CN109082756A - 电机驱动控制方法、设备及织机 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了一种电机驱动控制方法、设备及织机，所述电机驱动控制方法包括：在电机启动或停机时，根据转速给定值获取附加转矩；将所述附加转矩与速度控制器的输出值进行叠加获得转矩叠加值，并将所述转矩叠加值作为电流调节器的输入；根据所述电流调节器的输出生成驱动控制信号并通过所述驱动控制信号使逆变器向所述电机输出驱动电压。本发明通过将同步电机内嵌到织机的现有结构中，实现了同步电机与织机机械结构的一体化，并通过在启动和停机阶段叠加附加转矩来完成快速启停，省去了中间传动单元，从而最大程度上降低了织机的损耗。

Description

电机驱动控制方法、设备及织机
技术领域
本发明涉及一种织机，更具体地说，涉及一种电机驱动控制方法、设备及织机。
背景技术
衣食住行是人们工作生活必不可少，随着经济的发展，人们越来越注重衣着打扮，对纺织品的需求及品质要求也不断提高。织机作为纺织行业最重要的设备之一，为后续的印染、针缝等提供了原料。
随着纺织行业的不断发展，织机也在不断更新进步。从最早的有梭织机到后来的剑杆织机、喷水织机、喷气织机，织机的能效不断提高。如图1、2所示，是现有织机的示意图。在该织机1中，主电机11为织机的主轴16提供工作所需的驱动力，由于织机1启动时需要很大的扭矩，所以通常需要用皮带轮(具体包括电机端传动带轮12、主轴端传动带轮13以及传动皮带14)或者齿轮作为减速。目前织机中的主电机11一般采用高效率的异步电机。在上述织机中，停机时往往需要靠刹车盘15抱闸刹车，刹车盘15作为易损件经常会损坏，并且更换麻烦。
然而，上述采用异步电机的织机，不仅零部件繁多、物料成本高、安装复杂、维护成本高，并且主轴16的轴承需要承受较大的传动皮带传递扭矩带来的拉轴力，产品故障率高。此外，传动皮带14的传动噪音高，并会产生能量损耗(能耗为约15％)。上述织机还存在无法灵活调速的问题，若更换加工工件的时候，需要通过更换传动带轮等来实现变速，人工成本高，生产效率低。
主电机11也可采用同步电机，其驱动效率比异步电机有所提高，但由于存在快速启动或停车所需的减速机构，同样也会带来相应的损耗，并且由于织机工作时产生的震动，也导致主电机11的编码器寿命较短。
发明内容
本发明要解决的技术问题在于，针对上述织机的驱动部分结构复杂、成本较高的问题，提供一种电机驱动控制方法、设备及织机。
本发明解决上述技术问题的技术方案是，提供一种电机驱动控制方法，包括：
在电机启动或停机时，根据速度给定曲线获取附加转矩；
将所述附加转矩与速度控制器的输出值进行叠加获得转矩叠加值，并将所述转矩叠加值作为电流调节器的输入；
根据所述电流调节器的输出生成驱动控制信号，并通过所述驱动控制信号使逆变器向所述电机输出驱动电压。
在本发明所述的电机驱动控制方法中，所述方法包括：
根据所述电机目标速度、加速时间以及减速时间确定所述速度给定曲线。
在本发明所述的电机驱动控制方法中，所述方法包括：
根据所述逆变器的输出电压和输出电流估算转速反馈值；
将所述转速反馈值与所述速度给定曲线中对应时间的目标速度叠加获得转速叠加值，并将所述转速叠加值作为所述速度控制器的输入。
在本发明所述的电机驱动控制方法中，所述电机启动包括所述电机由零速锁定状态进入快车运行状态或进入点动运行状态，所述电机停机包括所述电机由快车运行状态或零速运行状态进入零速锁定状态，所述方法包括：
使所述电机在上电后进入所述零速锁定状态；
在接收到快车运行指令时使所述电机进入快车运行状态，或者在接收到点动运行指令时使所述电机进入点动运行状态；
在快车运行或点动运行结束后，使所述电机进入零速锁定状态。
在本发明所述的电机驱动控制方法中，所述方法包括：
采样所述逆变器的输出电流，并通过坐标变换获得励磁电流和转矩电流；
所述电流调节器根据所述励磁电流和转矩电流进行电流闭环控制。
本发明还提供一种电机驱动控制设备，包括存储器和处理器，所述存储器中存储有可在所述处理器上运行的计算机程序，所述处理器执行所述计算机程序时实现如上所述方法的步骤。
