)行，達(dá)到平穩(wěn)運(yùn)行后溫升變化較小，能滿足實(shí)際工作要求。

圖6 織機(jī)主傳動(dòng)PMSM溫升變化曲線

另外，在不同轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)矩情況下，對(duì)織機(jī)主傳動(dòng)控制系統(tǒng)的各參數(shù)進(jìn)行測(cè)試，其結(jié)果見表1。從表1可知，當(dāng)織機(jī)主傳動(dòng)PMSM處在額定轉(zhuǎn)矩及以下時(shí)，系統(tǒng)效率能達(dá)到90%以上，且輸出電流也較小，系統(tǒng)能耗降低。

表1 試驗(yàn)測(cè)試數(shù)據(jù)

4 結(jié)論

針對(duì)織機(jī)主傳動(dòng)控制系統(tǒng)效率低、能耗高、可靠性穩(wěn)定性差等問題，本研究應(yīng)用效果主要體現(xiàn)在以下幾個(gè)方面。

（1）織機(jī)主傳動(dòng)無(wú)位置傳感器PMSM轉(zhuǎn)子位置自適應(yīng)混合控制系統(tǒng)，將高頻信號(hào)注入法和模型參數(shù)自適應(yīng)法兩類控制方法有效融合及平滑切換，實(shí)現(xiàn)全速范圍內(nèi)對(duì)轉(zhuǎn)子速度和位置的檢測(cè)，確保系統(tǒng)的可靠性能。

（2）該系統(tǒng)動(dòng)態(tài)響應(yīng)快，PMSM輸入轉(zhuǎn)矩大，電機(jī)轉(zhuǎn)速和位置偏差波動(dòng)小，能在較短時(shí)間內(nèi)使系統(tǒng)趨于穩(wěn)定運(yùn)行，具有有效性和實(shí)用性。

（3）該系統(tǒng)優(yōu)化了織機(jī)的傳動(dòng)結(jié)構(gòu)，提高了設(shè)備的整體效率，節(jié)電效果顯著。