一种剑杆织机主轴用磁阻电机的控制系统及控制方法技术方案

本发明专利技术公开了一种剑杆织机主轴用磁阻电机的控制系统及控制方法。该控制系统应用嵌入式控制技术，首次以功能集成度较高的STM32单片机为核心设计了各功能模块的硬件电路作为织机主轴驱动控制核心，提高了集成度并降低了控制成本且降低了能耗，并且基于总线结构的硬件架构可以很方便的对系统功能进行扩展，灵活性更高且工作效率更高。本发明专利技术首次提出了基于电压斩波控制的单神经元与模糊控制多算法融合的单神经元模糊PID速度控制策略来改进PID参数，调整SRM速度，从而实现对织机主轴的驱动控制。算法具有更好的动态响应性能与动态特性，使得织机主轴驱动控制时的启动性能更强，工作效率更高，成本更低，能耗更小，更能满足实际工业生产需求。际工业生产需求。际工业生产需求。

【技术实现步骤摘要】
一种剑杆织机主轴用磁阻电机的控制系统及控制方法


[0001]本专利技术涉及剑杆织机控制系统与控制策略领域，具体是一种剑杆织机主轴用磁阻电机的控制系统及控制方法。

技术介绍

[0002]随着我国纺织工业水平的提高和产品出口的增长，织机作为纺织设备中最为重要的织造设备，在纺织行业中有着大量需求。从国外剑杆织机技术发展来看，在机电一体化、速度、选择等技术上，都发生了巨大变化，而国产织机设备与国外相比还有很大差距，尤其是在剑杆织机集成化控制系统方面。因此，改善、发展和提高国内剑杆织机控制系统的性能具有极大价值和重大意义。
[0003]目前，国内剑杆织机在速度上已达到较高水平，剑杆织机的后续发展不再是一味地追求速度，而是应当结合智能制造及节能减排等需求，追求更高的集成化、网络化程度，打破技术壁垒，实现主轴直驱技术的普及。控制系统是织机的心脏，这些需求的实现在很大程度上取决于控制系统。剑杆织机的主电机是驱动织机主轴的动力来源，针对织机控制系统来说，现有的织机主轴驱动控制技术有的采用三相异步电机皮带轮调速，它通过更换电机与主轴之间用于传动的皮带轮来实现转速的调节，还有一些采用三相异步电机结合变频器调速。对于这两种技术而言，成本略高、启动性能不强、效率低而且能耗大。
[0004]目前欧洲的主要剑杆织机生产厂商大都已采用永磁同步电机或SRM调速系统，搭配直接转动结构，在简化了机械结构的同时，相较于变频调速系统也更加节能高效。与永磁同步电机相比，SRM结构简单，成本更低，最大允许温升较高，不会出现永磁同步电机的因长时间过热导致的退磁现象。在性能上，SRM的起动转矩可达到额定转矩的2倍，但是启动时有效电流却只有额定电流的1/3，可频繁启停与换向，在较广的转速和功率范围有高效率。综合以上特点，SRM非常适合用于织机的直接传动，因此成为了各大织机厂商青睐的对象，是目前织机主轴驱动技术的主要发展方向。这种设计会使得在织机主轴驱动控制时的工作效率更高，启动性能更强，成本更低，能耗更小，更能满足实际工业生产需求。
[0005]目前，国内织机在机械结构与控制系统上的差距具体表现在：
[0006]1.以PLC为控制核心，结合变频器、伺服驱动器等通用电气设备的控制结构，集成度低且成本高。通用电气设备可靠性和稳定性高、抗干扰能力强，开发周期短，研发过程类似于搭积木，易造成功能的冗余与浪费，且高端PLC市场基本由国外厂家垄断，成本较高。文献《叶太强,何勇,沈小其,等.基于STM32F4嵌入式的剑杆织机控制系统设计[J].自动化与仪表,2019,34(03):9
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13.》提出以两个STM32F4单片机为核心的控制系统，将系统分为五个子模块，但未考虑主轴直驱与系统网络化升级，且仍使用变频器等通用电气设备，集成度低，造成功能的冗余与浪费且本较高。
[0007]2.主轴直接驱动技术并未普及。异步电机的局限性导致大部分国产织机仍采用皮带轮结合离合器的间接传动结构，结构复杂，增加了织机日常维护负担，启动性能弱，工作效率较低且能耗较高。文献《王英辉.高速剑杆织机自动控制系统设计[J].纺织报告,2020,
39(06):17
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19.》提出的以16位单片机P51XA
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S3为核心的剑杆织机控制系统，最高能够支持600转/分的主轴转速，但同样存在结构复杂，工作效率低与能耗较高等问题。
[0008]3.织机智能化与信息化程度不高，可扩展性较差。由于硬件结构与接口的限制，现有的织机控制系统若要进行改造，很可能需要将整个控制系统更换掉，增加了系统升级的难度与成本。文献《王书,吴小艳.基于TwinCAT&amp；EtherCAT的剑杆织机监控系统研究[J].纺织科技进展,2019(08):17
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19.》提出的剑杆织机控制系统，以TwinCAT平台为基础设计控制及监控系统，通过EtherCAT协调下位机控制织机运转，但系统需以PC为软件运行平台，局限性较大。

