儲(chǔ)緯器電機(jī)無(wú)位置傳感器的全速域控制方法研究①

徐建明 王遠(yuǎn)超 張宇軒

(浙江工業(yè)大學(xué)信息工程學(xué)院 杭州310023)

0 引言

隨著紡織技術(shù)發(fā)展,現(xiàn)代紡織機(jī)器設(shè)備不斷升級(jí),儲(chǔ)緯器逐漸成了紡機(jī)必需的配套設(shè)備。為了適應(yīng)紡織行業(yè)的更高要求,儲(chǔ)緯器電機(jī)的調(diào)速范圍需要不斷拓寬。提高最高轉(zhuǎn)速可以提升紡織速度,加強(qiáng)低速平穩(wěn)性可以提升紡織質(zhì)量。為滿足儲(chǔ)緯器工作要求,儲(chǔ)緯器電機(jī)需要快速響應(yīng)完成加減速,防止積紗或斷紗。電機(jī)是儲(chǔ)緯器的關(guān)鍵部分,儲(chǔ)緯器電機(jī)常采用永磁同步電機(jī)(permanent magnetic synchronous motor,PMSM)。

永磁同步電機(jī)因具有高效率、高轉(zhuǎn)矩電流比等優(yōu)點(diǎn),在工業(yè)等領(lǐng)域中得到了廣泛應(yīng)用[1]。電機(jī)的磁場(chǎng)定向控制(field-oriented control,FOC)需要電機(jī)的轉(zhuǎn)子位置與速度,通常是在電機(jī)上安裝傳感器(絕對(duì)值編碼器或霍爾傳感器)。但是安裝傳感器會(huì)增加系統(tǒng)的經(jīng)濟(jì)成本,易受紡織車間環(huán)境影響。在電機(jī)長(zhǎng)時(shí)間工作后必然會(huì)引起傳感器發(fā)熱,這也是儲(chǔ)緯器電機(jī)出故障的主要原因。為避免此類困擾,無(wú)位置傳感器控制技術(shù)就成了研究熱點(diǎn)[2]。

永磁同步電機(jī)的無(wú)位置傳感器控制技術(shù)主要分為2 類:(1)適用于靜止或低速的高頻注入法,主要方法有脈振高頻電壓注入法[3-4]、旋轉(zhuǎn)高頻電壓注入法[5-6]、旋轉(zhuǎn)高頻電流注入法[7-8]和方波注入法[9-10];(2)適用于中高速的基波激勵(lì)法,主要方法有擴(kuò)展卡爾曼濾波法[11-12]、滑模觀測(cè)器法[13-14]和模型參考自適應(yīng)法[15-16]等。當(dāng)電機(jī)處于靜止或低速運(yùn)行時(shí),反電動(dòng)勢(shì)較小,信噪比較低,基波激勵(lì)法無(wú)法實(shí)現(xiàn)。但是高頻注入法可利用電機(jī)的凸極效應(yīng),估計(jì)電機(jī)的位置與速度。隨著電機(jī)轉(zhuǎn)速加快,電機(jī)的高頻模型誤差變大,高頻注入法估計(jì)精度迅速降低。當(dāng)電機(jī)處于中高速時(shí),反電動(dòng)勢(shì)加大,基波激勵(lì)法可實(shí)現(xiàn)位置與速度的準(zhǔn)確估計(jì)?？紤]到不同的方法只能在特定的速度范圍實(shí)現(xiàn),為解決全速域控制,有學(xué)者提出采用混合控制方法。文獻(xiàn)[17]提出了一種高頻信號(hào)注入法與反電動(dòng)勢(shì)模型法的位置誤差信息相融合的混合觀測(cè)方法。文獻(xiàn)[18]通過(guò)高頻脈沖信號(hào)注入法與雙擴(kuò)展卡爾曼濾波器法結(jié)合進(jìn)行無(wú)位置傳感器控制。文獻(xiàn)[19]提出了一種新的混合觀測(cè)器來(lái)估計(jì)寬轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)運(yùn)行的隱極永磁同步發(fā)電機(jī)的位置和速度。

