CN103147178B - 基于无刷直流电机的新型高速倍捻机控制***及方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种基于无刷直流电机的新型高速倍捻机控制***及方法。现有的倍捻机控制***只能通过控制变频器来控制其他电机转速。本发明包括ARM处理器STM32F103、人机交互界面模块、485通讯模块、IPM功率驱动模块和无刷直流电机模块。人机交互界面模块和485通讯模块分别与ARM处理器的两个串行通信接口连接，它的PWM输出管脚与功率驱动模块的输入端相连，IPM功率驱动模块的U、V、W三个输出管脚与无刷直流电机一一对应连接，每一路无刷直流电机的电流和速度反馈端与本路及其他路的ARM处理器输入管脚相连。本发明可以协调控制倍捻机***内各个无刷直流电机的转速。

Description

基于无刷直流电机的新型高速倍捻机控制***及方法
技术领域
本发明属于纺机领域，具体涉及一种基于无刷直流电机的新型高速倍捻机控制***及方法。
背景技术
现有的高速倍捻机控制***，大多数都是由一个可编程控制器为主控制单元，控制锭子电机速度（变频器调速）、卷绕电机速度（变频器调速）、横动移纱电机速度（伺服驱动器调速），用LCD触摸屏设置和显示工艺参数的控制方案。这种控制***不仅对CPU的性能要求很高，控制很复杂，并且最终纱线成型效果也不太理想。另外普通交流感应电机的工作效率低，噪声也大，能源损耗比较严重。
发明内容
本发明目的在于针对现有技术的不足，提出一种基于无刷直流电机的新型高速倍捻机控制***及方法。
本发明基于无刷直流电机的新型高速倍捻机控制***包括人机交互界面模块、卷绕电机控制器模块、横动成型电机控制器模块、多个锭子电机控制器模块、卷绕电机驱动器模块、横动成型电机驱动器模块、多个锭子电机驱动器模块和多个无刷直流电机；所述的卷绕电机控制器模块、横动成型控制器模块和多个锭子电机控制器模块采用ARM处理器STM32F103，所述的卷绕电机驱动器模块、横动成型电机驱动器模块、多个锭子电机驱动器模块采用IPM功率驱动模块；每一个控制电路包括一个控制器模块、一个驱动器模块和一个无刷直流电机，控制器模块的PWM输出管脚与驱动器模块的信号输入管脚连接，驱动器模块的U、V、W三个输出管脚与无刷直流电机一一对应连接。卷绕电机即1号无刷直流电机的霍尔位置传感器与本路及其他各路控制器模块的输入捕获管脚连接，卷绕电机即1号无刷直流电机的电流反馈端与本路及其他各路控制器模块的ADC模块输入管脚连接。2号~N号无刷直流电机的霍尔位置传感器与本路控制器模块的输入捕获管脚连接，2号~N号无刷直流电机的电流反馈端与本路控制器模块的ADC模块输入管脚连接。各个电机控制器模块通过485通信模块与其他控制电路的控制器模块连接。所述的人机交互界面模块与卷绕电机控制器模块之间通过串行通信接口连接。
基于无刷直流电机的新型高速倍捻机控制方法，包括以下步骤：
步骤(1)：ARM处理器获取人机交互界面装置中的IPM模块选择指令信息 
Figure 2013100951322100002DEST_PATH_IMAGE002
,纱线线速设定指令信息
Figure 2013100951322100002DEST_PATH_IMAGE004
，捻度设定指令信息
Figure 2013100951322100002DEST_PATH_IMAGE006
；
步骤(2)：ARM处理器获取
Figure 2013100951322100002DEST_PATH_IMAGE008
，
Figure 2013100951322100002DEST_PATH_IMAGE010
，
Figure 2013100951322100002DEST_PATH_IMAGE012
，先将
Figure 219876DEST_PATH_IMAGE008
和
Figure 137016DEST_PATH_IMAGE012
暂存，根据捻度计算公式：锭速=捻度*卷绕线速，因此可由捻度计算公式计算出锭子转速和卷绕线速间的跟踪关系，再根据导纱角公式：导纱器速度=卷绕绕速*tgθ，其中θ为交叉角，导纱器速度即为横动成型电机的转速，计算出横动成型电机的横动频率，由ARM处理器根据设定的
Figure 228338DEST_PATH_IMAGE010
自动调节无刷直流电机驱动器的PWM占空比
Figure DEST_PATH_IMAGE014