技术实现思路

[0009]针对现有技术的不足，本专利技术拟解决的技术问题是，提供一种剑杆织机主轴用磁阻电机的控制系统及控制方法。
[0010]本专利技术解决所述控制系统技术问题的技术方案是，提供一种剑杆织机主轴用磁阻电机的控制系统，其特征在于，该控制系统包括主控模块、电送电卷控制模块、主轴驱动模块、选纬绞边控制模块和张力/温度检测模块；
[0011]主控模块包括MCU最小系统(101)、通讯电路(102)、开关量输入/输出电路(103)和模拟量输入/输出电路(104)；
[0012]电送电卷控制模块包括隔离驱动电路(201)、速度检测电路(202)、母线电压检测电路、相电流检测电路、三相逆变电路(203)和整流滤波电路；
[0013]主轴驱动模块包括电机驱动电路(301)、转子位置检测电路(302)、母线电压检测电路、相电流检测电路、功率变换电路(303)和整流滤波电路；
[0014]张力/温度检测模块包括A/D转换电路(501)、温度检测电路(502)和滤波电路(503)；
[0015]剑杆织机上设置有张力传感器，用于检测经纱张力；滤波电路(503)的输入端与张力传感器通讯连接，输出端与A/D转换电路(501)通讯连接；A/D转换电路(501)通过开关量输入/输出电路(103)与MCU最小系统(101)通讯连接；织机主轴运行过程中，经纱张力需处于正常范围内；当经纱张力超出正常范围时，MCU最小系统(101)发出指令让织机主轴停止运行，并通过电送电卷控制模块调控经纱张力，使之处于正常范围内；
[0016]整流滤波电路通过母线电压检测电路与MCU最小系统(101)通讯连接，将检测的电动电卷电机的母线电压信息反馈给MCU最小系统(101)进行处理，当母线电压超出正常范围时MCU最小系统(101)随即发出指令使得电送电卷电机停止工作；外界交流电通过整流滤波电路与三相逆变电路(203)通讯连接，将交流电整流滤波为直流电后，输送至三相逆变电路(203)中；三相逆变电路(203)与相电流检测电路通讯连接，三相逆变电路(203)将整流滤波后的直流电转换为UVW三相交流电来给剑杆织机的电送电卷电机供电；相电流检测电路与电送电卷电机连接，用于检测电送电卷电机的相电流大小；电送电卷电机的编码器通过速度检测电路(202)与MCU最小系统(101)通讯连接，速度检测电路(202)采集电送电卷电机的转速信息并传输给MCU最小系统(101)进行处理，MCU最小系统(101)通过转速信息的处理结果来调整其输出的PWM的频率或占空比；MCU最小系统(101)通过隔离驱动电路(201)与三相逆变电路(203)通讯连接，MCU最小系统(101)输出三路互补带死区的调整频率后的PWM信
号，经隔离驱动电路(201)隔离后，传输至三相逆变电路(203)中，控制三相逆变电路(203)输出相应频率的UVW三相交流电来控制电送电卷电机转速，进而调控经纱张力，为主轴电机的运行提供合适的张力环境；本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种剑杆织机主轴用磁阻电机的控制系统，其特征在于，该控制系统包括主控模块、电送电卷控制模块、主轴驱动模块、选纬绞边控制模块和张力/温度检测模块；主控模块包括MCU最小系统(101)、通讯电路(102)、开关量输入/输出电路(103)和模拟量输入/输出电路(104)；电送电卷控制模块包括隔离驱动电路(201)