永磁無刷電動(dòng)機(jī)在自動(dòng)排線系統(tǒng)中的應(yīng)用

周有立

(溫州職業(yè)技術(shù)學(xué)院，浙江溫州325035)

0 引 言

自動(dòng)排線在電線的卷取、紡織工業(yè)中紗錠、纖維的繞制等應(yīng)用方面非常廣泛。一般繞線機(jī)是由放線系統(tǒng)、繞線系統(tǒng)、排線系統(tǒng)組成。要求被繞物以恒線速、恒張力卷取，而排線系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)的目的是將被繞物按一定的間隙有規(guī)律、無重疊地排列。

傳統(tǒng)的自動(dòng)排線電機(jī)使用有刷直流伺服電動(dòng)機(jī)，機(jī)械換向器和電刷會(huì)引起諸多問題。碳刷及整流子在電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)會(huì)產(chǎn)生火花，碳粉因此除了會(huì)造成組件損壞之外，使用場合也受到限制。也有人從實(shí)現(xiàn)開環(huán)無誤差跟隨結(jié)構(gòu)、編程控制簡易等方面考慮選用步進(jìn)電動(dòng)機(jī)，但定位精度不高且易受影響。因?yàn)槎ㄎ痪戎饕坎竭M(jìn)電動(dòng)機(jī)的步距精度和傳動(dòng)機(jī)構(gòu)精度維持，而定位系統(tǒng)本身的精度誤差、機(jī)械磨損、溫度熱膨脹效應(yīng)以及外界振動(dòng)因素的影響，將會(huì)產(chǎn)生嚴(yán)重偏道現(xiàn)象，由于輸出未設(shè)置位置反饋信號(hào)，一旦嚴(yán)重偏道發(fā)生，定位系統(tǒng)是無能為力的。永磁無刷直流電動(dòng)機(jī)具有響應(yīng)快速、效率高、壽命長、轉(zhuǎn)動(dòng)慣量低、起動(dòng)轉(zhuǎn)矩較大、從零轉(zhuǎn)速至額定轉(zhuǎn)速具備可提供額定轉(zhuǎn)矩的性能，非常適合自動(dòng)排線。

本文介紹了電纜廠家設(shè)計(jì)電線產(chǎn)線分盤機(jī)。分盤機(jī)是將大盤的線材按一定的長度收到小盤上并精密排列，如圖1所示。以NXP半導(dǎo)體公司LPC3250系列芯片控制核心，以永磁直流電動(dòng)機(jī)為執(zhí)行機(jī)構(gòu)。繞線電機(jī)與排線電機(jī)根據(jù)設(shè)定線徑配合運(yùn)動(dòng)。采用編碼器反饋，雙閉環(huán)PI控制。

圖1 排線結(jié)構(gòu)圖

1 自動(dòng)排線系統(tǒng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)的硬件結(jié)構(gòu)

隨著電子電路以及大規(guī)模集成電路發(fā)展，ARM微處理器以及技術(shù)的應(yīng)用已經(jīng)滲透到工業(yè)控制各個(gè)領(lǐng)域。為開發(fā)自動(dòng)排線系統(tǒng)提供了硬件基礎(chǔ)。自動(dòng)排線系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)如圖2所示，控制芯片采用NXP公司LPC3250系列芯片，該芯片適用于要求高性能和低功耗結(jié)合的嵌入式應(yīng)用中。片內(nèi)集成了豐富的電機(jī)控制部件(事件管理器、PWM產(chǎn)生電路、ADC轉(zhuǎn)換模塊等)，為實(shí)現(xiàn)無刷直流電動(dòng)機(jī)控制提供了極大方便。