本发明还提供一种织机，包括机架和主轴，所述机架上具有轴孔且所述主轴的一端穿过所述轴孔突伸到所述机架的外侧；所述织机还包括电机壳、定子、转子以及如上所述的电机驱动控制设备，其中：所述电机壳固定在所述机架的轴孔的外侧，所述定子固定在所述电机壳的内壁，所述转子固定在所述主轴位于机架外侧的部分并与所述定子相对，且所述电机壳、定子、转子与所述织机的主轴同轴。
在本发明所述的织机中，所述机架的轴孔外侧具有端盖，且所述端盖与主轴之间具有轴承；所述织机包括安装法兰盘，所述安装法兰盘固定在所述机架的外侧并环绕所述端盖的外周，且所述安装法兰盘与所述主轴同轴；所述电机壳固定在所述安装法兰盘上。
在本发明所述的织机中，所述主轴突伸到所述机架外侧的部分包括多个装配段，且所述多个装配段呈直径逐步减小的台阶形；位于最外侧的装配段为直径逐渐缩小的圆台形，且所述转子通过锁紧螺母固定在所述最外侧的装配段。
在本发明所述的织机中，所述转子包括转子铁芯，且所述转子铁芯的一端突伸到所述电机壳外。
在本发明所述的织机中，所述转子铁芯上具有环绕所述主轴设置的散热孔或散热槽，且所述散热孔或散热槽的开口位于所述转子铁芯突出到电机壳外的端面。
本发明的电机驱动控制方法、设备及织机，通过将同步电机内嵌到织机的现有结构中，实现了同步电机与织机机械结构的一体化，并通过在启动和停机阶段叠加附加转矩来完成快速启停，省去了中间传动单元，从而最大程度上降低了织机的损耗。
本发明还通过开环同步控制保证同步电机机快速启动不失步，并可以完成快速停机定位，省去了刹车盘及额外的电机编码器。
附图说明
图1是现有织机的示意图；
图2是现有织机中驱动部分的剖面示意图；
图3是本发明织机实施例的示意图；
图4是本发明织机实施例的剖面示意图；
图5是本发明电机驱动控制设备实施例的示意图；
图6是本发明电机驱动控制方法实施例的流程示意图；
图7是本发明电机驱动控制方法的速度曲线图；
图8是本发明电机驱动控制方法中电流闭环控制实施例的示意图；
图9是本发明电机驱动控制设备实施例的示意图。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
如图3-4所示，是本发明织机3实施例的示意图，该织机3可以为剑杆织机、喷水织机或喷气织机。本实施例的织机3包括机架30、主轴36、电机壳31、定子32、转子33以及电机驱动控制设备，其中机架30上具有轴孔且主轴36的一端穿过上述轴孔突伸到机架30的外侧。电机壳31固定在机架30的轴孔的外侧，定子32固定在电机壳31的内壁，转子33固定在主轴36位于机架30外侧的部分，且上述电机壳31、定子32、转子33与织机的主轴36同轴。
如图5所示，为实现织机启动或停机阶段所需的大扭矩，电机驱动控制设备需在织机启动或停机时，通过附加转矩计算单元51根据由控制器产生的目标速度(该目标速度从速度给定曲线获取)获取附加转矩，并将附加转矩与速度控制器52(该速度控制器可采用PI调节器，且该速度控制器52的输入为目标速度与反馈速度ωr的叠加值，反馈速度ωr由速度估算单元55根据逆变器的输出电压和输出电流计算获得)的输出值进行叠加获得转矩叠加值，然后将该转矩叠加值作为电流调节器53(该电流调节器同样可采用PI调节器)的输入；电机驱动控制设备的驱动板上的PWM发波单元54再根据电流调节器的输出生成驱动控制信号并通过该驱动控制信号使逆变器向定子32的线圈绕组输出驱动电压。上述附加转矩计算单元51具体可结合运行在电机驱动控制设备硬件上的软件构成。
结合图7所示，织机启动和停车时的速度给定曲线由织机目标速度和加减速时间共同确定，可以根据不同工艺需求进行调整，图中，0-t1是加速时间，t2-t3是减速时间。具体地，附加转矩计算单元51可根据以下计算式计算得到附件转矩T附加：
其中K是补偿系数，具体可根据应用场合的实际需要预先设定，是织机的转速给定值。
上述织机通过将主轴36与电机一体化，即电机的定子32和转子33直接安装于主轴36上，并结合电机驱动控制设备进行驱动控制，省去了原独立电机上的轴承、风扇以及传动组件(例如传动皮带、传动带轮)等配件。由于该织机中主轴36直接有转子33带动转动，用于安装主轴36的轴承38无需再承受传输皮带的拉轴力，轴承38受力更平衡，故障率将大大降低。省去传动皮带后，也使织机的整机噪音更低，相应地传动皮带的损耗也减少(耗能减少约15％)，织机更绿色节能。