、速度检测电路(202)、母线电压检测电路、相电流检测电路、三相逆变电路(203)和整流滤波电路；主轴驱动模块包括电机驱动电路(301)、转子位置检测电路(302)、母线电压检测电路、相电流检测电路、功率变换电路(303)和整流滤波电路；张力/温度检测模块包括A/D转换电路(501)、温度检测电路(502)和滤波电路(503)；剑杆织机上设置有张力传感器，用于检测经纱张力；滤波电路(503)的输入端与张力传感器通讯连接，输出端与A/D转换电路(501)通讯连接；A/D转换电路(501)通过开关量输入/输出电路(103)与MCU最小系统(101)通讯连接；织机主轴运行过程中，经纱张力需处于正常范围内；当经纱张力超出正常范围时，MCU最小系统(101)发出指令让织机主轴停止运行，并通过电送电卷控制模块调控经纱张力，使之处于正常范围内；整流滤波电路通过母线电压检测电路与MCU最小系统(101)通讯连接，将检测的电动电卷电机的母线电压信息反馈给MCU最小系统(101)进行处理，当母线电压超出正常范围时MCU最小系统(101)随即发出指令使得电送电卷电机停止工作；外界交流电通过整流滤波电路与三相逆变电路(203)通讯连接，将交流电整流滤波为直流电后，输送至三相逆变电路(203)中；三相逆变电路(203)与相电流检测电路通讯连接，三相逆变电路(203)将整流滤波后的直流电转换为UVW三相交流电来给剑杆织机的电送电卷电机供电；相电流检测电路与电送电卷电机连接，用于检测电送电卷电机的相电流大小；电送电卷电机的编码器通过速度检测电路(202)与MCU最小系统(101)通讯连接，速度检测电路(202)采集电送电卷电机的转速信息并传输给MCU最小系统(101)进行处理，MCU最小系统(101)通过转速信息的处理结果来调整其输出的PWM的频率或占空比；MCU最小系统(101)通过隔离驱动电路(201)与三相逆变电路(203)通讯连接，MCU最小系统(101)输出三路互补带死区的调整频率后的PWM信号，经隔离驱动电路(201)隔离后，传输至三相逆变电路(203)中，控制三相逆变电路(203)输出相应频率的UVW三相交流电来控制电送电卷电机转速，进而调控经纱张力，为主轴电机的运行提供合适的张力环境；剑杆织机上设置有温度传感器，用于检测环境温度；温度检测电路(502)的输入端与温度传感器通讯连接，输出端通过模拟量输入/输出电路(104)与MCU最小系统(101)连接；织机主轴运行过程中，环境温度需处于正常范围内；当环境温度超出正常范围时，MCU最小系统(101)发出指令让织机主轴停止运行；通讯电路(102)与MCU最小系统(101)双向通讯连接；选纬绞边控制模块通过通讯电路(102)与MCU最小系统(101)通讯连接，选纬绞边控制模块检测剑杆织机的选纬器与绞边器的驱动电机的转速信息并通过通讯电路(102)传输给MCU最小系统(101)，MCU最小系统(101)对转速信息进行运算；当驱动电机转速超出预先设定的转速范围时，MCU最小系统(101)发出命令，通过通讯电路(102)传输给选纬绞边控制模块，调整驱动电机的转速从而配合织机主轴的运动；当转速处于预先设定的转速范围时，MCU最小系统(101)发出命令，通过通讯电路(102)传输给选纬绞边控制模块，允许选纬器与绞边器工作；当织机主轴旋转到