為實(shí)現(xiàn)儲(chǔ)緯器永磁同步電機(jī)的無(wú)位置傳感器的全速域控制,本文采用脈振高頻注入法與擴(kuò)展反電動(dòng)勢(shì)法相結(jié)合的方法。在電機(jī)靜止時(shí),用高頻注入法與極性判斷法估計(jì)轉(zhuǎn)子初始位置;在電機(jī)運(yùn)行時(shí),使用高頻注入法和擴(kuò)展反電動(dòng)勢(shì)法估計(jì)位置與速度。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明,該控制策略可以有效地替代有傳感器控制方法,可在全速域準(zhǔn)確估計(jì)位置與速度,并且響應(yīng)速度快、穩(wěn)定性能高。

1 儲(chǔ)緯器工作原理

儲(chǔ)緯器是一種自動(dòng)化機(jī)電設(shè)備,其主要功能是在儲(chǔ)紗鼓上儲(chǔ)存緯紗,并保持緯紗均勻張力[20]。儲(chǔ)緯器是無(wú)梭織機(jī)系統(tǒng)的關(guān)鍵部分,配合完成引緯運(yùn)動(dòng)。儲(chǔ)緯器工作原理如圖1 所示。

圖1 儲(chǔ)緯器工作原理圖

在沒(méi)有儲(chǔ)緯器的情況下,緯線間接性的退繞容易導(dǎo)致緯紗糾纏或斷開(kāi)。在使用儲(chǔ)緯器后,通過(guò)緯紗出入口把緯紗從紗筒儲(chǔ)存到儲(chǔ)紗鼓上,這樣可以保證緯紗均勻張力而不斷裂,還可保證緯紗定長(zhǎng),大幅提高紡織效率。在儲(chǔ)紗鼓上預(yù)繞緯紗是為了給電機(jī)啟動(dòng)一定的緩沖時(shí)間。在預(yù)存緯紗耗盡前,一定要保證電機(jī)能夠快速成功啟動(dòng)并達(dá)到設(shè)定速度,這樣緯紗才能供應(yīng)上而不至于出現(xiàn)斷紗情況。當(dāng)紡機(jī)停止工作時(shí),儲(chǔ)緯器也需要快速響應(yīng)減速,防止儲(chǔ)紗鼓緯紗積累過(guò)多而影響下次工作。當(dāng)織機(jī)工作時(shí),儲(chǔ)緯器會(huì)接收信號(hào),電磁針抬起,緯紗從噴嘴放出。儲(chǔ)緯器放紗一緯圈數(shù)由布幅寬度決定。

2 永磁同步電機(jī)數(shù)學(xué)模型

由于永磁同步電機(jī)是一個(gè)非線性、多耦合的復(fù)雜模型,在建立數(shù)學(xué)模型時(shí),假設(shè)滿足以下條件[21]。

(1)忽略磁路飽和。

(2)忽略鐵芯損耗。

(3)忽略空間諧波。

(4)電機(jī)參數(shù)為常量,不受溫度和頻率的影響。

在同步旋轉(zhuǎn)dq坐標(biāo)系下的電壓方程為

式中ud、uq分別為d、q軸定子電壓,R為定子電阻,Ld、Lq分別為d、q軸電感,p為微分算子,ω為電機(jī)電角速度,id、iq分別為d、q軸電流,Ψf為電機(jī)永磁磁鏈。

如果注入的高頻信號(hào)頻率遠(yuǎn)高于電機(jī)基波頻率,電機(jī)就可以等效成簡(jiǎn)單的R-L串聯(lián)模型。高頻電壓注入時(shí)的電阻相對(duì)于高頻感抗很小,可忽略不計(jì)。在穩(wěn)態(tài)狀態(tài)下,高頻電壓公式等效為

式中Zdh、Zqh分別為d、q軸的高頻阻抗。

3 基于脈振高頻電壓注入的轉(zhuǎn)子位置估計(jì)原理

定義轉(zhuǎn)子角度偏差為Δθ:

