CN101085659A - 由感应电动机驱动的纱线馈送装置 - Google Patents
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Abstract
一种纱线馈送装置的飞轮(V)的纱线缠绕臂(BR)是由异步感应电动机(M)驱动的。该电动机通过速度反馈回路来控制,该速度反馈回路包括第一比较器(1),用于从测量出的电动机速度(sp_meas)减去速度参考信号(sp_ref)从而提供速度误差信号(sp_err),并且驱动控制电路,该控制电路控制到达电动机的相电压(Vsa、Vsb、Vsc)。第一转换模块(6)将电动机电流的瞬时值(Ia、Ib、Ic)和电动机速度测量值(sp_meas)在第一固定参考系(alfa、beta)中转换成包括直流分量(Isd)和正交分量(Isq)的转动电流矢量(Is)以及转子通量矢量(rot_flux),然后将固定参考系转换成转动系(d、q)。第二转换装置(2、3)将速度误差信号(sp_err)和转子通量矢量(rot_flux)转换成与垂直于转子通量的电流分量的估计大小相对应的参考正交电流大小(Isq_ref)。调节装置(4、5、7)由转动电流矢量(Is、Isq)、转子通量矢量(rot_flux)以及由正交电流大小(Isq_ref)来驱动,从而调节在所述电动机中的转子通量的大小。
Description
技术领域
本发明涉及用于编织机或针织机的纱线馈送装置,更具体地说,涉及由异步感应电动机驱动的纱线馈送装置。
背景技术
织机中的纱线馈送装置通常由同步的、永磁体无刷电动机来驱动。在WO03/029121中揭示了一种这样的纱线馈送装置,其中,驱动装置的绕组件的无刷电动机的速度是由使用用于正弦控制电动机的转子位置信息的方法来控制的矢量。这是因为,如同本领域技术人员所能意识到的,在PMSM或永磁体同步电动机中的扭矩是通过在定子中引入三相电流来控制的,从而最终的转动定子场始终90°于转子通量。WO03/029121还揭示了,转子位置是借助传感器来检测的,或者,转子位置是通过直接测量定子的反向电动力(无传感器的测量)来获得的。
希望使用与其它类型的电动机尤其是异步感应电动机相同的矢量控制技术,因为异步感应电动机由于其广泛的应用要比无刷电动机便宜,无刷电动机通常结合了基于稀土(诸如钕)的昂贵永磁体。尽管由感应电动机传递的扭矩通常小于(约10-20%)从类似尺寸的无刷电动机中获得的扭矩,但是这个小缺点可以通过引入大电流来容易地补偿:这种引入导致吸收功率的小幅增长,然而这个缺点被感应电动机低成本的优点充分弥补了。
进一步的考虑,在传统上控制异步感应电动机被认为比控制同步无刷电动机更加复杂和更加昂贵。尽管这在最近的过去之前是基本真实的,但是现在数字电子部件(尤其是基于DSP的混合控制器)的发展已经显著降低了这种过去习惯被认为是太复杂而不能驱动微控制器的控制类型的成本。
而且,应该注意到,通过使用矢量控制技术,人们可以瞬时地控制电动机的电动扭矩,因此通过实施速度反馈,可以在所有工作条件下,可以只引入用于克服施加至绕组件的负荷扭矩所严格必需的电流。因此,假如与诸如具有恒定电压/频率特性的标量控制(参见例如EP-1050611)的简单控制相比,这种技术具有需要最小可能的电流吸收的优点,从而降低了电动机的附加功率消耗。
发明内容
因此,本发明的主要目的是提供一种由异步感应电动机驱动的纱线馈送装置,它达到了可与基于同步无刷电动机的纱线馈送装置相比较的性能,同时避免电机吸收功率的增大以及装置整体成本的提高。
从本说明书中,以上的和其它的目的和优点将会变得显而易见,这些目的和优点将通过本发明的一种由感应电动机驱动的纱线馈送装置来获得,这种用于织机的纱线馈送装置,包括一体地支承纱线缠绕臂的飞轮,该飞轮适于为了在存储鼓上缠绕纱线而转动,并且由矢量控制的电动机装置来驱动,该电动机装置通过速度反馈回路来控制,该速度反馈回路包括第一比较器,用于从测量出的电动机速度减去速度参考信号从而提供速度误差信号,并且驱动控制电路,该控制电路控制到达电动机装置的相电压,其中,电动机装置是异步感应电动机,并且在反馈回路中的控制电路包括:第一转换装置,用于将电动机电流的瞬时值和电动机速度测量值在第一固定参考系中转换成包括直流分量和正交分量的转动电流矢量以及转子通量矢量,然后将固定参考系转换成转动系;第二转换装置,用于将速度误差信号和转子通量矢量转换成与垂直于转子通量的电流分量的估计大小相对应的参考正交电流大小;以及调节装置,由第一转换装置产生的转动电流矢量和转子通量矢量以及由第二转换装置产生的参考正交电流大小来驱动,并且调节在电动机中的转子通量的大小。
