CN102684579A

CN102684579A - 一种用于织机直接主传动的电机驱动系统

Info

Publication number: CN102684579A
Application number: CN2012101639259A
Authority: CN
Inventors: 蔡燕; 杨庆新
Original assignee: Tianjin Polytechnic University
Current assignee: Tianjin Polytechnic University
Priority date: 2012-05-23
Filing date: 2012-05-23
Publication date: 2012-09-19

Abstract

本发明公开了一种用于织机直接主传动的电机驱动系统，包括开关磁阻电机、功率变换器、控制器和位置检测器；所述电机为三相开关磁阻电机，所述功率变换器为四电平功率变换器，所述位置检测器为绝对式编码器；采用电流传感器检测流过功率器件和电机绕组的瞬时电流，控制器以该瞬时电流作为电流斩波控制和过流保护的依据；采用电压传感器检测直流侧电压，用于电压保护。本发明具有结构简单，起动电流小、起动转矩大的特点。当织机启动时，通过给电机绕组施加比不对称桥式功率变换器更高的电压，使电机绕组中通过较大电流，达到提高电机的起动转矩，以满足织机直接主传动的快速启动要求，使织机在第一次打纬时达到额定工作转速，避免织物出现开车痕。

Description

一种用于织机直接主传动的电机驱动系统

技术领域

本发明涉及一种开关磁阻电动机驱动系统，尤其涉及一种用于织机直接主传动的电机驱动系统。

背景技术

织机主传动的作用是将电动机的功率通过传动机构传递给主轴及其相关运动部件实现织机的各种动作，主传动应具备：起动迅速，在第一次打纬时，织机车速就应达到或接近正常运转的速度；制动平稳、快捷，停车位置准确，符合工艺和操作要求。

织机主传动系统分为直接式和间接式两大类。间接式传动方式是电动机通过摩擦离合器传动织机主轴，离合器与制动器配对使用。通常，电动机总是在回转，通过操纵离合器与制动器的接合和脱离来控制织机的启动或制动。间接传动方式，在织机启动时，一直在转动的电动机和离合器的转子以及皮带轮储蓄着较大的动能，可以加快织机的启动过程，因此对电动机的起动力矩没有特殊的要求，织机通常采用此类传动方式。但是离合器和刹车片的磨损以及皮带打滑都会使织机起、停性能逐渐变差，而且要定期更换维修，成本较高。并且间接传动采用的电机在织机停机时，依然保持空转，增加了能耗。直接式传动方式，其驱动电动机是和织机直接联动的，电动机与主轴之间的传动链上不存在离合器，机构简化，当织机停机时，电动机停止转动，避免了电动机的空转。直接式传动方式要求电动机有超强的起动力矩，以实现织机迅速启动、确保第一次打纬具有充足的打纬力，避免织物出现开车痕。采用异步电机、伺服电机等作为主轴直接驱动电机，存在着起动电流过大，为实现主轴直驱，需要更高功率的电动机。

开关磁阻电动机驱动系统（SRD）是继交流电机变频调速系统、无刷直流电动机调速系统之后发展起来的新一代无级调速系统，由开关磁阻电机（SRM）、功率变换器、控制电路和位置检测器四部分组成，如图1所示，开关磁阻电机调速系统兼具直流、交流两类调速系统的优点。

SRM产生转矩的大小与电机绕组电感变化率和相电流大小相关。当电机处于相电感上升区域时，若相绕组中有电流，电机输出正向转矩；当处于电感下降区域时，相绕组中流过电流，会产生负转矩。因此，为得到较大的有效转矩，一方面应尽量减少制动转矩，即在绕组电感开始随转子位置减少时尽快使绕组电流衰减到零；另一方面，应尽量提高电动转矩，即在绕组电感随转子位置上升区域尽量流过较大的电流。SRM功率变换器通常采用不对称桥式功率变换电路，如图2所示，该电路随着各桥臂两个开关管的导通和关断，每相可有如图3-1、图3-2和图3-3分别示出的1、0、-1三种运行状态。其中，状态1为上下两个开关管均处于导通时的情况，此时加到电机相绕组的电压为+V_DC；状态0为上下两个开关管分别处于导通和关断时的情况，此时，相电流可通过一个开关管和二极管构成的回路续流；状态-1为上下两个开关管均处于关断时的情况，当相电流还存在时，若电路处于此状态，可把残留的磁能回馈给直流电源。采用不对称桥式功率变换电路作为SRM功率变换器，随着电机转速的升高，由于旋转电势也增加，电机绕组的电流难以升高，而SRM的输出转矩与电流成正比，输出转矩受限，不能满足织机直接主轴驱动的快速启动要求，使织物产生开车痕。因此，将其作为织机直接主传动电机，仍需采取措施，以提高电机的起动力矩，才能满足织机直接主轴驱动的快速启动要求。