具体地，上述电机驱动控制设备可根据逆变器的输出电压和输出电流估算转速反馈值；然后将转速反馈值与转速给定值叠加获得转速叠加值，并将转速叠加值作为所述速度控制器的输入。通过该方式，无需编码器即可实现转速闭环控制。
上述电机驱动控制设备还可通过电流闭环控制来提高电流利用率，解决异步电机恒压、恒压频比控制启动瞬间高滑差带来的启动电流不受控的问题。具体地，电机驱动控制设备采样逆变器的输出，并通过坐标变换获得励磁电流和转矩电流，然后电流调节器根据励磁电流和转矩电流进行电流闭环控制。电流闭环控制可以降低变频器选型裕量，节约模块成本。
电机驱动控制设备在织机上电后使定子32和转子33进入零速锁定状态，并在接收到快车运行指令时进入快车运行状态，或者在接收到点动运行指令时使电机进入点动运行状态(上述电机启动包括电机由零速锁定状态进入快车运行状态或进入点动运行状态)；在快车运行或点动运行结束后，电机驱动控制设备使电机重新进入零速锁定状态(上述电机停机包括电机由快车运行状态或零速运行状态进入零速锁定状态)。通过该方式，上述电机驱动控制设备可实现制动，从而省去了制动器以及制动器电源等，使得织机的零部件数量进一步减少，物料成本进一步降低。
由于上述织机中减少了轴承、风扇、传动皮带、制动器、制动器电源等，因此只需要安装定子32和转子33即可，大大简化了安装过程，人工成本低。
上述织机的机架30的轴孔外侧具有端盖35，且该端盖35与主轴36之间具有轴承38，通过端盖35，可避免外界灰尘落入机架30的轴孔，减少故障。
在上述织机中，电机壳31可通过以下方式安装到机架30：增加安装法兰盘34，该安装法兰盘34固定(例如焊接或通过螺栓)在机架30的外侧并环绕端盖35的外周，且安装法兰盘34与主轴36同轴；电机壳31通过螺钉固定在安装法兰盘34上。通过该方式，在需对定子32和转子33维护时，只要拆下螺钉即可使电机壳31与安装法兰盘34分离。上述安装法兰盘还可提高定子32和转子33的密封性，保证转子33高效、稳定运行。
特别地，上述主轴36突伸到机架30外侧的部分包括多个装配段，且多个装配段呈直径逐步减小的台阶形；位于最外侧的装配段为直径逐渐缩小的圆台形，且转子33通过锁紧螺母37固定在最外侧的装配段。
上述电机壳31的固定结构以及转子33的固定结构，可兼容现有的织机，即无需对现有织机进行改装即可实现完成织机驱动部分的安装。
为提高散热性能，上述转子33包括转子铁芯331，且该转子铁芯331的一端突伸到电机壳31外。并且，还可在转子铁芯331上增加环绕主轴36设置的散热孔或散热槽3311，且散热孔或散热槽3311的开口位于转子铁芯331突出到电机壳31外的端面。
如图6所示，是本发明电机驱动控制方法实施例的流程示意图，该方法可应用于织机中同步电机运行控制。本实施例的电机驱动控制方法包括：
步骤S61：在电机启动或停机时，根据速度给定曲线获取附加转矩。
结合图7所示，电机启动和停车时的速度给定曲线由电机目标速度(由控制器根据工况提前设置)和加减速时间共同确定，可以根据不同工艺需求进行调整，图中，是目标速度，0-t1是加速时间，t2-t3是减速时间。具体地，该步骤可根据计算式(1)计算得到附件转矩T附加。
步骤S62：将附加转矩与速度控制器的输出值进行叠加获得转矩叠加值，并将转矩叠加值作为电流调节器的输入。
步骤S63：根据电流调节器的输出生成驱动控制信号并通过所述驱动控制信号使逆变器向所述电机输出驱动电压。
上述的电机驱动控制方法中，还可进行速度闭环控制来提高对主轴的控制：先根据逆变器的输出电压和输出电流估算转速反馈值；然后将转速反馈值与转速给定值叠加获得转速叠加值，并将转速叠加值作为速度控制器的输入。
上述的电机驱动控制方法还可通过电流闭环控制来提高电流利用率。在进行速度闭环控制时，如图8所示，首先采样逆变器的输出，并通过坐标变换获得励磁电流反馈值id和转矩电流反馈值iq；第一电流调节器81以励磁电流给定值和励磁电流反馈值id作为输入，并输出d轴电压第二电流调节器82以转矩电流给定值和转矩电流反馈值id作为输入，并输出q轴电压(上述励磁电流给定值转矩电流给定值根据转矩叠加值生成)；最后由转换单元83将上述d轴电压和q轴电压转换为三路驱动电压信号输出到PWM发波单元54，从而完成电流闭环控制。