式中θ為實(shí)際位置,為估計(jì)位置。

實(shí)際dq坐標(biāo)系與估計(jì)坐標(biāo)系關(guān)系如圖2 所示。

圖2 實(shí)際dq 坐標(biāo)系與估計(jì)坐標(biāo)系關(guān)系圖

圖2 中實(shí)際dq坐標(biāo)系與估計(jì)旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系之間的變換矩陣寫成:

在dq和坐標(biāo)系下電壓與電流的關(guān)系式如下:分別表示坐標(biāo)系下的電壓與電流。

將式(4)代入式(2),在估計(jì)旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系下,高頻電壓與高頻電流的關(guān)系式為

定義Z=(Zd+Zq)/2、ΔZ=(Zd-Zq)/2,則Zd=Z+ΔZ、Zq=Z-ΔZ。式中Z、ΔZ分別表示軸下的平均阻抗與半差阻抗。

將式(5)進(jìn)一步簡(jiǎn)化為

為了得到位置偏差信號(hào)Δθ,本文選擇在估計(jì)旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系的軸上注入高頻余弦電壓信號(hào),使之產(chǎn)生一個(gè)高頻脈振磁場(chǎng),該注入電壓信號(hào)能使電機(jī)電感表現(xiàn)出凸極效應(yīng)。

式中,Uh為高頻電壓幅值,ωh為高頻電壓頻率。將式(7)代入式(6)后得到:

結(jié)合式(3)可知,只需通過(guò)合適的控制算法使調(diào)節(jié)至零,即保持估計(jì)位置與實(shí)際位置之間誤差為零,就可準(zhǔn)確估計(jì)電機(jī)轉(zhuǎn)子位置。

在提取Δθ過(guò)程中,選擇截止頻率與注入電壓頻率相近的帶通濾波器(band-pass filter,BPF)提取q軸高頻電流然后通過(guò)乘法器(sin(ωht))對(duì)其進(jìn)行解調(diào)提取高頻電感相關(guān)的電流分量,再經(jīng)過(guò)截止頻率合適的低通濾波器(low-pass filter,LPF)濾除高次諧波分量來(lái)提取偏差信號(hào),把此信號(hào)作為龍伯格(Luenberger,LBG)觀測(cè)器的輸入可估計(jì)出轉(zhuǎn)子估計(jì)位置與估計(jì)速度

經(jīng)過(guò)信號(hào)處理后為

式中Ke=-UhΔZ/ZdZq。

高頻注入法轉(zhuǎn)子位置觀測(cè)結(jié)構(gòu)框圖如圖3 所示。

圖3 高頻注入法轉(zhuǎn)子位置觀測(cè)結(jié)構(gòu)框圖

結(jié)合電機(jī)參數(shù)設(shè)計(jì)龍伯格觀測(cè)器,將極點(diǎn)配置成三重極點(diǎn),計(jì)算觀測(cè)器增益值K1、K2和K3。Te為電機(jī)轉(zhuǎn)矩,J為電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)慣量,b為電機(jī)摩擦系數(shù)。結(jié)構(gòu)框圖如圖4 所示。

圖4 龍伯格觀測(cè)器結(jié)構(gòu)框圖

4 初始位置極性判斷原理

通過(guò)上述的脈振高頻電壓注入法,可對(duì)電機(jī)完成初次位置估計(jì)。當(dāng)f(Δθ)=0 后系統(tǒng)進(jìn)入穩(wěn)定狀態(tài),位置估計(jì)值不再發(fā)生改變。但是此時(shí)的Δθ可能為0、π 或±π/2,仍然無(wú)法準(zhǔn)確確定電機(jī)的實(shí)際位置,還需作進(jìn)一步的極性判斷。

通常情況下,隨著電機(jī)磁路飽和,直軸電感會(huì)變小,出現(xiàn)電感飽和凸極效應(yīng)[22]。直軸磁路的Ψ-i特性曲線如圖5 所示。

圖5 直軸磁路的Ψ-i 特性曲線

電機(jī)靜止時(shí),直軸電路可等效成一階R-L串聯(lián)電路。利用磁路飽和效應(yīng),在估計(jì)旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系的直軸注入正負(fù)方向相反的等寬脈沖,對(duì)直軸響應(yīng)電流進(jìn)行采樣并判斷電流幅值大小,即可判斷出實(shí)際的直軸方向。當(dāng)電壓脈沖與實(shí)際直軸方向相同時(shí),電壓脈沖產(chǎn)生的電流響應(yīng)形成的磁場(chǎng)會(huì)使磁場(chǎng)飽和,使電感變小,此時(shí)電流幅值較大。當(dāng)沿著直軸反方向注入時(shí),電感變大或不變,電流幅值較小。初始位置極性判斷控制框圖如圖6 所示。