发明内容

针对无梭织机直接主驱动，本发明提供一种用于织机直接主传动的电机驱动系统，具有结构简单，起动电流小、起动转矩大的特点。其中的功率变换器采用四电平功率变换电路（见图4）。当织机启动时，通过给电机绕组施加比不对称桥式功率变换器（见图2）更高的电压，使电机绕组中通过较大电流，达到提高电机的起动转矩，以满足织机直接主传动的快速启动要求，使织机在第一次打纬时达到额定工作转速，避免织物出现开车痕。

为了解决上述技术问题，本发明用于织机直接主传动的电机驱动系统予以实现的技术方案是：包括开关磁阻电机、功率变换器、控制器和位置检测器；所述开关磁阻电机为三相开关磁阻电机，所述功率变换器为四电平功率变换器，所述位置检测器为绝对式编码器；采用电流传感器检测流过功率器件和电机绕组的瞬时电流，控制器以该瞬时电流作为电流斩波控制和过流保护的依据；采用电压传感器检测直流侧电压，用于电压保护。

进一步讲，本发明用于织机直接主传动的电机驱动系统，其中，所述四电平功率变换器包括：直流电源，三相开关磁阻电机绕组A、B、C，一个滤波电容C_DC，一个boost电容C_CD，七个功率开关器件Q_AH、Q_AL、Q_BH、Q_BL、Q_CH、Q_CL、Q_CD以及七个功率二极管VD_AH、VD_AL、VD_BH、VD_BL、VD_CH、VD_CL、VD_CD；直流电源采用交流电经二极管三相桥式电路整流后获得；滤波电容C_DC与直流电源的两端并联，滤波电容C_DC与boost电容C_CD串联；其中的六个功率开关器件Q_AH、Q_AL、Q_BH、Q_BL、Q_CH、Q_CL直接与三相开关磁阻电机绕组A、B、C相连；功率开关器件Q_AH、Q_BH、Q_CH为上开关器件，功率开关器件Q_AL、Q_BL、Q_CL为下开关器件，三相开关磁阻电机绕组A、B、C的上端分别接其中一个上开关器件的发射极，三相开关磁阻电机绕组A、B、C的下端分别接其中一个下开关器件的集电极，下开关器件Q_AL、Q_BL、Q_CL的发射极均接电源地；其中的六个功率二极管VD_AH、VD_AL、VD_BH、VD_BL、VD_CH、VD_CL作为三相开关磁阻电机绕组A、B、C的续流二极管；每相电机绕组分别用两个续流二极管；其中一个续流二极管的阳极接与电源地，阴极接与该电机绕组连接的上开关器件的发射极和该电机绕组的上端；另一个续流二极管的阳极接与该电机绕组连接的下功率开关器件的集电极和该电机绕组的下端，其阴极与第七个功率开关器件Q_CD的集电极相连；第七个功率开关器件Q_CD作为向三相开关磁阻电机绕组A、B、C施加高电压的公共开关器件，其集电极与boost电容C_CD的阳极相接，其发射极与第七个功率二极管VD_CD的负极和与三相开关磁阻电机绕组A、B、C各自连接的上功率开关器件的集电极相连，第七个功率二极管VD_CD的阳极接滤波电容C_DC的阳极和boost电容C_CD的阴极。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：

由于本发明驱动系统中的功率变换器采用四电平功率变换电路，当织机启动时，使电机绕组中通过较大电流，达到提高电机的起动转矩，以满足织机直接主传动的快速启动要求，使织机在第一次打纬时达到额定工作转速，避免织物出现开车痕。