，控制无刷直流电机的转速；在ARM处理器的PWM管脚与功率驱动模块的输入管脚之间添加一个时间常数为
Figure DEST_PATH_IMAGE016
的滤波环节，其中
Figure 685864DEST_PATH_IMAGE016
与反馈信号滤波电路的时间常数相一致，保证给定信号与反馈信号经过同样的延迟，在时间上达到同步； 
步骤(3)：ARM处理器通过比较发现如果
Figure DEST_PATH_IMAGE020
下的
Figure 687187DEST_PATH_IMAGE004
有更新，则在无刷直流电机驱动器功率开关管导通期间的中部，检测驱动器直流回路母线的电流，并输出一个4～20mA的电流反馈信号
Figure DEST_PATH_IMAGE022
 ，送入本路和其他各路控制器模块的ADC模块。ARM处理器的输入捕获模块通过捕获霍尔传感器上升脉冲信号，采用中值平均滤波算法计算出实际转速测量值，再对所测量得到的各个电流信号、转速信号与设定值进行对比，然后协调和修正各个无刷直流电机的转速，确保倍捻机能自动完成纱线成型。
本发明有益效果是：倍捻机根据设定的纱线速度自动协调控制锭子电机和横动移纱电机的转速，从而提高了工作效率和纱线成型质量。设定倍捻机线速后，通过锭子电机和横动移纱电机的电流反馈和速度反馈，用电流环作为速度环的内环，来确保卷绕电机和横动移纱电机的实际转速自动跟随纱线的线速。本发明通过有效协调控制各无刷直流电机间的转速，克服了以往倍捻机通过齿轮变速箱和皮带进行传动，大大提高了倍捻机的电效率。通过485通讯接口把倍捻机运行参数实时地上传到上位机，实现了远程监控。本发明通过用无刷直流电机替代传统的交流感应电机，不仅消除了传统多级减速方案所带来的损耗，而且无刷直流电机还具有体积小、重量轻、力矩大、调速范围广、可靠性好和效率高等特点，所以采用本发明方案后，倍捻机的综合节电率可达20%~60%，节能效果十分显著。
附图说明
图1为本发明的电路原理框图。
具体实施方式
如图1所示，基于无刷直流电机的新型高速倍捻机控制***包括人机交互界面模块、卷绕电机控制器模块、横动成型电机控制器模块、多个锭子电机控制器模块、卷绕电机驱动器模块、横动成型电机驱动器模块、多个锭子电机驱动器模块和多个无刷直流电机；所述的卷绕电机控制器模块、横动成型控制器模块和多个锭子电机控制器模块采用ARM处理器STM32F103，所述的卷绕电机驱动器模块、横动成型电机驱动器模块、多个锭子电机驱动器模块采用IPM功率驱动模块；每一个控制电路包括一个控制器模块、一个驱动器模块和一个无刷直流电机，控制器模块的PWM输出管脚与驱动器模块的信号输入管脚连接，驱动器模块的U、V、W三个输出管脚与无刷直流电机一一对应连接。卷绕电机即1号无刷直流电机的霍尔位置传感器与本路及其他各路控制器模块的输入捕获管脚连接，卷绕电机即1号无刷直流电机的电流反馈端与本路及其他各路控制器模块的ADC模块输入管脚连接。2号~N号无刷直流电机的霍尔位置传感器与本路控制器模块的输入捕获管脚连接，2号~N号无刷直流电机的电流反馈端与本路控制器模块的ADC模块输入管脚连接。各个电机控制器模块通过485通信模块与其他控制电路的控制器模块连接。所述的人机交互界面模块与卷绕电机控制器模块之间通过串行通信接口连接。
基于无刷直流电机的新型高速倍捻机控制方法，包括以下步骤：
步骤(1)：ARM处理器获取人机交互界面装置中的IPM模块选择指令信息
Figure 571966DEST_PATH_IMAGE002
,纱线线速设定指令信息
Figure 652049DEST_PATH_IMAGE004
，捻度设定指令信息
Figure 850949DEST_PATH_IMAGE006
；
步骤(2)：ARM处理器获取
Figure 582144DEST_PATH_IMAGE008
，
Figure 575508DEST_PATH_IMAGE010
，
Figure 641422DEST_PATH_IMAGE012
，先将和
Figure 964136DEST_PATH_IMAGE012
暂存，根据捻度计算公式：锭速=捻度*卷绕线速，因此可由捻度计算公式计算出锭子转速和卷绕线速间的跟踪关系，再根据导纱角公式：导纱器速度=卷绕绕速*tgθ，其中θ为交叉角，导纱器速度即为横动成型电机的转速，计算出横动成型电机的横动频率，由ARM处理器根据设定的
