电锭式环锭细纱机主从式控制系统若干关键技术研究

发布时间：2016-06-29 07:13

第 1 章 绪论

1.1 电锭细纱机技术的发展
早在 20 世纪 80 年代，国外纺机厂商便开始研制试验在细纱机上以微电机组合锭子驱动代替锭带传动，此后，国内由经纬集团和上海二纺机等协作对电锭细纱机技术攻关，到 1990 年有报道称能在 1991 年量产电锭细纱机。在以后相当长的一段时期中，该技术似乎被慢慢淡忘，业界也很少或几乎不再提及。究其原因，笔者认为能用作精密驱动控制的电锭成本价格大大高于当时的使用价值，也即这种多锭位单独驱动控制系统属于高端驱动控制应用，在纺织生产这个低附加值加工领域，相对高的生产成本、低微的产品利润难以承担和消化高端技术应用的大额固定资产投入所带来的资本成本。因而在样机面世示范至今的 20 多年中，一直没有适宜的应用方案被实施，也未见用于实际生产的报道，成为一个技术模型可行但商业运作不可行的案例[13][14]。随着科技的进步，驱动、控制和信息技术不断的进步和成本下降，与此同时资源类和机械加工部件的价格不断上涨，而行业的发展对技术进步的需求不断增强。这三大要素使电锭驱动技术向着可行的应用渐行渐近。就是说，第一方面电子、电气、电机和信息技术的应用越来越普及和成熟，相对成本快速降低；第二方面与资源相关的能源、人力资源、金属和其它工程材料等价格猛涨；第三方面纺织行业对与降本增效和强化管理相关的技术需求越来越迫切。这三个方面将会持续地按照已有的趋势发展，因此三者的集合均使电锭技术向着可应用的方向前进。随着电锭试验应用的推进，其被推广应用是迟早的进程。
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1.2 电锭驱动专用电机
早期电锭驱动电机都采用三相异步电动机，其效率较低。近年来，永磁材料性能的改善，使得永磁电机得到了迅猛发展，价格大幅度降低。与三相异步电机相比，永磁电机具有损耗小、效率高、体积小、结构简单、功率因数高、质量轻、成本低等优点，因而广泛应用于各种场合工业场合并且具有很大的发展空间[17]。无刷直流电机（Brushless DC Motor，BLDCM）和永磁同步电机（Permanent MagnetSynchronous Motor，PMSM）是最常用的永磁电机。这两种电机具有相似之处，然而两者统一中也存在对立的一面，两者在结构、运行性能、控制方法等方面具有一定的差异。BLDCM 和 PMSM 电机本体设计所用的材料没有本质差别，都是根据具体应用场合而定。为减少齿槽转矩脉动、电机噪声与振动，BLDCM 和 PMSM 的定子槽口设计通常均采用定子斜槽、分数槽、转子斜极、辅助凹槽及齿槽宽配合法等[19]。但是，由于 BLDCM 和 PMSM 的反电动势波形和定子电流波形不同，所以其电机本体结构也存在差异。具体如下:（1）BLDCM 的永磁体设计成瓦片形状，以产生梯形的磁通密度，从而产生梯形波的反电动势；而 PMSM 的永磁体通常设计成抛物线形状，以产生正弦的磁通密度，从而产生正弦的反电动势[20]。（2）电机绕组的设计存在差异。BLDCM 定子绕组通常设计成集中、整矩绕组；PMSM 定子绕组通常设计成分布、短距绕组，分数槽或正弦绕组[20]。当 BLDCM 和 PMSM 均采用传统有位置传感器控制时，两者使用的位置传感器也存在较大差异。BLDCM 只需准确检测电流换向点时刻即可保证其正常工作，故 BLDCM 使用的位置传感器结构比较简单、分辨率也比较低，通常用的位置传感器有光电式、电磁式、磁敏式等几类。而 PMSM 需要正弦波电流，电流大小是由转子瞬时位置决定，故要选用旋转变压器等高分辨率的位置传感器需要对转子位置进行实时检测，导致 PMSM 的生产成本要比 BLDCM 更高。
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第 2 章 电锭式环锭细纱机主从式控制系统总体实现方案

