CN1131839C - 横移装置及用来控制这横移装置的方法 - Google Patents

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Abstract

本发明既涉及一种用来控制由步进电动机驱动的一个横移装置的方法，又涉及一种其中通过步进电动机的转子位置确定在换向范围内前后运动的横移导纱器的位置的横移装置，转子在带有几个绕组的步进电动机的定子内运动。根据本发明，由定子磁通控制转子的运动，定子磁通由借助于一个磁通控制装置产生的一个定子电压来确定。

Description

横移装置及用来控制这横移装置的方法
本发明既涉及一种控制由步进电动机驱动的一个横移装置的方法，其中横移装置的一个横移导纱器在横移行程内由一个可控步进电动机前后驱动，并且其中横移导纱器的位置和速度由步进电动机的转子确定，转子在带有几个绕组的步进电动机的一个定子中运动。又涉及一种横移装置，其用来借助于一个在横移行程内前后运动的横移导纱器放置纱线。该横移装置带有：一个步进电动机，驱动横移导纱器和一个控制单元，连接到步进电动机上，并且以这样一种方式控制步进电动机，从而使横移导纱器的位置和速度由步进电动机的一个转子确定。
这样一种方法和这样一种装置由EP 0 453,622得知，其中一个横移装置的一个横移导纱器由一个步进电动机驱动以便放置纱线。为了在横移行程内前后驱动导纱器，把步进电动机的转子运动直接传递到导纱器。在这种情况下，借助于皮带驱动实现传递。
在纱的横移过程中，非常重要的是，在横移行程端部处横移导纱器的换向点总是固定在相同的地方。而且，必须在横移行程的端部，横移导纱器非常迅速地减速失去引导速度并重新加速到引导速度。
为了满足这些要求，在行程换向范围内步进电动机以较大公称电流工作。这使步进电动机能够产生较大转矩。这样一种电流增大与产生很高加速和减速必需的步进频率相结合，导致步进电动机中的转子过冲，过冲直接传递到横移导纱器上。此外，这使转子失去其步进序列。电流的增大要求相应大功率的步进电动机。然而，在较大电动机中，转矩增大一般导致较大的惯性矩，较大惯性矩不利于快加速和制动时间的实现。
与此不同，本发明的目的在于，既产生一种用来控制由步进电动机驱动的一个横移装置的方法，又产生一种其中通过步进电动机的最佳容量利用在换向范围内引导横移导纱器的装置。本发明的另一个目的在于，在行程换向范围内以尽可能小的振动驱动横移导纱器。
本发明涉及一种用来控制一种横移装置的方法的特征在于：一个定子电压借助于一个磁通控制装置连续地产生，并且供给到步进电动机，从而由定子磁通控制转子的运动，定子磁通由定子电压确定。
本发明还涉及一种横移装置的特征在于：控制单元带有一个磁通控制装置和一个转换器，磁通控制装置连接到转换器上，及磁通控制装置产生一个定子电压，且把定子电压供给到转换器，以便控制步进电动机。
通过该方法和装置实现上述目的。
根据本发明的方法的具体优点在于，步进电动机中产生的场参数直接用来控制横移装置。由于该方法基于步进电动机的定子磁通，所以实现了驱动的高动态闭环控制。
步进电动机的原理基于永久磁铁型转子在带有几个绕组的定子中转动的事实。为了运动转子，根据一个时间序列，向彼此相对偏置的绕组施加电流。这产生诸磁场，诸磁场与转子的磁场相结合使转子的运动变成可能。定子由多个绕组形成，绕组作为极对确定了步进电动机的步宽。因而通过定子中的磁通(定子磁通)和转子中的磁通(转子磁通)确定步进电动机转矩。由于转子是永久磁铁的形式，所以转子磁通不变，从而步进电动机转矩基本上受定子磁通的幅值和相对于转子磁通的角度影响。根据本发明的方法利用这种依赖性来控制转子的运动，并因此控制横移导纱器的运动。为了控制定子磁通，预先规定由一个磁通控制装置产生的定子电压。因而，通过用在每种情况下在定子绕组中预先规定的定子磁通来改变励磁，而控制转子的运动。
因此这里没有预先规定的步进电动机电流。负载电流将依据步进电动机的工作点而自动设置。
本发明特别有利的改进提供了由步进电动机产生的转矩的闭环控制。为此，一个转矩调节器实现了实际转矩与预定要求转矩之间的要求/实际值比较。如有变化，产生一个对应的转矩校正值，该转矩校正值转换成定子电压以便控制步进电动机。通过这种方法，在每种情况下，都能在横移装置中产生在横移引导的每个位置足以引导横移导纱器的转矩和加速度。通过由转矩闭环控制产生的定子电压能调节转子的相位，即角速度。
