发明内容
本发明的目的是提供一种基于永磁同步伺服电机的张力控制方法及装置,该装置不仅可以实现转矩、张力动态调节,还可以将永磁同步伺服电机所产生的电能通过逆变的方式回馈电网,实现了节能,也省掉了冷却***。
本发明是通过以下技术方案实现的:
一种张力控制方法,采用变频器1控制异步电动机2驱动收卷辊3,并拖动开卷辊4运行,其特征在于采用永磁同步伺服电机5来控制开卷辊4,通过控制该永磁同步伺服电机5的转矩来实现***张力控制,同时将所述永磁同步伺服电机5因被收卷辊的驱动电机拖动运行而产生的电能回馈给电网。
作为优选的技术方案:所述永磁同步伺服电机5工作在转矩闭环控制状态下,通过控制定子电流的大小来调节输出转矩。所述永磁同步伺服电机5产生的电能经逆变后回馈给电网,所述逆变回馈环节是双闭环的控制结构,外环是电压环,控制直流母线电压维持在设定的大小,内环是电流环,控制逆变电流,逆变电流是按照有功分量和无功分量分别进行控制的,通过测量电网电压的相位,完成逆变电流的有功和无功分量的分解,与电网电压相位相同的分量为有功分量,与其正交的为无功分量,通过对有功和无功分量的控制,实现预期的功率因数。
一种张力控制装置,包括收卷部分和开卷部分,其中收卷部分包括依次相连的收卷辊3、收卷电机即异步电动机2、变频器1,开卷部分包括依次相连的开卷辊4和负载转矩提供装置,其特征在于所述负载转矩提供装置为一永磁同步伺服电机5,所述永磁同步伺服电机5的三相交流端与电机侧逆变器6的交流端相连,电机侧逆变器6的直流端通过直流母线与电源侧整流逆变器7的直流端相连,电源侧整流逆变器7的交流端与电网电压相连,所述电机侧逆变器6和电源侧整流逆变器7各自的开关控制端分别与同一片数字信号处理器8的两组PWM脉冲输出端相连。
作为优选的技术方案:所述永磁同步伺服电机5接有不含U、V、W定位信号的普通光电编码器9,所述控制装置中包含初始定位环节,采用动态搜寻的办法,完成永磁同步伺服电机初始位置的检测。所述电源侧整流逆变器7和电机侧逆变器6均在数字信号处理器8控制下工作,数字信号处理器8中的A/D转换电路用于采集电网侧交流电压、直流母线电压和永磁同步伺服电机的定子电流,数字信号处理器8中的正弦波脉宽调制电路分别与电源侧整流逆变器7、电机侧逆变器6的开关控制信号输入端相连,数字信号处理器8中的正交脉冲编码电路与光电编码器9相连。
本发明相对于现有技术具有以下优点:
1、本发明采用永磁同步伺服电机来控制开卷辊,通过控制该永磁同步伺服电机的转矩来实现张力控制,并通过控制定子电流实现转矩、张力的动态调节,最终提高了负载转矩和***张力的控制精度。
2、本发明将永磁同步伺服电机因被收卷辊的驱动电机拖动运行而产生的电能回馈给电网,实现了节能,也省掉了现有技术中的冷却***,降低了装置成本。
3、本发明将永磁同步伺服电机因被收卷辊的驱动电机拖动运行而产生的电能回馈给电网采用的逆变回馈环节是双闭环的控制结构,外环是电压环,用以控制直流母线电压维持在设定的大小;通过电流内环来控制逆变电流,逆变电流是按照有功分量和无功分量分别进行控制的;通过测量电网电压的相位,可完成逆变电流的有功和无功分量的分解,与电网电压相位相同的分量为有功分量,与其正交的为无功分量;通过对有功和无功分量的控制,可以实现预期的功率因数,基于该原理,采用将逆变电流中无功分量设为0的控制方式,可以使逆变回馈的功率因数接近于1。
具体实施方式