附图说明

图1是开关磁阻电机驱动系统的结构框图；

图2是现有技术一种不对称桥式功率变换器的电路原理图；

图3-1至图3-3是不对称桥式功率变换器的几种工作状态，其中，图3-1为状态1，图3-2为状态0，图3-3为状态-1；

图4是本发明电机驱动系统中采用的四电平功率变换器电路原理图；

图5-1至图5-5是本发明中四电平功率变换器的几种工作状态，其中，图5-1为状态2；图5-2为状态1；图5-3为状态0；图5-4为状态-0；图5-5为状态-2；

图6-1是本发明电机驱动系统中，主电机用于驱动打纬和开口运动的织机主传动机构示意图；

图6-2是本发明电机驱动系统中，主电机只用于驱动打纬运动的织机主传动机构示意图；

图中：1-织机主轴，2-驱动筘座运动的大齿轮，3-开关磁阻电机转轴上的小齿轮，4-开关磁阻电机，5-驱动开口机构的齿轮。

具体实施方式

下面结合具体实施方式对本发明作进一步详细地描述。

如图1所示，本发明一种用于织机直接主传动的电机驱动系统，包括开关磁阻电机、功率变换器、控制器和位置检测器；所述开关磁阻电机实现将电能变换为机械能，并遵循磁阻最小原理，所述功率变换器向开关磁阻电机提供运转所需的能量，所述位置检测器用于提供转子位置信息，所述控制器是整个系统的中枢，综合处理速度指令、速度反馈信号及电流传感器、电压传感器、位置传感器的反馈信息，控制功率变换器中主开关器件的工作状态，实现对开关磁阻电机（SRM）运行状态的控制，所述控制器必须借助从位置检测器获得的转子位置信息，以保证在合适的时刻接通或断开相应的相绕组。本发明中，所述开关磁阻电机为三相开关磁阻电机，所述功率变换器为四电平功率变换器，所述位置检测器为绝对式编码器；采用电流传感器检测流过功率器件和电机绕组的瞬时电流，控制器以该瞬时电流作为电流斩波控制和过流保护的依据；采用电压传感器检测直流侧电压，用于电压保护。

如图4所示，所述四电平功率变换器包括：直流电源，三相开关磁阻电机绕组A、B、C，一个滤波电容C_DC，一个boost电容C_CD，七个功率开关器件Q_AH、Q_AL、Q_BH、Q_BL、Q_CH、Q_CL、Q_CD以及七个功率二极管VD_AH、VD_AL、VD_BH、VD_BL、VD_CH、VD_CL、VD_CD；直流电源采用交流电经二极管三相桥式电路整流后获得；滤波电容C_DC与直流电源的两端并联，滤波电容C_DC与boost电容C_CD串联。

如图4所示，其中的六个功率开关器件Q_AH、Q_AL、Q_BH、Q_BL、Q_CH、Q_CL直接与三相开关磁阻电机绕组A、B、C相连；功率开关器件Q_AH、Q_BH、Q_CH为上开关器件，功率开关器件Q_AL、Q_BL、Q_CL为下开关器件，三相开关磁阻电机绕组A、B、C的上端分别接其中一个上开关器件的发射极，三相开关磁阻电机绕组A、B、C的下端分别接其中一个下开关器件的集电极，下开关器件Q_AL、Q_BL、Q_CL的发射极均接电源地。

如图4所示，其中的六个功率二极管VD_AH、VD_AL、VD_BH、VD_BL、VD_CH、VD_CL作为三相开关磁阻电机绕组A、B、C的续流二极管；每相电机绕组分别用两个续流二极管；其中一个续流二极管的阳极接与电源地，阴极接与该电机绕组连接的上开关器件的发射极和该电机绕组的上端；另一个续流二极管的阳极接与该电机绕组连接的下功率开关器件的集电极和该电机绕组的下端，其阴极与第七个功率开关器件Q_CD的集电极相连。

如图4所示，第七个功率开关器件Q_CD作为向三相开关磁阻电机绕组A、B、C施加高电压的公共开关器件，其集电极与boost电容C_CD的阳极相接，其发射极与第七个功率二极管VD_CD的负极和与三相开关磁阻电机绕组A、B、C各自连接的上功率开关器件的集电极相连，第七个功率二极管VD_CD的阳极接滤波电容C_DC的阳极和boost电容C_CD的阴极。

由于现有技术中通常采用不对称桥式功率变换器作为SRM功率变换器，随着电机转速的升高，由于旋转电势也增加，电机绕组的电流难以升高，而SRM的输出转矩与电流成正比，因此，输出转矩受限。为提高开关磁阻电机的起动转矩，以实现织机直接主传动，本发明采用四电平功率变换电路作为驱动织机直接主传动的开关磁阻电机驱动系统的功率变换器。当织机启动时，通过给电机绕组施加比不对称桥式功率变换电路更高的电压，以使电机绕组中通过较大电流，达到提高电机的起动转矩，来满足织机直接主传动的快速启动要求，使织机在第一次打纬时达到或接近额定工作转速，避免织物出现开车痕。