下面参照附图描述了本发明的若干较佳实施例,其中:
附图说明
图1是根据本发明的织机的纬线馈送装置的简单图解,包括相关的控制电路的框图;
图2和3是有助于说明图1的控制电路工作的矢量图;
图4是设有霍尔传感器的飞轮的示意图,其与本发明的较佳实施例中的一个一起使用;
图5是图1框图的变型的部分框图;
图6是图1框图的另一变型的部分框图;以及
图7是图1框图的另一变型的部分框图。
具体实施方式
在图1中,纬线馈送装置包括外壳P,异步感应电动机M在该外壳P中驱动同轴的飞轮V,该飞轮V与用于输送缠绕在固定存储鼓TA上的纱线RT的纱线槽BR形成一体。纬线供给传感器S检测在存储鼓上的预定扫描区域中是否可获得留头纱,而当每个纱线圈从存储鼓上解除缠绕时,纱线退绕传感器Y输出一个脉冲。处理单元CU从传感器S和Y接收信息,确定在鼓上保持合适的留头纱需要的速度,并产生表示飞轮V所想要的速度的速度参考信号sp_ref。
来自于处理单元CU的速度参考信号sp_ref施加至减法器1,该减法器1将它与通过任何已知方式来获得的、表示电动机的实际当前速度的信号sp_meas作比较,这些方式中的一些将在本说明书的下面进行讨论。比较结果是速度误差信号sp_err,其施加到补偿模块2,该补偿模块2是本身已知的传统计算模块,并且通常是比例-积分类型(PI)的或者是比例-积分-微分类型(PID)的。模块2将sp_err转化成校正的输出torque_ref,即需要来自于电动机从而平衡电动机速度误差的扭矩。
在感应电动机和无刷电动机中,下面的关系式都必须成立:
Te=np*Isq*Ψ (1)
这里,Te是由电动机输送的电动扭矩,np是极对数量,Ψ是转子通量的大小,而Isq是垂直于转子通量的电流分量的大小。
转子通量Ψ通常调整至最高的可行值,该最高的可行值将不会使电动机铁磁回路过饱和。因为转子通量保持在恒定值,所以得出Isq正比于所想要的扭矩。这种情况通常用在控制无刷电动机中,在这种类型的电动机中,尤其是转子通量将通过在转子中内装的永磁体来“自由地”提供。作为比较的是,感应电动机的转子通量是通过在定子转动场和转子自身之间的滑动来产生的,并引入电流Is的通量馈送电流分量Isd。本发明提供了一种方法来根据已知的电动机速度即sp_meas重新构成转子通量矢量。
因此,在逻辑模块6中,根据从电动机中读出的瞬时电流Ia、Ib、Ic和来自于测量的电动机速度sp_meas,来计算转子通量的位置和大小rot_flux。为此,模块6基本实施下列步骤:
a)模块6根据定子电流的瞬时值Ia、Ib和Ic借助直接的Clarke变换来计算电流矢量Is,该电流矢量Is相对于固定轴线alfa、beta而转动(参见图2)。应该意识到,矢量Is代表一种等于电动机电流的矢量,其与定子的转动场对准地转动。实际上,在三个定子电流Ia、Ib和Ic中,只有两个即Ia、Ib必须要被测量,第三个电流Ic可以容易地计算出,因为三个电流的总和必须为0。
b)模块6然后根据所述矢量Is、测量的电动机速度sp_meas、以及电动机的明显特征参数(诸如转子常数)来计算转子通量rot_flux的角度和大小。转子通量也是相对于同一个固定轴线alfa、beta的转动矢量(参见图2)。
c)除了以上之外,模块6还通过将电流矢量Is投射到转动轴线d、q的系统上(参见图3),以使也称为“直轴”的轴线d与转子通量方向一致,来实施进一步的、类似的计算。这种投射可以通过直接的Park转换来计算。在新的参考系中,Is沿着正交轴线的分量被称为Isq。
根据本发明,因此,接着的模块3处理torque_ref和rot_flux,并借助下面的关系式提供信号Isq_ref,该关系式是基于上面的关系式(1):