圖6 初始位置極性判斷控制框圖

在整個(gè)極性判斷過(guò)程,需要考慮該初始位置是否為“特殊位置”。結(jié)合式(9)可知,初步估計(jì)完成后,Δθ可能為0、π 或±π/2,都會(huì)滿足f(Δθ)=0。給定初始角度θ1=0 rad,初次估計(jì)完成后得到θ2。若初次估計(jì)后得到的角度θ2與初始給定角度θ1不一致,說(shuō)明位置信息已經(jīng)校準(zhǔn)收斂,此位置不是“特殊位置”,后續(xù)只需進(jìn)行極性判斷即可。若初次估計(jì)后得到的角度θ2=θ1=0 rad,說(shuō)明位置信息未進(jìn)行收斂校準(zhǔn),估計(jì)初始位置過(guò)程未起作用,此初始位置就是“特殊位置”,此時(shí)電機(jī)實(shí)際位置可能在0 rad、π rad 或±π/2 rad,需要重新估計(jì)角度。重新設(shè)置轉(zhuǎn)子初始角度θ1=αrad(α為常數(shù)且不等于0、π 或±π/2),使初始位置滿足sin(2Δθ)≠0,從而使f(Δθ)不恒為0,估計(jì)角度有一個(gè)動(dòng)態(tài)收斂過(guò)程。重新注入高頻電壓估計(jì)轉(zhuǎn)子位置后,得到收斂后的估計(jì)角度θ2,再進(jìn)行極性判斷是否需要+π 補(bǔ)償。

極性判斷過(guò)程從原理上分析只需要在直軸正負(fù)注入一次就可判斷出極性。但是若電機(jī)電感較小,電流差別較小,易造成誤判現(xiàn)象。為避免誤判,選擇合適的電壓脈沖幅值和脈沖時(shí)間寬度,分別在估計(jì)直軸正反方向上注入多次,對(duì)采樣的電流作累加,判斷累加值正負(fù)。若為正值,說(shuō)明估計(jì)直軸方向正確,估計(jì)角度就是實(shí)際角度;若為負(fù)值,實(shí)際角度需要補(bǔ)償+π。

5 基于擴(kuò)展反電動(dòng)勢(shì)的轉(zhuǎn)子位置估計(jì)原理

當(dāng)電機(jī)轉(zhuǎn)速加大,反電動(dòng)勢(shì)變大,高頻注入法模型變得不準(zhǔn)確。在電機(jī)運(yùn)行中高速時(shí),可以利用電機(jī)的反電動(dòng)勢(shì)進(jìn)行估計(jì)來(lái)得到位置信息。

將式(1)轉(zhuǎn)換到d^q^坐標(biāo)軸下[23]:

結(jié)合最小階觀測(cè)器[24],軸擴(kuò)展反電動(dòng)勢(shì)觀測(cè)器結(jié)構(gòu)圖如圖7 所示,同理可設(shè)計(jì)軸反電動(dòng)勢(shì)觀測(cè)器。

圖7 d^軸擴(kuò)展反電動(dòng)勢(shì)觀測(cè)器結(jié)構(gòu)圖

當(dāng)轉(zhuǎn)速估計(jì)穩(wěn)定時(shí),→ω,式(11)可寫為

當(dāng)Δθ較小時(shí),結(jié)合式(12)與式(13)得到誤差信號(hào):

把Δθ作為龍伯格觀測(cè)器輸入可估計(jì)得到轉(zhuǎn)子估計(jì)位置與估計(jì)速度。擴(kuò)展反電動(dòng)勢(shì)法轉(zhuǎn)子位置觀測(cè)結(jié)構(gòu)框圖如圖8 所示。