此外，上述方法还包括：在电机上电后使该电机进入零速锁定状态，并在接收到快车运行指令时进入快车运行状态、或者在接收到点动运行指令时使电机进入点动运行状态(电机启动可包括电机由零速锁定状态进入快车运行状态或进入点动运行状态)；在快车运行或点动运行结束后，再使电机进入零速锁定状态(电机停机可包括电机由快车运行状态或零速运行状态进入零速锁定状态)。通过该方式，可省去电机的制动器(即刹车盘)。
如图9所示，本发明还提供一种电机驱动控制设备，该系统可应用于织机同步电机驱动控制，且该电机驱动控制设备包括存储器91和处理器92，并且存储器91中存储有可在处理器92上运行的计算机程序，处理器92执行计算机程序时实现如上所述方法的步骤。本实施例中的电机控制器与上述图6对应实施例中的电机驱动控制方法属于同一构思，其具体实现过程详细见对应的方法实施例，且方法实施例中的技术特征在本设备实施例中均对应适用，这里不再赘述。
以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应该以权利要求的保护范围为准。

Claims (11)

1.一种电机驱动控制方法，其特征在于，包括：
在电机启动或停机时，根据速度给定曲线获取附加转矩；
将所述附加转矩与速度控制器的输出值进行叠加获得转矩叠加值，并将所述转矩叠加值作为电流调节器的输入；
根据所述电流调节器的输出生成驱动控制信号，并通过所述驱动控制信号使逆变器向所述电机输出驱动电压。
2.根据权利要求1所述的电机驱动控制方法，其特征在于，所述方法包括：
根据所述电机目标速度、加速时间以及减速时间确定所述速度给定曲线。
3.根据权利要求1所述的电机驱动控制方法，其特征在于，所述方法包括：
根据所述逆变器的输出电压和输出电流估算转速反馈值；
将所述转速反馈值与所述速度给定曲线中对应时间的目标速度叠加获得转速叠加值，并将所述转速叠加值作为所述速度控制器的输入。
4.根据权利要求1所述的电机驱动控制方法，其特征在于，所述电机启动包括所述电机由零速锁定状态进入快车运行状态或进入点动运行状态，所述电机停机包括所述电机由快车运行状态或零速运行状态进入零速锁定状态，所述方法包括：
使所述电机在上电后进入所述零速锁定状态；
在接收到快车运行指令时使所述电机进入快车运行状态，或者在接收到点动运行指令时使所述电机进入点动运行状态；
在快车运行或点动运行结束后，使所述电机进入所述零速锁定状态。
5.根据权利要求1所述的电机驱动控制方法，其特征在于，所述方法包括：
采样所述逆变器的输出电流，并通过坐标变换获得励磁电流和转矩电流；
所述电流调节器根据所述励磁电流和转矩电流进行电流闭环控制。
6.一种电机驱动控制设备，包括存储器和处理器，其特征在于，所述存储器中存储有可在所述处理器上运行的计算机程序，所述处理器执行所述计算机程序时实现如权利要求1至5中任一项所述方法的步骤。
7.一种织机，包括机架和主轴，所述机架上具有轴孔且所述主轴的一端穿过所述轴孔突伸到所述机架的外侧；其特征在于，所述织机还包括电机壳、定子、转子以及如权利要求5所述的电机驱动控制设备，其中：所述电机壳固定在所述机架的轴孔的外侧，所述定子固定在所述电机壳的内壁，所述转子固定在所述主轴位于机架外侧的部分并与所述定子相对，且所述电机壳、定子、转子与所述织机的主轴同轴。
8.根据权利要求7所述的织机，其特征在于，所述机架的轴孔外侧具有端盖，且所述端盖与主轴之间具有轴承；所述织机包括安装法兰盘，所述安装法兰盘固定在所述机架的外侧并环绕所述端盖的外周；所述电机壳固定在所述安装法兰盘上。
9.根据权利要求7所述的织机，其特征在于，所述主轴突伸到所述机架外侧的部分包括多个装配段，且所述多个装配段呈直径逐步减小的台阶形；位于最外侧的装配段为直径逐渐缩小的圆台形，且所述转子通过锁紧螺母固定在所述最外侧的装配段。
10.根据权利要求7所述的织机，其特征在于，所述转子包括转子铁芯，且所述转子铁芯的一端突伸到所述电机壳外。
11.根据权利要求10所述的织机，其特征在于，所述转子铁芯上具有环绕所述主轴设置的散热孔或散热槽，且所述散热孔或散热槽的开口位于所述转子铁芯突出到电机壳外的端面。
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