2.1 引言
随着制造业的不断发展，越来越多的机械设备，尤其是大型机械设备需要多台电机共同驱动；为了提高设备质量，对多台电机的速度同步性能要求也越来越高。本章涉及电机控制领域中的细纱机电机式锭子控制方法，特别是一种基于主从式控制模式的环锭细纱机电锭的控制方法。
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2.2 背景技术
目前，市场上用的比较多的细纱机锭子主要有以下两种：一种为传统的机械式锭子，如图 2-1 所示，其驱动特征是成组驱动，即依靠一台主动力的电动机，通过一个长的传动轴上的锭带来驱动多个锭子。采用机械协调传动时，优点是连接牢固可靠、制造成本低、控制简单。缺点主要体现在：当一只锭子上的纱线出现断头时，采取强迫制动，完成接头，既带来了一定的不安全性，同时也带来了能耗新增等多个问题，否则就会造成原材料的浪费。此外，机械结构稍微复杂，传动范围受限，不利于场地的高效使用，同时，机械之间的长期摩擦会缩短机器的寿命，影响系统的精度。另一种为近年来出现的电机式锭子，如图 2-2 所示，由锭杆、锭杆座、电机定子和电机转子等组成，其驱动特征是单锭驱动，即每只锭子都有各自的单个电机驱动。电方式的多电机的协调控制使用更加灵活。其优点是避免了传统驱动方式的缺点，但是又带来了制造成本高，控制复杂的缺点。以目前市场上主流的1008 锭细纱机来讲，单锭驱动的细纱机价格比成组驱动的价格要高出 30%以上，对于本身处于微利的纺纱行业来讲，难以获得市场上的认可。在工业生产中，传动控制是机械加工控制系统的基础。一个机械系统通常有多个轴需要传动控制，对这些轴的控制就是控制驱动轴的电动机。在这种传动系统中，目前存在的同步控制技术包括并行控制、主从控制、交叉耦合控制、虚拟总轴控制和偏差耦合控制。并行控制。基于同一给定电压的并联运行方式，这是一种最简单的同步控制方法。调速系统采用同一给定电压。采用并联运行方式的同步控制系统优点在于启动、停止阶段系统的同步性能很好，但是由于整个系统相当于开环控制，当运行过程中某一台电机受到扰动时，电机之间将会产生同步偏差，同步性能变差。
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第 3 章 电锭驱动专用永磁无刷直流电机电磁设计......17
3.1 电锭结构特点及性能.......17
3.2 电锭驱动永磁无刷直流电机电磁场有限元计算基础....21
3.3 永磁无刷直流电机电磁转矩波动系数控制方法.....24
3.4 基于 ANSOFT 二次开发的 BLDCM 电机电磁 CAD 系统..........25
3.5 电锭驱动电机结构优化设计.........30
3.6 本章小结......34
第 4 章 电锭驱动永磁无刷直流电机同步工作特性研究.....35
4.1 引言.......35
4.2 电锭驱动用永磁无刷直流电机数学模型..........36
4.3 基于总线电压控制模式下永磁无刷直流电机驱动系统仿真模型.....38
4.4 永磁无刷直流电机同步工作特性数值仿真研究.....41
4.5 本章小结......45
第 5 章 主从式电锭控制系统并网控制技术....46
5.1 引言.......46
5.2 主从式电锭控制系统并网结构与控制策略......46
5.3 主从式电锭控制系统并网作特性研究数值模拟系统....48
5.4 本章小结......51

