織機主傳動控制系統的優化及應用

徐偉鋒 毛華先 林英華

（1.紹興職業技術學院，浙江紹興，312000；2.杭州中達電機有限公司，浙江杭州，310024）

織機作為紡織行業最主要的設備，迫切需要對其進行升級改造或更新換代，其中，無梭織機以其重量輕、振動小、噪聲低、車速快等特點已逐步替代有梭織機［1］。同時，將先進的智能化技術應用到織機開發和生產中，能夠有效提升織機的開發、生產效率，提高織機制造水平和產品的性能［2］。目前，國內外多數無梭織機主傳動系統仍通過主傳動電機與織機主軸之間的傳動鏈或皮帶，把電機的驅動力矩傳送給織機主軸，并通過控制離合器與制動器的結合或脫離來實現織機主傳動的啟動或制動，織機調速難度大，傳動機構能耗高、效率低、智能化程度低。而隨著國內無梭織機產業鏈的形成，織機技術水平和性能質量有所提升，但與國外相比，織機在智能化、高性能等方面還需改進和完善。

針對上述問題，為實現無梭織機智能化織造，提高織機可靠性和穩定性，降低織機傳動系統能耗，提升織機效率，對無梭織機主傳動控制系統的關鍵技術進行改進和優化，具有較高的應用價值。

1 織機主傳動控制系統的傳動機構

傳統無梭織機主傳動控制系統的傳動機構通常由三相交流異步電動機、皮帶傳動裝置、主軸傳動裝置和機械式位置傳感器以及電磁制動器等組成，其織機高速運行的精準性主要通過位置傳感器檢測反饋主軸轉動位置信息加以保證，系統負載變化大、抗干擾能力差、能耗高、效率低［3］。并且，由于該系統位置傳感器的安裝，加大了傳動機構的復雜程度，易受工作環境溫度和電磁噪聲影響，從而降低系統的可靠性，增加維修難度和成本。所以對傳統無梭織機主傳動控制系統中的傳動機構進行改進，采用織機主電機與織機直接聯動，去除中間傳動環節，提高織機的效率和可靠性，降低能耗和成本。

與三相異步電動機相比，永磁同步電機（Per?manent Magnet Synchronous Motor，PMSM）定子電流和阻抗損耗小，無轉子阻抗損耗，總損耗低，功率因數高，并具有體積小、結構簡單、效率高、調速性能好以及節能效果明顯等優點，適合用在負載波動大且變化很快的場合。為實現織機直接式傳動系統運行平穩和寬頻調速，保證織機迅速啟動，本研究采用自主開發的織機專用無位置傳感器大啟動力矩PMSM作為織機主傳動電機，并通過提取PMSM反饋電壓、電流等信息間接計算估計，獲取轉子速度和位置信息。該PMSM內部采用結構簡單且磁路性能較好的表貼式轉子磁路結構，定子繞組選用集中繞組。

2 織機主傳動控制系統的控制方法

目前，國內外對PMSM無位置傳感器控制技術已有深入研究。控制方法中主要有PMSM低速控制和中高速控制兩大類，其中，低速控制通過電機凸極特性獲取位置信息，主要有脈振高頻信號注入法、高頻方波信號注入法、旋轉高頻信號注入法等；而中高速控制利用電機反饋的電信號獲取位置信息，主要有模型參考自適應法、滑模觀測器法和擴展卡爾曼濾波器法等［4］。由于模型參考自 適 應（Model Reference Adaptive System，MRAS）控制方法具有較好的動態性能，實現簡單，效果良好，所以織機主傳動控制系統在中高速時采用MRAS控制。根據PMSM在兩相同步旋轉坐標系下的電流方程［5］見式（1）。

式中：ud、id、L d分別為d軸定子電壓、電流、電感分量；uq、iq、L q分別為q軸定子電壓、電流、電感分量；R為定子電阻；?em為轉子電角速度；φf為轉子磁極磁通。

結合式（1）進行變化運算，得到該系統基于MRAS的參考模型見式（2），可調模型見式（3）。

結合式（1）~式（3），根據Popov超穩定理論［6］，可求解推得自適應律，見式（4）。

式中：K i、K p分別為自適應律微分、比例調節系數，為傳遞函數。

由于MRAS在零速或低速運行中，檢測的反電動勢很小或檢測不到，導致反饋信息失效，無法獲得轉子速度和位置信息。而脈振高頻注入法在零速或低速運行中，能較好地檢測電機轉子速度和位置信息。所以，在零速或低速運行時，織機主傳動控制系統采用脈沖高頻電壓注入法，獲得轉子速度和位置信息，其注入高頻電壓方程見式（5）。