圖2 系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)圖

硬件上放棄了以前傳統(tǒng)IGBT以及驅(qū)動(dòng)電路，執(zhí)行器逆變電路采用智能功率模塊(IPM)。IPM內(nèi)部集成了邏輯、控制、檢測和保護(hù)電路，使用方便，不僅減少了系統(tǒng)的體積，縮短了開發(fā)時(shí)間，也增強(qiáng)了系統(tǒng)的可靠性，適應(yīng)了當(dāng)今功率器件的發(fā)展方向。系統(tǒng)選用110ZW型電動(dòng)機(jī)，其輸入電壓為300 V，額定電流4.2 A，額定轉(zhuǎn)速2 000 r/min。PS21265型IPM智能功率模塊，其額定電流20 A，額定電壓600 V。由于目前無刷直流電動(dòng)機(jī)無位置傳感器控制技術(shù)或者利用霍爾換向元件的輸出實(shí)現(xiàn)調(diào)節(jié)的伺服控制系統(tǒng)，只能把速度調(diào)節(jié)到設(shè)定速度的±1% ～5%。本系統(tǒng)采用旋轉(zhuǎn)增量式編碼器，一周A、B相輸出500個(gè)脈沖，可利用90°相位差的A、B兩路信號(hào)進(jìn)行倍頻，根據(jù)上升和下降沿分辨率達(dá)2 000，每轉(zhuǎn)輸出一個(gè)Z相脈沖以代表零位參考位。

2 自動(dòng)排線系統(tǒng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)軟件設(shè)計(jì)

自動(dòng)排線系統(tǒng)需要絲桿來回移動(dòng)，這需要電機(jī)頻繁正、反轉(zhuǎn)的運(yùn)動(dòng)傳動(dòng)系統(tǒng)，為提高起動(dòng)、制動(dòng)、換向響應(yīng)時(shí)間，采用速度和電流雙閉環(huán)系統(tǒng)。PID控制器作為經(jīng)典控制理論中的線性調(diào)節(jié)器在實(shí)際應(yīng)用中發(fā)揮著重要作用，其通過調(diào)節(jié)可以使被控量無靜差地跟隨設(shè)定值。而在電機(jī)的控制器中，為了避免實(shí)際輸出值中諧波噪聲的影響，一般不加入微分環(huán)節(jié)，只采用PI控制器。本系統(tǒng)采用如圖3所示的調(diào)速系統(tǒng)。

圖3 微機(jī)控制雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)原理框圖

直流電動(dòng)機(jī)的數(shù)學(xué)模型計(jì)算是直流調(diào)速系統(tǒng)設(shè)計(jì)的重要環(huán)節(jié)，這里利用傳統(tǒng)方法，根據(jù)直流電動(dòng)機(jī)的電氣方程和機(jī)械特性方程求得直流電動(dòng)機(jī)的數(shù)學(xué)模型。

采用PI調(diào)節(jié)器，把電流環(huán)校正成典型Ⅰ型系統(tǒng):

按照典型Ⅱ型系統(tǒng)的設(shè)計(jì)要求把速度設(shè)計(jì)成典型Ⅱ型:

經(jīng)校正后的自動(dòng)排線系統(tǒng)如圖4所示。

圖4 自動(dòng)排線系統(tǒng)動(dòng)態(tài)結(jié)構(gòu)框圖

Matlab/Simulink仿真結(jié)果如圖5所示。超調(diào)44%，調(diào)節(jié)時(shí)間ts=0.5 s(誤差2%)。

圖5 單位階躍響應(yīng)曲線圖

通過電流環(huán)和轉(zhuǎn)速環(huán)的設(shè)計(jì)，系統(tǒng)已經(jīng)具有了良好的穩(wěn)態(tài)和動(dòng)態(tài)性能。但是這種雙閉環(huán)系統(tǒng)的不足之處也是顯而易見的，轉(zhuǎn)速必然超調(diào)，對(duì)系統(tǒng)會(huì)沖擊，影響繞線質(zhì)量。積分分離PI算法控制策略能抑制甚至徹底消除超調(diào)，既保證系統(tǒng)調(diào)整時(shí)間短，又使系統(tǒng)的超調(diào)減小。本系統(tǒng)采用傳統(tǒng)雙閉環(huán)設(shè)計(jì)，再通過Matlab仿真，達(dá)到預(yù)期的初步目的，再利用數(shù)字積分分離PI通過現(xiàn)場調(diào)試，實(shí)現(xiàn)并達(dá)到如下的響應(yīng)曲線，如圖6所示。積分分離式PI算法如下:當(dāng)被控量與設(shè)定值偏差較大時(shí)，取消積分作用，避免了由于積分作用造成系統(tǒng)穩(wěn)定性降低、超調(diào)量增大的不利影響;當(dāng)被控量接近給定值時(shí)，引入積分控制，從而消除靜差，提高控制精度。積分分離式PI形式如下:

圖6 積分分離PI起動(dòng)曲線圖

式中:β為積分項(xiàng)分離開關(guān)系數(shù)，

將實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)μC/OS－II移植到LPC3250系統(tǒng)之后，應(yīng)用程序設(shè)計(jì)就變得比較容易了。盡管自動(dòng)排線系統(tǒng)的任務(wù)比較繁多，功能比較強(qiáng)大，但我們可以將比較復(fù)雜的任務(wù)模塊化，按照功能劃分為多個(gè)任務(wù)，各個(gè)任務(wù)可以分別編寫模塊程序，模塊化程序更容易開發(fā)與升級(jí)。無刷直流電動(dòng)機(jī)的控制系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)主要由如下幾部分構(gòu)成:ARM各個(gè)事件管理器初始化程序、電機(jī)控制PWM模塊、閉環(huán)換向調(diào)節(jié)程序、中斷服務(wù)程序、電流環(huán)以及速度環(huán)調(diào)節(jié)程序。LPC3250的初始化主要完成系統(tǒng)時(shí)鐘、看門狗、I/O端口、系統(tǒng)中斷、各個(gè)控制寄存器及其中斷的設(shè)置，以及軟件中各變量的初始化和輔助寄存器的設(shè)置等功能。閉環(huán)換向調(diào)節(jié)程序由LPC3250負(fù)責(zé)根據(jù)編碼器采集到的信號(hào)，根據(jù)編碼器算法對(duì)電機(jī)進(jìn)行換向調(diào)節(jié)。中斷服務(wù)程序的作用是根據(jù)定時(shí)器的溢出中斷而產(chǎn)生ADC采樣。而ADC中斷主要負(fù)責(zé)實(shí)時(shí)獲取電流采集信號(hào)A/D轉(zhuǎn)換結(jié)果，為LPC3250提供所需電流數(shù)據(jù)。電流環(huán)以及速度環(huán)調(diào)節(jié)根據(jù)采樣周期ΔT為間隔，對(duì)反饋電流和用編碼器反饋速度進(jìn)行數(shù)字積分分離式PI計(jì)算，再經(jīng)PWM輸出量進(jìn)行控制。按照任務(wù)的重要性和系統(tǒng)響應(yīng)對(duì)時(shí)間的要求分配優(yōu)先級(jí)，對(duì)時(shí)間要求高的分配級(jí)數(shù)低，任務(wù)優(yōu)先級(jí)越高。

3 結(jié) 語

我們利用經(jīng)典雙閉環(huán)成熟經(jīng)驗(yàn)加嵌入式數(shù)字積分分離PI的調(diào)節(jié)器，開發(fā)周期短，借鑒資料多，開發(fā)的實(shí)用的自動(dòng)排線繞線機(jī)，低速力矩大，運(yùn)行平穩(wěn)，調(diào)速比寬整機(jī)傳動(dòng)平穩(wěn)、排線整齊、噪聲小、計(jì)數(shù)準(zhǔn)確。排線系統(tǒng)處理器采用嵌入式ARM9控制，操作采用觸摸人機(jī)界面控制操作方便靈活。經(jīng)實(shí)際使用，反映良好，具有良好的應(yīng)用價(jià)值及前景。

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