第 5 章 主从式电锭控制系统并网控制技术

5.1 引言

永磁无刷直流电机是一种永磁同步电动机，其工作方式常采用自同步方式。在主从式控制系统中，为控制系统的复杂度、降低成本，往往采用少量的不同容量变频器，电机中也只有少量电机工作于自同步运行模式，剩余的、数量更大的则属于它同步运行方式。由于永磁无刷直流电机，没有启动绕组，不具备自启动能力，因此对处于它同步运行方式中的大多数永磁无刷直流电机而言，启动驱动系统以及并网控制技术是必不可少的。同步电机并网的目标是电压数值大小及其波形、相位、频率、相序一致。采用的并网技术常见的有两种：一种是暗灯法；另一种是灯光旋转法。这两种方法都属于准确同步方法。除了准确同步方法外，，还有一种是自同步方法，这种方法的特点是操作简单、迅速，不需要增加复杂的并联装置，缺点是合闸后，有电流冲击。这两种方法的最终选择，还需结合并视电锭细纱机中的具体情况而定。对于永磁无刷直流电机，由于频率与速度具有一一对应的关系，因此其并网驱动的目标只需要频率、相位、相序一致。由于电锭在驱动时，自同步驱动电机采用的是负载最大的策略，加上电机本体也有牵入力矩，因此并网时，并不需要频率一定完全一致。此外，锭子的转向是单向的，因此导通相序也是自动一致的。因此对于基于永磁无刷直流电机的主从式电锭细纱机系统中，并网成功的前提是旋转速度非常接近，并网时相位误差小，将有助于降低合闸时所引起的电流冲击。具体在主从式电锭控制细纱机系统中，电锭在三种情况下，需要重新并网：1）启动；2 ) 断头后，重新启动；3）发现电锭负载与额定负载之差，大于极限值时，需要重新安排到新的变频器中。由于第二种方式等同于第一种方式，因此并网条件和目标都是一样的，采用的并网技术也可以相同。对于第三种方式，其并网的初始条件是速度已经达到同步，这与前二种方式略有所不同，并网过程时间短，但是并网时控制的要求，即速度和相位基本一致的前提依旧未变。因此在并网控制系统中的实现时，可采用同样的控制程序，有利于控制系统的简化。本章包括二个部分内容：一是并网结构与控制策略；二是并网工作特性研究数值模拟系统。

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总结

本文以基于电锭式环锭细纱机主从式控制系统为主题，对其相关的关键技术开展了研究，主要研究工作如下：（一）本文第 1 章从传统细纱机说起，阐述了环锭细纱机与其的差异性，并说出了目前环锭细纱机的研究现状和发展方向，就环锭细纱机的关键电锭技术的优势进行了阐述，比较了电锭专用电机，说明了选择 BLDCM 的意义。（二）本文第2章提出了一种基于电锭式环锭细纱机主从式控制的总体实现方案。机械式锭子与电机式锭子的比较，多种同步控制技术的分析，对系统功能要求的分析综合，并且对该方案进行了系统的阐述说明，研究了可实施性和可靠性。（三）本文第 3 章研究了电锭驱动专用永磁无刷直流电机的电磁设计。详细介绍了电锭的结构、性能指标以及影响电锭性能的主要因素；其次，介绍了永磁无刷直流电机电磁场有限元计算基础，为有限元仿真打下理论基础；然后，研究了永磁无刷直流电机电磁转矩波动系数的控制方法；再者，在研究永磁无刷直流电机电磁场仿真设计流程的基础上，开发了一套基于对电机电磁场仿真软件Ansoft Maxwell 二次开发的，适用于永磁无刷直流电机的电磁仿真设计 CAD 系统；通过优化设计，有效地改善了电机电磁转矩特性，使电机输出转矩非常平稳，有助于改善电锭驱动电机的运动稳定性。（四）本文第 4 章研究了电锭驱动永磁无刷直流电机的同步工作特性。重点包含负载与滞后导通角的关系以及负载与效率的关系。通过基于无刷直流电机的数学模型，建立了数字仿真同步运行模型，得出系列结果，实验结果表明同步性能良好。（五）本文第 5 章研究了主从式控制系统的并网理论和技术。就对基于永磁无刷直流电机的主从式控制系统所需的并网理论和技术，进行了并网结构研究，提出了基于永磁无刷直流电动机位置传感器的并网控制策略，并利用数值仿真技术，建立模拟系统，给出了工作特性的实验结果。结果验证了电锭驱动永磁无刷直流电机的优势和可行性。
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参考文献(略)

本文编号：63130