式中：uin、ωin分別為注入脈振高頻電壓信號的幅值和角頻率。

式中：L0=(L d+L q)/2為均值電感，L1=(L d-L q)/2為差值電感，Δθe為轉子角度偏差。

由式（6）可知，高頻電流分量可通過合適的帶通濾波器進行幅值調制，提取出高頻電流信號后，再通過低通濾波器，獲得估計轉子位置偏差，作為轉子位置跟蹤觀測器的輸入信號，進行轉子速度和位置的辨識，構建新的函數見式（7）。

為實現系統全速范圍無位置傳感器PMSM運行控制，確保系統的動態快速響應，將應用較好的脈振高頻信號注入法和模型參數自適應法的兩種控制方法有效融合，并通過權重算法平滑切換控制優化。在零速或低速時，高頻電壓注入法對應速度切換區間下限高于MRAS所對應有效運行的最低速度，而在中高速時，其對應的速度切換區間上限低于脈振高頻電壓信號注入法所對應有效自啟動的最高速度，建立織機主傳動自適應混合控制系統，其系統結構框圖如圖1所示。

圖1 織機主傳動PMSM無位置傳感器自適應混合控制結構框圖

3 試驗與測試

3.1 試驗仿真

利用MATLAB/Simulink仿真平臺，對織機主傳動PMSM無傳感器自適應混合控制系統進行仿真試驗。仿真采用的織機主傳動PMSM參數：電機參考額定轉速600 r/min，電機極對數pn=10，電機轉動慣量J=23×10-4kg·m2，定子電阻R=2.1Ω，定子電感d軸分量L d=7 mH，定子電感q軸分量L q=7.3 mH，轉子磁體磁通φf=0.18 Wb，阻尼系數B=0，其織機主傳動PMSM轉子速度和位置仿真結果如圖2和圖3所示。

圖2 PMSM轉子速度估計值與實際值對比曲線

圖3 PMSM轉子位置估計值與給定值對比曲線

從仿真結果可知，織機主傳動PMSM從零速開始運行時，系統響應速度快，轉子轉速和位置有微弱波動，但隨轉子轉速的上升，轉子轉速和位置偏差減小，在運行0.1 s后系統趨于平穩運行，能滿足實際織機控制性能的要求。

3.2 性能測試

為驗證本研究織機主傳動PMSM無位置傳感器控制系統的運行性能，在測試平臺上對該系統進行測試，PMSM額定功率3.7 kW、額定電流5.5 A、額定頻率100 Hz，額定轉速600 r/min，電機極對數10，額定輸出轉矩60 N·m，最大輸出轉矩180 N·m，如圖4所示。

圖4 織機主傳動系統測試平臺

同時，采用TMS320F28035DSP型控制器，通過PMSM矢量控制系統對無位置傳感器自適應混合控制方法進行驗證，織機主傳動PMSM啟動時電磁轉矩變化測試結果如圖5所示。可以看出，織機主傳動PMSM在克服負載啟動轉矩響應時間較短，在0.2 s后電磁轉矩變化趨于穩定，且波動較小。

圖5 織機主傳動PMSM電磁轉矩變化曲線

同時，按照實際現場運行情況，對織機主傳動PMSM進行溫升測試，如圖6所示。結果表明，PMSM長時間連續運行，達到平穩運行后溫升變化較小，能滿足實際工作要求。

圖6 織機主傳動PMSM溫升變化曲線

另外，在不同轉速和轉矩情況下，對織機主傳動控制系統的各參數進行測試，其結果見表1。從表1可知，當織機主傳動PMSM處在額定轉矩及以下時，系統效率能達到90%以上，且輸出電流也較小，系統能耗降低。

表1 試驗測試數據

4 結論

針對織機主傳動控制系統效率低、能耗高、可靠性穩定性差等問題，本研究應用效果主要體現在以下幾個方面。

（1）織機主傳動無位置傳感器PMSM轉子位置自適應混合控制系統，將高頻信號注入法和模型參數自適應法兩類控制方法有效融合及平滑切換，實現全速范圍內對轉子速度和位置的檢測，確保系統的可靠性能。

（2）該系統動態響應快，PMSM輸入轉矩大，電機轉速和位置偏差波動小，能在較短時間內使系統趨于穩定運行，具有有效性和實用性。

（3）該系統優化了織機的傳動結構，提高了設備的整體效率，節電效果顯著。