如图1所示,本发明涉及的张力控制方法和装置,可由普通变频器1控制异步电动机2来简单驱动收卷辊3,而开卷辊4由一永磁同步伺服电机5来控制,张力来自该永磁同步伺服电机5的转矩,本发明介绍的控制装置通过控制该永磁同步伺服电机的转矩来实现张力控制。该永磁同步伺服电机5实际是由收卷辊的驱动电动机拖动运行的,该永磁同步伺服电机5工作于发电状态,所发电能,亦通过本发明介绍的控制装置回馈给电网。
本发明的设计思想如下:
永磁同步伺服电机5工作在转矩闭环控制状态下,永磁同步伺服电机转子的位置被直接或间接地测量,根据转子的位置,确定定子磁场的位置。定子磁场的位置应当这样确定,它沿着转子磁场方向(d轴方向)的分量被控制到零,整个定子磁场沿着q轴方向,与转子正交。在上述条件下,电机的输出的转矩与定子电流的大小成正比。
通过控制定子电流大小的方法来调节输出转矩(或输出张力),这种控制过程按下面的方式来进行:电机定子的三相电流中的两相被直接或间接地测量,并依测量结果计算出第三相电流。通过对电机转子位置的测量,可以建立d-q轴坐标系,通过旋转变换运算,电机定子电流在此坐标系中被分解成了沿d轴的分量和沿q轴的分量。两个分量被分别控制,d轴分量的控制目标是零,而q轴分量的控制目标则由希望的输出转矩(或输出张力)的大小来确定。
输出转矩的控制是以对永磁同步伺服电机转子位置实时的正确测量为前提的,在本发明的装置中,采用增量式光电脉冲编码器9作为检测元件,结合对初始位置的检测,可以得到电机转子在0-360°范围内的绝对位置。
如前面所表述的那样,永磁同步伺服电机5用来提供所需的转矩(或张力),它是在收卷辊3的驱动电动机的拖动下被动地运行的,它实际上是工作在发电状态,它在提供转矩(或张力)的同时,将产生大量的电能。这些电能应当能够通过逆变回馈的方式,回送到电网中去。在这个问题上,本发明亦提供了一种解决的方法,依此方法,可以实现逆变电流与电网电压相位的一致,从而达到较高的功率因数。
永磁同步伺服电机5在产生转矩(或张力)的过程中所发出的电能,将导致直流母线电压的升高,而逆变回馈环节的作用,从外表来看,即是强行使直流母线电压趋向恒定。逆变回馈环节是双闭环的控制结构,外环是电压环,用以控制直流母线电压维持在设定的大小。通过电流内环来控制逆变输出电流,逆变输出电流是按照有功分量和无功分量分别进行控制的。通过测量电网电压的相位,可完成逆变电流的有功和无功分量的分解,与电网电压相位相同的分量为有功分量,与其正交的为无功分量。通过对有功和无功分量的控制,可以实现预期的功率因数。
实施例:附图1是本发明的控制装置的组成结构示意图,电源侧整流逆变器7和电机侧逆变器6均在数字信号处理器8(简称DSP)控制下工作。为了完成对“电源侧整流逆变器7”的控制,需要进行电网交流电压相位、电网侧逆变输出电流、直流母线电压等的检测。为了完成对“电机侧逆变器6”的控制,需要对永磁同步伺服电机相电流进行检测。所有检测量均经过DSP内部的A/D转换电路转换成数字量,具体输入方式如下:电网电压检测量通过DSP的ADCINAO转换通道输入,电网侧的两相逆变输出电流检测量分别通过ADCINA1和ADCINA2转换通道输入,直流母线电压检测量通过DSP的ADCINA3转换通道输入。永磁同步伺服电机的相电流检测量分别通过DSP的ADCINBO和ADCINB1转换通道输入。