本发明中功率变换电器采用的电路（如图4）与不对称桥式功率变换电路（如图2所示）相比，多了Boost电容C_CD、功率开关器件Q_CD和功率二极管VD_CD各一个。该四电平功率变换电路有四种工作状态，分别为状态2（见图5-1）、状态1（见图5-2）、状态0（包括状态0和状态-0，分别见图5-3、图5-4）和状态-2（见图5-5）。详细说明如下：

状态2为电机绕组A的上下开关器件Q_AH和Q_AL以及公共开关器件Q_CD均为导通时的情况，此时加到电机绕组A的电压为(V_CD+V_DC)，此状态为不对称桥式功率变换电路所没有的状态。在电流上升期间，采用状态2励磁，可缩短建立所需电流的时间，比采用不对称桥式功率变换电路的状态1，可产生更大的相电流。在电感上升区间，采用状态2方式，可输出更大的电动转矩。

状态1为公共开关器件Q_CD关断、电机绕组A的上下两个开关器件Q_AH和Q_AL均处于导通时的情况，其工作状态与不对称桥式功率变换电路状态1相同，此时加到电机绕组A的电压为+V_DC。

状态0和状态-0为公共开关器件Q_CD处于关断、电机绕组上下两个开关管分别处于关断和导通时的情况。状态0为公共开关器件Q_CD和电机绕组A的上开关器件Q_AH均处于关断、电机绕组A的下开关器件Q_AL处于导通时的情况。当公共开关器件Q_CD和上开关器件Q_AH关断时，只让下开关器件Q_AL导通，若电机绕组中还有电流，则电机处于零压续流状态，把此状态称为状态0；而当公共开关器件Q_CD和下开关器件Q_AL关断时，只让上开关器件Q_AH导通，则相绕组储能回馈给boost电容C_CD，姑且把此状态称为状态-0。

状态-2为公共开关器件Q_CD、电机绕组A的上下两个开关器件Q_AH和Q_AL均处于关断时的情况，此时加到相绕组的电压为-（V_CD+V_DC），在能量回馈期间，比采用不对称桥式功率变换电路的状态-1，使电流更迅速地衰减到0，避免产生制动转矩。

本发明中将四电平功率变换器用于织机直接主传动的开关磁阻电机（SRM），其工作过程为：当SRM从静止状态开始起动时，在电感处于不对齐位置附近时，（不对齐位置是指电机定子凸极与转子凹槽对齐），采用状态1方式，使欲导通相的上下开关器件开通（如图5-2所示的Q_AH、Q_AL导通），V_DC电压施加到电机相绕组上，相电流快速上升，当电流达到斩波上限幅值时，关断Q_AH，电路工作在状态0，使电流不再上升，通过零压续流方式使电流下降，当电流下降后，再次使Q_AH导通，即通过状态1和状态0的交替工作，实现电流斩波控制。在相电感进入下降区域之前，关断Q_AH、Q_AL功率开关，功率电路工作在状态-2，电压-（V_CD+V_DC）加到该相绕组上，使该相电流快速衰减到0，防止进入电感下降区域，避免产生负转矩，同时向电容C_CD和C_DC回馈能量。电机按照通电顺序依次给各相绕组通电。随着电机转速的上升，当电机某相激励时，若给该相绕组施加状态1的V_DC电压，由于电机旋转电势的存在，相电流不能达到期望值，从此之后的织机启动过程，给SRM相绕组励磁时，采用状态2方式，即让Q_CD和该相的上下两个开关管都导通，则电机绕组上施加了比普通不对称桥式功率变换电路更高的电压（V_CD+V_DC），因此，电机绕组中的电流加大，提高了输出转矩；当该相关断时，采用状态-2，即关断Q_CD和该相的上下两个开关管，-（V_CD+V_DC）电压加到该相绕组，电机向电容C_CD和C_DC回馈能量，使电流迅速下降，避免电流在电感下降区域产生制动转矩。另外，开通角、关断角随着电机转速上升而逐渐前移。控制方式，低速时为电流斩波控制，高速时为单脉冲控制。