对应角度时，MCU最小系统(101)再次发出命令，通过通讯电路(102)传输给选纬绞边控制模块，控制织机执行选纬与绞边动作；整流滤波电路通过母线电压检测电路与MCU最小系统(101)通讯连接，将检测的主轴电机的母线电压信息反馈给MCU最小系统(101)进行处理，当母线电压超出正常范围时MCU最小系统(101)随即发出指令使得主轴电机停止工作；外界交流电通过整流滤波电路与功率变换电路(303)通讯连接，将交流电整流滤波为直流电后，输送至功率变换电路(303)中；功率变换电路(303)与相电流检测电路通讯连接，功率变换电路(303)将整流滤波后的直流电转换为UVW三相交流电来给主轴电机供电，同时起到增加磁阻电机起动转矩电流、减小转矩脉动的作用；相电流检测电路与主轴电机连接，用于检测主轴电机的相电流大小；主轴电机上设置的位置传感器通过转子位置检测电路(302)与MCU最小系统(101)通讯连接，转子位置检测电路(302)采集主轴电机的转子位置信息并传输给MCU最小系统(101)进行处理，MCU最小系统(101)通过转子位置信息的处理结果来调整其输出的PWM的频率或占空比；MCU最小系统(101)通过电机驱动电路(301)与功率变换电路(303)通讯连接，MCU最小系统(101)输出三路互补带死区的调整频率后的PWM信号，经电机驱动电路(301)隔离后，传输至功率变换电路(303)中，控制功率变换电路(303)输出相应频率的UVW三相交流电来控制主轴电机转速，进而实现对织机主轴的驱动。2.根据权利要求1所述的剑杆织机主轴用磁阻电机的控制系统，其特征在于，剑杆织机上的按钮和指示灯通过开关量输入/输出电路(103)与MCU最小系统(101)通讯连接，MCU最小系统(101)通过开关量输入/输出电路(103)将控制信号作用于指示灯，按钮将信号通过开关量输入/输出电路(103)传输给MCU最小系统(101)。3.根据权利要求1所述的剑杆织机主轴用磁阻电机的控制系统，其特征在于，主控模块还包括内存扩展电路105和辅助电源电路106；内存扩展电路105与MCU最小系统(101)双向通讯连接，内存扩展电路105可以实现系统掉电后对数据的保存并将保存的数据实时传输给MCU最小系统(101)；辅助电源电路106为MCU最小系统(101)供电。4.根据权利要求1所述的剑杆织机主轴用磁阻电机的控制系统，其特征在于，母线电压检测电路的电路构成是：霍尔电压传感器LV25
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P的HT+引脚依次串联电阻R4和电阻R2后接a端，HT
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引脚接b端，4引脚和5引脚分别接15V电源的正极和负极；LV25
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P的M引脚分别接电阻R6的1引脚和采样电阻R7的1引脚，R7的2引脚分别接GND和电容C3的一端，R6的2引脚接电容C3的另一端并输出与母线电压大小对应的电压信号U1，U1经电容C3滤波后送入MCU最小系统(101)中进行处理；a端和b端用于连接整流滤波电路和母线电压检测电路。5.根据权利要求1所述的剑杆织机主轴用磁阻电机的控制系统，其特征在...

【专利技术属性】
技术研发人员：肖艳军，史林涵，韩芙蓉，刘萍，
申请(专利权)人：江苏科瑞德智控自动化科技有限公司，
类型：发明
国别省市：