所述“电源侧整流逆变器7”由一片智能功率模块IPM1构成(型号为IRAPMX20UP60),DSP的正弦波脉宽调制电路(简称PWM)输出信号可通过高速光电耦合器件(型号为6N137)的耦合传递,与该IPM1的控制输入端相连。具体连接方式如下:DSP的PWM1、PWM2信号控制IPM1的HIN1、LIN1端;DSP的PWM3、PWM4信号控制IPM的HIN2、LIN2端;DSP的PWM5、PWM6信号控制IPM的HIN3、LIN3端。
所述“电机侧逆变器6”亦由一片智能功率模块IPM2构成(型号亦为IRAPMX20UP60),DSP的PWM输出信号可通过高速光电耦合器件(型号为6N137)的耦合传递,与该IPM2的控制输入端相连。具体连接方式如下:DSP的PWM7、PWM8信号控制IPM2的HIN1、LIN1端;DSP的PWM9、PWM10信号控制IPM的HIN2、LIN2端;DSP的PWM11、PWM12信号控制IPM的HIN3、LIN3端。
所述永磁同步伺服电机5接有不含U、V、W定位信号的普通增量式光电编码器9(型号为ZSP5810),用于检测永磁同步伺服电机的转子转角。该增量编码器9输出三组差动脉冲信号,分别是A、/A;B、/B;Z、/Z。该三组差动脉冲信号可经过差动线路接收器(型号为MC3486)的三个差动通道接收后,形成信号SA、SB、SZ;编码器的信号经过DSP的正交脉冲编码电路(简称QEP)接口输入,具体连接方式是:SA脉冲信号通过DSP的CAP1_QEP1端输入,SB信号通过DSP的CAP2_QEP2端输入,SZ信号通过DSP的CAP3_QEPI1端输入。
本装置首先按图5所示的流程进行***启动,电网电压经过“电源侧整流逆变器7”后,形成直流母线电压,“电源侧整流逆变器7”IPM1内含3个桥臂,共6个IGBT开关管,每个IGBT开关管均与续流二极管反并联。“电源侧整流逆变器7”可以根据控制的要求,工作在整流或逆变状态下,在***刚开始工作时,在短时间里工作在整流状态下,其内部的6个续流二极管工作,完成整流,以建立直流母线电压。在正常的张力控制状态下,“电源侧整流逆变器7”工作于逆变状态,直流母线上的直流电能,通过逆变的方式回馈到电网。
“电机侧逆变器6”IPM2用于控制电机5的输出转矩,在***刚开始工作时,短时间里“电机侧逆变器6”工作在逆变状态下,将直流母线电压逆变为永磁同步伺服电机启动时所需的交流电压,在正常的张力控制状态下,“电机侧逆变器6”主要完成通过控制永磁同步伺服电机5定子电流来调整输出转矩。
“电源侧整流逆变器7”和“电机侧逆变器6”均在一片DSP的控制下工作,DSP选用TMS320F2812,该款DSP有12路SPWM输出,其中6路SPWM(A)用于控制“电源侧整流逆变器”另外的6路SPWM(B)用于控制“电机侧逆变器”。
DSP对“电源侧整流逆变器7”控制的目标有两个:第一在直流侧,把直流母线上的电能逆变回馈电网,保持直流母线电压的恒定。第二在交流侧,使逆变输出电流与电网电压相位相同,实现较高的功率因数。
为了实现上述目的,需要检测电网侧的交流电压、逆变输出电流、直流母线电压等。电网侧的交流电压可以通过电压互感器检测,逆变输出电流可以通过电流互感器检测,直流母线电压可以通过电阻分压的方式检测。所有的检测值均通过DSP内部的数模转换转换器(A/D)转换成数字量。
如附图2、附图7所示,DSP按照直流母线电压和逆变输出电流两个控制回路的方式实现对“电源侧整流逆变器7”的控制,直流母线电压控制回路是外环,而逆变输出电流闭环是内环,两个控制回路以串级的方式组合在一起。