实施例：

织机直接主传动机构如图6-1或6-2所示。图6-1为主传动电机（SRM）直接驱动织机筘座运动和开口机构的传动机构示意图。在织机正常运转时，开关磁阻电机转轴上的小齿轮3与驱动筘座运动的大齿轮2以及与驱动开口机构的齿轮5均啮合，主传动电机驱动筘座运动和开口运动；在寻纬时，不需要专门的慢速电机和寻纬离合器机构，而是由可调速运行的开关磁阻电机4带动织机慢速运动带动综框等一些列机构完成寻纬动作。通过开关磁阻电机4上齿轮的轴向移动，使主传动开关磁阻电机转轴上的小齿轮3与驱动筘座运动的大齿轮2不再啮合，即寻纬时，筘座不运动，仅综框在升降。图6-2为主传动电机（SRM）只用于驱动织机筘座运动（开口机构由其它机构驱动）；在织机正常运转时，开关磁阻电机转轴上的小齿轮3与驱动筘座运动的大齿轮2啮合，主传动电机驱动筘座运动；在寻纬时，通过开关磁阻电机4上齿轮的轴向移动，使主传动开关磁阻电机转轴上的小齿轮3与驱动筘座运动的大齿轮2不再啮合，即寻纬时，筘座不运动，仅综框在升降。开关磁阻电机4作为织机直接主传动驱动电机，主回路采用四电平功率变换器，加大了绕组电流，提高了电机的输出转矩，加快了织机的启动过程，可实现织机主轴1直接驱动。

尽管上面结合图对本发明进行了描述，但是本发明并不局限于上述的具体实施方式，上述的具体实施方式仅仅是示意性的，而不是限制性的，本领域的普通技术人员在本发明的启示下，在不脱离本发明宗旨的情况下，还可以作出很多变形，这些均属于本发明的保护之内。

Claims

1.一种用于织机直接主传动的电机驱动系统，包括开关磁阻电机、功率变换器、控制器和位置检测器；其特征在于，

所述开关磁阻电机为三相开关磁阻电机，所述功率变换器为四电平功率变换器，所述位置检测器为绝对式编码器；

采用电流传感器检测流过功率器件和电机绕组的瞬时电流，控制器以该瞬时电流作为电流斩波控制和过流保护的依据；

采用电压传感器检测直流侧电压，用于电压保护。

2.根据权利要求1所述用于织机直接主传动的电机驱动系统，其特征在于，所述四电平功率变换器包括：直流电源，三相开关磁阻电机绕组A、B、C，一个滤波电容C_DC，一个boost电容C_CD，七个功率开关器件Q_AH、Q_AL、Q_BH、Q_BL、Q_CH、Q_CL、Q_CD以及七个功率二极管VD_AH、VD_AL、VD_BH、VD_BL、VD_CH、VD_CL、VD_CD；直流电源采用交流电经二极管三相桥式电路整流后获得；滤波电容C_DC与直流电源的两端并联，滤波电容C_DC与boost电容C_CD串联；

其中的六个功率开关器件Q_AH、Q_AL、Q_BH、Q_BL、Q_CH、Q_CL直接与三相开关磁阻电机绕组A、B、C相连；功率开关器件Q_AH、Q_BH、Q_CH为上开关器件，功率开关器件Q_AL、Q_BL、Q_CL为下开关器件，三相开关磁阻电机绕组A、B、C的上端分别接其中一个上开关器件的发射极，三相开关磁阻电机绕组A、B、C的下端分别接其中一个下开关器件的集电极，下开关器件Q_AL、Q_BL、Q_CL的发射极均接电源地；

其中的六个功率二极管VD_AH、VD_AL、VD_BH、VD_BL、VD_CH、VD_CL作为三相开关磁阻电机绕组A、B、C的续流二极管；每相电机绕组分别用两个续流二极管；其中一个续流二极管的阳极接与电源地，阴极接与该电机绕组连接的上开关器件的发射极和该电机绕组的上端；另一个续流二极管的阳极接与该电机绕组连接的下功率开关器件的集电极和该电机绕组的下端，其阴极与第七个功率开关器件Q_CD的集电极相连；

第七个功率开关器件Q_CD作为向三相开关磁阻电机绕组A、B、C施加高电压的公共开关器件，其集电极与boost电容C_CD的阳极相接，其发射极与第七个功率二极管VD_CD的负极和与三相开关磁阻电机绕组A、B、C各自连接的上功率开关器件的集电极相连，第七个功率二极管VD_CD的阳极接滤波电容C_DC的阳极和boost电容C_CD的阴极。