圖8 擴(kuò)展反電動(dòng)勢(shì)法轉(zhuǎn)子位置觀測(cè)結(jié)構(gòu)框圖

6 加減速過(guò)程切換策略

由于高頻注入法只適用于電機(jī)靜止或低速,擴(kuò)展反電動(dòng)勢(shì)法只適用于中高速,所以本文采用2 種方法結(jié)合的滯環(huán)切換策略?？刂魄袚Q策略如圖9 所示。

圖9 滯環(huán)切換策略

在靜止和加速過(guò)程,低速0～ω1階段使用高頻注入法估計(jì)位置與速度。在速度點(diǎn)ω1,把高頻注入法此刻的估計(jì)值作為擴(kuò)展反電動(dòng)勢(shì)法估計(jì)的初始值。在ω1～ω2區(qū)間內(nèi),2 種方法同時(shí)估計(jì),但FOC控制算法調(diào)用高頻注入法的估計(jì)值。當(dāng)轉(zhuǎn)速超過(guò)ω2之后,僅使用擴(kuò)展反電動(dòng)勢(shì)法估計(jì)值。只要保證在ω1～ω2速度區(qū)間內(nèi)2 種估計(jì)算法估計(jì)準(zhǔn)確,則可在ω2速度點(diǎn)直接切換。在減速過(guò)程,高速ω3～ω2階段使用擴(kuò)展反電動(dòng)勢(shì)法估計(jì)。在ω2～ω1區(qū)間內(nèi),2 種方法同時(shí)估計(jì),但FOC 控制算法仍調(diào)用擴(kuò)展反電動(dòng)勢(shì)法估計(jì)值。當(dāng)轉(zhuǎn)速降至ω1時(shí),切換使用高頻注入法。當(dāng)電機(jī)從高速降速到低速再次運(yùn)行高頻注入法時(shí),極性判斷可能不準(zhǔn)確。在本實(shí)驗(yàn)中,當(dāng)降速到達(dá)速度點(diǎn)ω2時(shí),把擴(kuò)展反電動(dòng)勢(shì)法觀測(cè)器估計(jì)的位置估計(jì)值作為高頻注入法觀測(cè)器的初始值,從而保證后者可以同步跟蹤上轉(zhuǎn)子實(shí)際位置。在本實(shí)驗(yàn)中,設(shè)定速度切換點(diǎn)為ω1=400 r/min,ω2=700 r/min。

7 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

本文采用id=0的FOC 矢量控制方法對(duì)無(wú)位置傳感器控制策略進(jìn)行驗(yàn)證,系統(tǒng)由電流環(huán)與速度環(huán)嵌套而成,電流環(huán)與速度環(huán)均采用比例積分控制。儲(chǔ)緯器在實(shí)際工作時(shí),參考速度由儲(chǔ)紗鼓上緯紗余量來(lái)調(diào)節(jié)。在本實(shí)驗(yàn)中,簡(jiǎn)化系統(tǒng)模型,速度環(huán)的參考速度由人為設(shè)定。無(wú)位置傳感器控制框圖如圖10所示。

圖10 無(wú)位置傳感器控制框圖

儲(chǔ)緯器內(nèi)嵌式永磁同步電機(jī)參數(shù)為額定功率150 W,額定電流2 A,額定電壓78 V,定子電阻0.5 Ω,d軸電感1.3 mH,q軸電感2 mH,極對(duì)數(shù)為2。三相逆變器接入直流電壓100 V。儲(chǔ)緯器電機(jī)的最大轉(zhuǎn)速為6000 r/min,儲(chǔ)紗鼓一圈周長(zhǎng)為0.4 m,換算成供緯速度為2400 m/min。實(shí)驗(yàn)設(shè)備儲(chǔ)緯器電機(jī)如圖11 所示。

圖11 儲(chǔ)緯器內(nèi)嵌式永磁同步電機(jī)