为了更清楚地说明下面实施模块6的原理,参见Werner Leonhard,Control ofElectrical Drives,3rd edition,(ISBN 3-540-41820-2),尤其是第12章(“Control ofinduction motor driver”),或者DRM023/D Design reference Manual,Freescalesemiconductor Rev.o,03/2003。
借助上面的变换来使转子通量矢量和电流参照坐标系(d、q)之后,实施三个操作步骤:
d)第一步骤,控制转子通量的大小(它必须与沿着轴线d的分量一致),从而电动机在所有操作条件下都有合适的通量。这是由模块5来完成的,该模块5通过将rot_flux与rot_flux_ref作比较并产生输出信号Vsd,即沿轴线d施加到电动机的电压,来执行反馈,从而rot_flux_ref-rot_flux变成0。
e)第二步骤,垂直于转子通量的定子电流分量Isq是由模块6来控制的。类似于无刷电动机,Isq与电磁扭矩直接成正比。该控制通过模块4来实施,该模块4通过将Isq与Isq_ref作比较并产生输出信号Vsq,即沿轴线q施加到电动机的电压,来执行反馈,从而正交电流参考值和沿着轴线q的电流读数(Isq)变成0。
f)第三步骤,模块7根据电压Vsq和Vsd执行从转动轴线d、q到固定轴线alfa、beta的逆Parke变换,然后执行逆Clarke变换,从而获得将施加到电动机的三相上的三相电压的值Vsa、Vsb和Vsc(未在图中示出)。将这些值变换成脉宽调制信号r、s和t,然后将它们施加到三相电桥上,并从三相电桥施加到电动机M的定子绕组上。
根据可获得的传感器类型,通过下列方法中的任何一种可以测量电动机速度(sp_meas):
1.根据第一方法,假设飞轮V具有如图4所示均匀地间隔在其周缘上的磁体M1、M2、M3、Mn,以及定子霍尔传感器H,则可以通过测量从霍尔信号的一个跃迁到下一个跃迁的时间延迟Dt来获得速度。更具体地说,通过下式来获得r.p.m.形式的速度:
2.假如用到了绝对位置传感器,则另一种方法是合适的,如图5所示,这里,通过在本身已知的微分模块8中对绝对位置信号pos_meas进行微分来获得速度信号sp_meas。
在后者的情况中,绝对位置信号的获得使得能够除了实施速度反馈之外还实施位置控制电路,如图6所示。减法器9将由使用者提供的位置参考信号pos_ref与从上述的绝对位置传感器中获得的测量出的绝对位置值pos_meas作比较。通过类似于图1的补偿模块2的补偿模块10,来将差值pos_err变换成适当的参考信号sp_ref,该参考信号sp_ref可以施加至图1中的减法器1,来代替通常由处理单元CU提供的速度参考信号。这种对于本发明的控制单元的添加将使得使用者能够例如在纱线馈送装置的自动穿线过程中确定纱线缠绕件的明确位置。实际上,sp_ref通常如图1所示的由CU来产生,而将在所想要的瞬时,即需要穿线操作时,临时切换到图6中的代替信号。
3.根据另一种无传感器的方法,不直接测量电动机速度,而是从若干电学参数间接计算电动机速度。参见图7,模块11接收下列值作为输入:三相电动机电流Ia、Ib、Ic的瞬时值,反相电桥上的总线电压Vdc,可供选择的测量出的相电压Vsam、Vsbm、Vscm(未画出),以及取决于电动机的结构的若干明显的结构参数。在模块11中处理以上的值,从而借助若干已知算法中的任一种来获得电动机速度sp_meas的合理精确估计,例如在上述的Werner Leonhard,Control of ElectricalDrives,3rd edition,(ISBN 3-540-41820-2)或在“Control of AC Motor Drives”(ISBN0-7803-1046-2)中,尤其是在第一部分(Speed sensorless control of induction motors)中所述。
应该理解的是,所有上述的控制模块(矢量控制、速度/位置调整电路等)可以结合在单个控制电路中,更具体地说,它们可以以可由微控制器来执行的形式来编码,该微控制器具有足够的计算能力,且设有本领域技术人员所熟知的适当外围设备,诸如具有多个采样保持电路的快速A/D转换器、计时器、PWM调制器等。