Figure 207030DEST_PATH_IMAGE010
自动调节无刷直流电机驱动器的PWM占空比
Figure 448655DEST_PATH_IMAGE014
，控制无刷直流电机的转速；在ARM处理器的PWM管脚与功率驱动模块的输入管脚之间添加一个时间常数为的滤波环节，其中
Figure 429567DEST_PATH_IMAGE016
与反馈信号滤波电路的时间常数
Figure 82177DEST_PATH_IMAGE018
相一致，保证给定信号与反馈信号经过同样的延迟，在时间上达到同步； 
步骤(3)：ARM处理器通过比较发现如果下的
Figure 811098DEST_PATH_IMAGE004
有更新，则在无刷直流电机驱动器功率开关管导通期间的中部，检测驱动器直流回路母线的电流，并输出一个4～20mA的电流反馈信号
Figure 952230DEST_PATH_IMAGE022
 ，送入本路和和其他各路控制器模块的ADC模块。ARM处理器的输入捕获模块通过捕获霍尔传感器上升脉冲信号，采用中值平均滤波算法计算出实际转速测量值
Figure 263256DEST_PATH_IMAGE024
，再对所测量得到的各个电流信号、转速信号与设定值进行对比，然后协调和修正各个无刷直流电机的转速，确保倍捻机能自动完成纱线成型。 

Claims (2)

1.基于无刷直流电机的高速倍捻机控制***包括人机交互界面模块、卷绕电机控制器模块、横动成型电机控制器模块、多个锭子电机控制器模块、卷绕电机驱动器模块、横动成型电机驱动器模块、多个锭子电机驱动器模块和多个无刷直流电机；其特征在于：所述的卷绕电机控制器模块、横动成型控制器模块和多个锭子电机控制器模块采用ARM处理器STM32F103，所述的卷绕电机驱动器模块、横动成型电机驱动器模块、多个锭子电机驱动器模块采用IPM功率驱动模块；每一个控制电路包括一个控制器模块、一个驱动器模块和一个无刷直流电机，控制器模块的PWM输出管脚与驱动器模块的信号输入管脚连接，驱动器模块的U、V、W三个输出管脚与无刷直流电机一一对应连接；卷绕电机即1号无刷直流电机的霍尔位置传感器与本路及其他各路控制器模块的输入捕获管脚连接，卷绕电机即1号无刷直流电机的电流反馈端与本路及其他各路控制器模块的ADC模块输入管脚连接；2号～N号无刷直流电机的霍尔位置传感器与本路控制器模块的输入捕获管脚连接，2号～N号无刷直流电机的电流反馈端与本路控制器模块的ADC模块输入管脚连接；各个电机控制器模块通过485通信模块与其他控制电路的控制器模块连接；所述的人机交互界面模块与卷绕电机控制器模块之间通过串行通信接口连接。
2.基于无刷直流电机的高速倍捻机控制方法，其特征在于该方法包括以下步骤：
步骤(1)：ARM处理器获取人机交互界面装置中的IPM模块选择指令信息Mi，i＝1,2......n,纱线线速设定指令信息ωi，i＝1,2......n，捻度设定指令信息ηi，i＝1,2......n；
步骤(2)：ARM处理器获取Mi，ωi，ηi，先将Mi和ηi暂存，根据捻度计算公式：锭速=捻度*卷绕线速，因此可由捻度计算公式计算出锭子转速和卷绕线速间的跟踪关系，再根据导纱角公式：导纱器速度=卷绕绕速*tgθ，其中θ为交叉角，导纱器速度即为横动成型电机的转速，计算出横动成型电机的横动频率，由ARM处理器根据设定的ωi自动调节无刷直流电机驱动器的PWM占空比δi，控制无刷直流电机的转速；在ARM处理器的PWM管脚与功率驱动模块的输入管脚之间添加一个时间常数为τ的滤波环节，其中τ与反馈信号滤波电路的时间常数γ相一致，保证给定信号与反馈信号经过同样的延迟，在时间上达到同步；
步骤(3)：ARM处理器通过比较发现如果Mi下的ωi，i＝1,2......n有更新，则在无刷直流电机驱动器功率开关管导通期间的中部，检测驱动器直流回路母线的电流，并输出一个4～20mA的电流反馈信号λi，i＝1,2......n，送入本路和其他各路控制器模块的ADC模块；ARM处理器的输入捕获模块通过捕获霍尔传感器上升脉冲信号，采用中值平均滤波算法计算出实际转速测量值νi，i＝1,2......n，再对所测量得到的各个电流信号、转速信号与设定值进行对比，然后协调和修正各个无刷直流电机的转速，确保倍捻机能自动完成纱线成型。
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