在附图2中,YT是直流母线电压控制器,采用PID算法。YT的输出,可以作为逆变输出电流中的有功分量的给定。在算式(1)中,φa是电网电压的瞬时相位,iA、iB、iC分别是三相逆变输出电流。按照算式(1),可以得到逆变输出电流中的有功分量iP和无功分量iN。
在实现了对逆变电流中的有功分量和无功分量的分解的情况下,通过无功电流分量iN=0的控制方式,可以使逆变回馈的功率因数接近于1。
DSP对“电机侧逆变器6”的控制采用常规的三相永磁同步伺服电机的矢量控制策略,参见附图3和附图6。永磁同步伺服电机5工作在转矩控制状态下,其控制目的是要按照指令输出相应的转矩(或张力)。为了在一定的定子电流幅值下能够输出最大的转矩,最佳的控制方式是使定子电流与转子磁极的方向(d轴方向)正交,与q轴重合,也就是要保持id=0。在这种控制方式下,从模型上,交流永磁同步伺服电机已经相当于直流永磁电机,其转矩表达式为
T=PnΨrI1 (2)
式中,Ψr为转子磁链分量;T为输出电磁转矩;I1为定子电流;Pn为三相永磁同步伺服电机的磁极对数。
从式(2)可以看出,在满足了定子电流的相位与转子方向(d轴)正交这一条件后,电机的输出转矩与定子电流成正比,控制定子电流的大小,就可以控制电机的转矩。
实现上述目的前提是必须精确测量电机转子的位置,可采用增量式光电脉冲编码器作为检测元件,利用DSP内部的“QEP电路”作为编码器信号的接口。
采用无U、V、W定位信号的普通增量式光电脉冲编码器作为正弦波永磁同步伺服电机的转子位置检测元件,必须要在***刚上电时就测得电机转子的精确的初始位置,这样才能在以后的过程中随时得到转子的正确的位置,本发明控制装置中包含初始定位环节,采用动态搜寻的办法,完成永磁同步伺服电机初始位置的检测。
在控制***刚刚通电,电动机尚未运行时,***就应首先进行测量转子初始位置的工作。这个过程中,根据***的工作要求,在寻找初始位置的过程中,转子只允许有很微小的抖动,并且很快回归原位。具体工作过程可由附图4简单说明。
在初始定位的过程中,开始时,给定一个初始相位,产生定子电流矢量I1,I1的方向是任意取定的,设I1相对于转子的角度为γ1,由于转子的初始位置是待测的未知量,所以γ1也是未知的。只要γ1不为零,也就是说,只要I1没有与转子位置重合,转子在I1的作用下,就一定会发生转动,转动一开始,光电脉冲编码器发出脉冲,控制***接收到了光电脉冲编码器的脉冲,就知道了I1没有与转子重合,然后立即取消了电流矢量I1,并用与电流矢量I1,成180°的电流矢量-I1使转子回复原位,由此完成了寻找转子初始位置的第一次循环过程,转子只发生了一次微小的抖动,寻找转子初始位置的工作还需要继续进行。根据刚才光电脉冲编码器发出的脉冲信号所体现出的方向信息,***可以确认转子在I1的哪一侧,从而向着减小I1与转子夹角的方向改变定子电流矢量的相位,使得I1变为I2,开始了第二次寻找初始位置的循环过程,I2与转子的夹角是γ2,如果γ2仍然不为零,还将继续循环过程,向着减小夹角的方向发出电流矢量I3,I4……,直到最终,定子电流矢量与转子重合了,这时转子将不再抖动,光电脉冲编码器也不再有脉冲发出,***据此来判断出电流矢量与转子已经重合。这时,定子电流矢量的相位角就等于转子的初始位置角。
本发明中展开说明的技术方案均可用现有技术加以实现。
虽然结合附图描述了本发明的实施方式,但是本领域普通技术人员可以在所附权利要求的范围内做出各种变形或修改。