根据本发明的带有转矩闭环控制的该方法的具体优点在于，在转子的每个位置能指定一个明确的转矩。通过这种方法，实现步进电动机的优化容量利用。
作用在转子上的转矩本质上取决于转子位置、转子磁通和定子磁通。由于转子具有恒定的转子磁通，所以根据本发明特别有利的改进，仅由定子电流和定子磁通的电气参数能计算实际转矩。那么就有确定步进电动机的瞬时实际定子磁通的两种可能性。
第一种可能性是，确定转子位置而不用传感器。在这种情况下，连续测量定子电压和定子电流，并且把两者在一个计算电路中以这种方式结合，从而得到依赖于转子位置的定子磁通。然后使用定子磁通和定子电流，能够确定实际转矩，从而能把确定的实际转矩与要求转矩相比较。要求转矩产生于横移导纱器的运动定律，并且作为具体绕线定律的函数是已知的。在这种情况下，对于转子的每个位置由横移导纱器的位置和速度能预先确定该转矩，并把该转矩输入到转矩调节器中。
在该方法特别有利的变形中，转子的角位置由一个传感器检测，并且转子的角位置包括在步进电动机的闭环控制中。如果使这些位置信号与转子相位平衡，则得到一个标准化的转子磁通信号。这些标准化的转子磁通信号能便利地转换成相应的定子磁通信号。因而得知定子磁通。
在该方法的最佳改进中，实际定子磁通被连续地确定，并供给到一个用于实际/要求值比较的磁通调节器。这种闭环控制便利地提供干扰影响的直接校正。精确重复横移导纱器运动所要求的定子磁通轮廓能输入给步进电动机。由于定子磁通的相位本质上影响着转矩的增大，而定子磁通的幅值确定转矩的绝对值，所以如果除转矩闭环控制之外也实现磁通闭环控制，则实现步进电动机的优化容量利用。
在这种情况下，能把由调节器产生的定子电压便利地直接供给一个脉冲宽度调制器，以便驱动一个转换器。因而用横移装置能进行诸如随机绕线、精确绕线等之类的所有通常类型的绕线和横移行程变化。
本发明进一步的有利改进在从属权利要求中限定。
参照附图利用实施例更充分地描述根据本发明的方法的进一步优点和改进，在附图中：
图1是根据本发明的一种横移装置的示意描绘；
图2是带有两个定子绕组的一种步进电动机的示意描绘；
图3表示一种磁通控制装置的示意结构；
图4表示一种步进电动机的等效电路图；
图5表示在定子固定的坐标系中的定子磁通和转子磁通；
图6表示磁通控制装置的方块图。
图1是一种横移装置的示意描绘。这里，借助于一个步进电动机4，在横移行程内前后运动横移导纱器8。借助于一根皮带7把运动从步进电动机4传递到导纱器8。皮带7绕皮带轮6、9和11通过。横移导纱器8牢固地固定到环状皮带7上，并且在皮带轮11与9之间的皮带7上被前后引导。皮带轮11可转动地安装在一根轴12上，而皮带轮9可转动地安装在轴10上。皮带轮6联接到一根由步进电动机4的转子以交替转动方向驱动的转子轴5上。步进电动机4经一个控制单元22驱动。为此，控制单元22包括一个转换器2和一个磁通控制装置1。磁通控制装置1借助于一根控制线23和一根信号线24连接到转换器2上。磁通控制装置1连接到一个检测转子或转子轴5的位置的传感器3上。磁通控制装置还包括一个输入端，该输入端用于横移系统所要求的输入。
位于皮带驱动下方、平行于张紧在皮带轮9与11之间的皮带7的是一个绕线锭子15，在绕线锭子15上连接有一个线轴壳体14。一个线轴13缠绕到壳体14上。为此，一根纱线由横移导纱器8沿线轴的表面前后放置，横移导纱器8的每个位置给定步进电动机中转子的一个明确的角位置。因而对于每个横移导纱器位置，经磁通控制装置1能把用来影响转子所必需的磁场参数输入给步进电动机4。
参照图2中所示的示意表示，能按如下描述步进电动机的操作。
步进电动机4包括至少两个彼此相对偏置90°的绕组16和17。转换器2根据预定的时间序列交替地触发绕组16和17，一个具有磁通ψS的磁场建立在绕组的每一个中。一个负载电流(定子电流)iS在绕组中流动。然后一个安装在绕组中心的转子(这里没有表示)靠其永久磁场运动。一个传感器3联接到步进电动机上，以便检测转子的位置。传感器3这样设计，从而使传感器的步数可由步进电动机的极对数整除。因而其信号既能用于转子位置的闭环控制，又能用于定子磁通的确定。如果使用一个其中齿数与电动机极对数相同的齿轮，则得到特别简单的比值。借助于两个为以下目的对于齿节距具有90°偏移的磁控电阻，得到一个正弦信号和一个余弦信号。如果使这些信号与转子相位平衡，则得到一个标准化的转子磁通信号。