本實(shí)驗(yàn)選擇STM32F103VBT6 單片機(jī)作為主控芯片實(shí)現(xiàn)算法。脈沖寬度調(diào)制(pulse width modulation,PWM)開(kāi)關(guān)頻率設(shè)為14.4 kHz,電流環(huán)采樣時(shí)間為69 μs,速度環(huán)采樣時(shí)間為500 μs。高頻注入法的注入高頻電壓幅值為15 V,注入高頻頻率為720 Hz。極性判斷法注入脈沖電壓矢量幅值為18 V,脈沖時(shí)間寬度為700 μs。本文濾波器均采用巴特沃斯一階濾波器設(shè)計(jì)。高頻注入法中帶通濾波器截止頻率選擇為670 Hz～770 Hz,低通濾波器截止頻率選擇為100 Hz。

初始位置估計(jì)是否準(zhǔn)確直接決定電機(jī)是否可以成功啟動(dòng)。通過(guò)理論分析,高頻注入法可以在電機(jī)靜止時(shí)估計(jì)電機(jī)的轉(zhuǎn)子位置。當(dāng)電機(jī)置于實(shí)際位置90 °與-90 °時(shí),初始位置給定80 °,驗(yàn)證角度估計(jì)算法實(shí)驗(yàn)。要求算法在0.07 s 內(nèi)完成初始位置估計(jì),給定0.015 s 內(nèi)完成極性判斷,結(jié)合高頻注入法與極性判斷法,整個(gè)估計(jì)過(guò)程完成時(shí)間為0.085 s。從圖12、13 可見(jiàn),初始位置估計(jì)誤差在5 °以內(nèi),極性判斷準(zhǔn)確。

圖12 90 °位置時(shí)估計(jì)位置

圖13 -90 °位置時(shí)估計(jì)位置

根據(jù)儲(chǔ)緯器電機(jī)與紡機(jī)之間配合調(diào)速范圍要求,儲(chǔ)緯器電機(jī)需要滿足在全速域都保持轉(zhuǎn)速穩(wěn)定,以下為儲(chǔ)緯器電機(jī)轉(zhuǎn)速調(diào)試。當(dāng)織機(jī)低速80 r/min運(yùn)行時(shí),按照5 圈為一緯計(jì)算,儲(chǔ)緯器電機(jī)需要穩(wěn)速控制在400 r/min。設(shè)定儲(chǔ)緯器電機(jī)轉(zhuǎn)速為低速400 r/min,驗(yàn)證高頻注入法在低速運(yùn)行情況,實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖14 所示。電機(jī)啟動(dòng)較快,轉(zhuǎn)速首次達(dá)到給定轉(zhuǎn)速后雖有超調(diào),但估計(jì)算法可快速響應(yīng)將轉(zhuǎn)速收斂至給定轉(zhuǎn)速并保持電機(jī)穩(wěn)速運(yùn)行,穩(wěn)定狀態(tài)轉(zhuǎn)速估計(jì)誤差在4%以內(nèi),表明高頻注入法在低速域可行。

圖14 400 r/min 時(shí)估計(jì)轉(zhuǎn)速

當(dāng)織機(jī)在高速紡織工作時(shí),儲(chǔ)緯器電機(jī)需要高速運(yùn)行配合引緯工作,則要求儲(chǔ)緯器電機(jī)能夠在高速運(yùn)行時(shí)保持轉(zhuǎn)速穩(wěn)定。當(dāng)織機(jī)高速800 r/min 運(yùn)行時(shí),按照5 圈為一緯計(jì)算,儲(chǔ)緯器電機(jī)穩(wěn)速需要控制在4000 r/min。高速運(yùn)行實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖15 所示,高速運(yùn)行時(shí)估計(jì)轉(zhuǎn)速穩(wěn)定,轉(zhuǎn)速估計(jì)誤差保持在0.7%以內(nèi),表明擴(kuò)展反電動(dòng)勢(shì)法在高速時(shí)有效可行。