Claims (8)
1.一种用于织机的纱线馈送装置,包括一体地支承纱线缠绕臂(BR)的飞轮(V),该飞轮适于为了在存储鼓(TA)上缠绕纱线(RT)而转动,并且由矢量控制的电动机装置来驱动,该电动机装置通过速度反馈回路来控制,该速度反馈回路包括第一比较器(1),该第一比较器用于从测量出的电动机速度(sp_meas)减去速度参考信号(sp_ref)从而提供速度误差信号(sp_err)并且驱动控制电路,该控制电路控制到达所述电动机装置的相电压(Vsa Vsb Vsc),其特征在于,所述电动机装置是异步感应电动机(M),并且在所述反馈回路中的所述控制电路包括:
-第一转换装置(6),用于将电动机电流的瞬时值(Ia、Ib、Ic)和电动机速度测量值(sp_meas)在第一固定参考系(alfa、beta)中转换成包括直流分量(Isd)和正交分量(Isq)的转动电流矢量(Is)以及转子通量矢量(rot_flux),然后将固定参考系转换成转动系(d、q);
-第二转换装置(2、3),用于将所述速度误差信号(sp_err)和所述转子通量矢量(rot_flux)转换成与垂直于转子通量的电流分量的估计大小相对应的参考正交电流大小(Isq_ref);以及
-调节装置(4、5、7),由所述第一转换装置产生的所述转动电流矢量(Is、Isq)和所述转子通量矢量(rot_flux)以及由所述第二转换装置产生的所述参考正交电流大小(Isq_ref)来驱动,并且调节在所述电动机中的转子通量的大小。
2.如权利要求1所述的纱线馈送装置,其特征在于,所述第二转换装置(2、3)包括:第一比例-积分-微分模块(2),以将所述速度误差信号(sp_err)转换成扭矩参考信号(torque_ref)以及除法模块(3),用于将所述扭矩参考信号除以所述转子通量矢量(rot_flux)和所述感应电动机的极对的数量,从而产生所述参考正交电流大小(Isq_ref)。
3.如权利要求2所述的纱线馈送装置,其特征在于,所述调节装置(4、5、7)包括:第二比较器(4),用于将所述测量出的正交电流分量(Isq)与所述参考正交电流大小(Isq_ref)作比较;以及第三比较器(5),用于将所述转子通量矢量(rot_flux)与参考转子通量矢量(rot_flux_ref)作比较,来自于所述第二和第三比较器的输出驱动反向转换模块(7),用于调节在所述电动机(M)中的所述转子通量的大小。
4.如权利要求1-3中任一项所述的纱线馈送装置,其特征在于,所述飞轮(V)在其周缘上设有至少一个可检测的识别器(M1、M2、M3、Mn),并且通过固定检测器(H)测量所述至少一个识别器的连续检测之间的时间延迟来获得所述电动机速度信号(sp_meas)。
5.如权利要求1-3中任一项所述的纱线馈送装置,其特征在于,所述飞轮设有传递绝对位置信号(pos_meas)的绝对位置传感器,对该绝对位置信号(pos_meas)进行微分以获得所述电动机速度信号(sp_meas)。
6.如权利要求5所述的纱线馈送装置,其特征在于,还包括第四比较器(9),该第四比较器用于将所述绝对位置信号(pos_meas)与想要的位置参考信号(pos_ref)作比较,并且用于将最终的位置误差信号(pos_err)施加至第二比例-积分-微分模块(10),该第二比例-积分-微分模块(10)的输出可切换成作为所述第一比较器(1)的输入,从而在所想要的瞬时代替速度参考信号(sp_ref),由此将所述飞轮设置成用于自动穿线。
7.如权利要求1-3中任一项所述的纱线馈送装置,其特征在于,所述测量出的电动机速度信号(sp_meas)是从在反相电桥上的所述三个电机电流(Ia、Ib、Ic)的瞬时值计算出来的。
8.如权利要求7所述的纱线馈送装置,其特征在于,所述电动机速度信号(sp_meas)的计算也是基于在所述电动机(M)的绕组上的测量出的相电压(Vsam、Vsbm、Vscm)的。
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