然后把瞬时定子电流iS和传感器信号供给到磁通控制器的一个变压器18，如图3中所示。磁通控制装置示意地描绘在图3中，其中矢量参数用一个箭头指示。
由定子电流和传感器信号，变压器18确定定子磁通ψS的实际值。定子磁通的实际值然后供给到一个磁通调节器20，并且同时供给到一个转矩调节器19。然后直接在磁通调节器20的输入端，把定子磁通的瞬时实际值与定子磁通的预定要求值相比较。如有变化，则磁通调节器20将产生一个供给到一个脉冲宽度调制器21的电压信号，脉冲宽度调制器21连接到转换器2上。在磁通闭环控制的同时，在转矩调节器19中进行转矩预定要求值与步进电动机转矩实际值之间的比较。这里，由供给的参数定子电流iS和定子磁通ψS确定实际转矩。如有变化，转矩调节器19同样产生一个供给到脉冲宽度调制器21的电压信号。在这种情况下的定子电压uS由一个转矩形成分量uM和一个磁通形成分量uψ组成，下面将更详细地讨论两者之间的关系。
参照图4所示的等效电路图和图5所示的矢量图，进一步描述步进电动机。在定子固定的坐标系中把机器参数理解为空间矢量，坐标系的α轴与机器缠绕轴一致，而β轴正交于α轴。因而根据如下公式能计算两相步进电动机的转矩：
M＝p*l/L*|ψS|*|ψR|*sinδ
其中p是步进电动机的极对数，而δ是定子磁通空间矢量与转子磁通空间矢量之间的角度。使用如下公式由定子电压uS能直接确定定子磁通ψS：
ΨS＝∫(uS-iS*R)*dt
与此不同，由于永久激励，不能影响转子磁通的幅值。其位置仅取决于转子的位置。为了实现机器的优化利用，定子磁通空间矢量的点应该在一条圆形路径上运动。这可以这样来实现，把电压空间矢量uM连接到其方向正交于定子磁通方向的绕组上。由于定子磁通ψS实质上是定子电压的积分，所以这样一个电压空间矢量代替转动中的定子磁通空间矢量ψS。然而，这个电压空间矢量单独只能影响角速度ω，而不能影响定子磁通的幅值。因此需要另一个电压空间矢量uψ，uψ指向定子磁通空间矢量ψS的方向。因而作为两个分量uM与uψ之和得到定子电压uS。
对于机器的理想空转M＝0，ψS和ψR必须旋转一致。如果随后转矩迅速升高，则必须大大地增大电压空间矢量uM。这立即增大定子磁通空间矢量的角速度ωS，而转子磁通空间矢量由于其对转子位置的固定连接，起初继续以其旧的、较慢的角速度旋转。因此定子磁通空间矢量与转子磁通空间矢量之间的角度δ和转矩随后随角速度差而增大。如果达到要求的转矩基准值，则必须再次把电压幅值从uM减小到一个较低的值。同时，必须调节uψ，因为由于负载电流的增大，在定子电阻R上相对于ψS方向的电压降分量(iS*R)增大。因而由定子电压uS能确定和控制步进电动机中定子磁通的幅值和相位。在适当标准化之后，定子电压的输出信号能直接用作一个脉冲宽度调制器的输入信号。然而，必须注意，仅在其中转换器实际继续加脉冲的时间间隔内，才能影响电压空间矢量。
如果定子磁通的确定与位置闭环控制相结合，则由如下公式能计算定子磁通ψS：
ψS＝ψR+iS*L
使用如图2中所示的确定的正弦和余弦转子信号、和一个恒定的转子磁通公称值，相对于定子坐标系得到如下定子磁通：
ΨS，α＝ΨO*cosiS，α*L
ψS，β＝ψO*sin+iS，β*L
然后能把定子磁通的这些实际值供给到一个磁通调节器或一个转矩调节器。
图6表示一种组合的定子磁通和转矩调节器的方块图。这里，由实际定子磁通和定子电流按如下计算一个实际转矩：
M＝p(ψS，α*iS，β)-(ψS，β*iS，α)
转矩的确定实际值供给到一个转矩调节器，该转矩调节器实现实际/要求值比较。如果确定了变化，则产生一个转矩校正值kM。通过采用关系uM＝jkM*ψS，把校正值转换成一个定子电压，并且供给到一个脉冲宽度调制器，以便控制转换器。同时实现磁通闭环控制，并且在转矩闭环控制的同时，在标准化之后把定子磁通与要求的定子磁通调节器输入相比较。如有变化，则磁通调节器将产生一个磁通校正值kψ。通过利用关系uψ＝jkψ*ψS，得到同样供给到脉冲宽度调制器的一个电压值。