圖15 4000 r/min 時(shí)估計(jì)轉(zhuǎn)速

根據(jù)儲(chǔ)紗鼓緯紗余量的要求,當(dāng)紡機(jī)在開(kāi)始工作后儲(chǔ)緯器電機(jī)需要快速啟動(dòng)補(bǔ)充緯紗,避免緯紗余量不足或斷紗而引起織機(jī)停機(jī)的風(fēng)險(xiǎn)。當(dāng)紡機(jī)停止工作時(shí),儲(chǔ)緯器也需要迅速減速響應(yīng),避免緯紗余量過(guò)多而引起的積紗問(wèn)題。假定織機(jī)布幅寬1.8 m,儲(chǔ)紗鼓周長(zhǎng)為0.4 m,需要5 圈緯紗為一緯,即織機(jī)軸電機(jī)轉(zhuǎn)一圈儲(chǔ)緯器電機(jī)需要轉(zhuǎn)5 圈。儲(chǔ)紗鼓預(yù)繞40 圈給予儲(chǔ)緯器電機(jī)啟動(dòng)緩沖時(shí)間。假定儲(chǔ)緯器電機(jī)啟動(dòng)加速為勻加速度。當(dāng)織機(jī)高速1000 r/min運(yùn)行時(shí),儲(chǔ)緯器電機(jī)從靜止加速到5000 r/min,通過(guò)理論計(jì)算儲(chǔ)紗鼓緯紗余量用盡時(shí)間為0.96 s,即要求儲(chǔ)緯器電機(jī)在0.96 s 內(nèi)達(dá)到工作速度供上緯紗。減速過(guò)程同理計(jì)算,減速時(shí)間要求為1.1 s。

在本次儲(chǔ)緯器電機(jī)的加速實(shí)驗(yàn)中,設(shè)定電機(jī)從靜止快速啟動(dòng)加速到5000 r/min,保持穩(wěn)速運(yùn)行一段時(shí)間后,再減速到200 r/min。為了縮短加減速時(shí)間,本實(shí)驗(yàn)采用變加速度模式,在低速段設(shè)定較小的速度斜坡,設(shè)定較小的電流限制;在高速時(shí)設(shè)定較大速度斜坡,調(diào)大電流限幅。實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖16 所示,從實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)可得,電機(jī)從靜止加速到初次達(dá)到給定轉(zhuǎn)速時(shí)間約為0.7 s,小于0.96 s 理論計(jì)算時(shí)間,滿足儲(chǔ)緯器電機(jī)加速時(shí)間要求。減速過(guò)程約為1 s,亦滿足減速時(shí)間要求。通過(guò)實(shí)驗(yàn)結(jié)果驗(yàn)證儲(chǔ)緯器電機(jī)有較快的響應(yīng)時(shí)間,滿足儲(chǔ)紗鼓緯紗保持一定余量的加減速時(shí)間要求。

圖16 加減速過(guò)程估計(jì)轉(zhuǎn)速

8 結(jié)論

針對(duì)儲(chǔ)緯器內(nèi)嵌式永磁同步電機(jī)在紡織車間的應(yīng)用,為解決傳感器帶來(lái)的困擾,本文提出一種無(wú)位置傳感器矢量控制技術(shù)。結(jié)合不同方法在不同速度域的優(yōu)缺點(diǎn),本文采用混合方法實(shí)現(xiàn)儲(chǔ)緯器電機(jī)在全速域的無(wú)位置傳感器控制。通過(guò)實(shí)驗(yàn)表明,高頻注入法配合極性判斷法可準(zhǔn)確判斷轉(zhuǎn)子初始位置且可成功速度閉環(huán)啟動(dòng)。高頻注入法與擴(kuò)展反電動(dòng)勢(shì)法分別可在低速與中高速時(shí)準(zhǔn)確估計(jì)轉(zhuǎn)子位置與速度。在加減速速度過(guò)渡區(qū)間采用單滯環(huán)策略實(shí)現(xiàn)2種方法平滑切換。儲(chǔ)緯器電機(jī)加減速過(guò)程時(shí)間短,滿足儲(chǔ)紗鼓緯紗保持有余量的工作要求。但是本文只通過(guò)簡(jiǎn)單模型實(shí)現(xiàn)功能要求,下一步還需要配合紡機(jī)設(shè)備完成整個(gè)系統(tǒng)的調(diào)試,驗(yàn)證所提出控制策略的可行性。