借助于这种闭环控制，通过电动机转矩的直接控制能消除在迅速换向操作情况下在步进电动机中常常发生的振动，从而在横移行程的端部范围内能可靠地引导横移导纱器而没有振动。结果，有可能实现比一般仅具有开环控制的操作更好的电动机容量利用。
标号表
1磁通控制器
2转换器
3传感器
4步进电动机
5转子轴
6皮带轮
7皮带
8横移导纱器
9皮带轮
10  轴
11  皮带轮
12  轴
13  线轴
14  线轴壳体
15  绕线锭子
16  绕组
17  绕组
18  变压器
19  转矩调节器
20  磁通调节器
21  脉冲宽度调制器
22  控制单元
23  控制线
24  信号线

Claims (13)

1.用来控制一种横移装置的方法，其中横移装置的一个横移导纱器在横移行程内由一个可控步进电动机前后驱动，并且其中横移导纱器的位置和速度由步进电动机的转子确定，转子在带有几个绕组的步进电动机的一个定子中运动，
其特征在于：
一个定子电压借助于一个磁通控制装置连续地产生，并且供给到步进电动机，从而由定子磁通控制转子的运动，定子磁通由定子电压确定。
2.根据权利要求1所述的方法，
其特征在于：
连续确定作用在转子上的一个实际转矩(M实际)，
把实际转矩(M实际)供给到一个转矩调节器，
在实际转矩(M实际)与预定要求转矩(M要求)之间的实际值与要求值比较之后，转矩调节器产生一个转矩校正值(kM)，并且把转矩校正值(kM)转换成定子电压(uM)。
3.根据权利要求2所述的方法，
其特征在于：
由连续测量的定子电流(iS)和实际定子磁通(ψS)计算出对于恒定转子磁通(ψR)的实际转矩(M实际)。
4.根据权利要求3所述的方法，
其特征在于：
借助于一个计算电路由一个定子电压(uS)和定子电流(iS)确定实际定子磁通(ψS)。
5.根据权利要求3所述的方法，
其特征在于：
由转子的角位置()和定子电流(iS)确定实际定子磁通(ψS)，转子的角位置()由一个位置传感器测量，并且由传感器信号、转子磁通(ψR)和定子电流(iS)计算实际定子磁通(ψS)。
6.根据权利要求2至5任一项所述的方法，
其特征在于：
在横移行程内由横移导纱器的位置和速度确定要求转矩(M要求)。
7.根据权利要求1所述的方法，
其特征在于：
把实际定子磁通(ψS)供给到一个磁通调节器，在实际定子磁通(ψS)与一个要求定子磁通(ψ要求)之间的实际/要求值比较之后，磁通调节器产生一个磁通校正值(kψ)，并且把磁通校正值(kψ)转换成定子电压(uψ)，以便控制步进电动机。
8.根据权利要求1至5任一项所述的方法，
其特征在于：
把实际定子磁通(ψS)供给到一个磁通调节器，在实际定子磁通(ψS)与一个要求定子磁通(ψ要求)之间的实际值与要求值比较之后，磁通调节器产生一个磁通校正值(kψ)以便控制步进电动机，并且把磁通校正值(kψ)和转矩校正值(kM)转换成一个定子电压(uS)。
9.根据权利要求1至5任一项所述的方法，
其特征在于：
把定子电压供给到一个脉冲宽度调制器。
10.根据权利要求1至5任一项所述的方法，
其特征在于：
诸调节器每个包括一个比例特性和一个积分特性。
11.横移装置，用来借助于一个在横移行程内前后运动的横移导纱器(8)放置纱线，该横移装置带有：一个步进电动机(4)，驱动横移导纱器(8)；和一个控制单元(22)，连接到步进电动机(4)上，并且以这样一种方式控制步进电动机(4)，从而使横移导纱器(8)的位置和速度由步进电动机(4)的一个转子(5)确定；
其特征在于：
控制单元(22)带有一个磁通控制装置(1)和一个转换器(2)，磁通控制装置(1)连接到转换器(2)上，及磁通控制装置(1)产生一个定子电压，且把定子电压供给到转换器(2)，以便控制步进电动机(4)。
12.根据权利要求11所述的横移装置，
其特征在于：
磁通控制装置(1)包括其输出信号借助于一个脉冲宽度调制器(21)供给到转换器(2)的一个转矩调节器(19)和一个磁通调节器(20)中的至少一个。
13.根据权利要求11或12所述的横移装置，
其特征在于：
磁通控制装置(1)连接到位于步进电动机(4)上的一个位置传感器(3)上，位置传感器(3)检测转子(5)的角位置。
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