交流力矩电动机式织物卷绕控制方法

陈德传;卢玲

【摘 要】Based on the control requirement of tension-velocity (T-V) coordination in fabric winding system, this paper raises a practical formula of mechanical characteristic for AC torque motor and a calculation equation of negative taper winding characteristics. On this basis, it analyzes the application scope and performance of AC torque motor's open-loop winding control, and a semi-closed loop adaptive control method which takes web radius as a variable, and a high-precision closed loop winding control method which is based on intelligent feed-forward and feedback. MatLab simulation results and comparative analysis have showed the advantages of the new control approaches. These methods satisfy the winding control requirements of different production processes and have found practical applications.The paper also introduces technical implementation of two T-V coordination control methods mentioned above.%根据织物在卷绕过程中对张力-速度协调控制的要求,在提出交流力矩电动机机械特性计算公式与负锥度卷绕特性计算公式的基础上,分析交流力矩电动机开环卷绕控制的适用范围及其性能,得出以卷径为变量的半闭环自校正控制方法和智能型前馈加反馈的高精度闭环卷绕控制方法.通过MatLab仿真与比较分析,验证了新型控制方法的优点.该新型控制方法能满足不同织物卷绕生产过程对卷绕控制的要求,并获得实际应用.同时还介绍了适合于上述2种新型控制方法的张力一速度协调控制器技术实现方案.

【期刊名称】《纺织学报》 【年(卷),期】2011(032)006 【总页数】5页(P146-150)

【关键词】交流力矩电动机;实用特性公式;织物;卷绕控制;张力-速度协调控制;自校正控制

【作 者】陈德传;卢玲

【作者单位】杭州电子科技大学智能控制与机器人研究所,浙江,杭州,310018;杭州优博信息科技有限公司,浙江,杭州,310012 【正文语种】中 文 【中图分类】TS103.7

在各类织物的生产过程中，常需将本工序的成品收卷成筒状或盘状以供下道工序使用，常用的卷绕控制系统多以直流电动机或磁粉离合器为卷绕执行元件［1-4］，在此基础上研究各种控制算法，如模糊张力控制算法［1］、鲁棒张力控制算法［5］、多电机协调控制算法［6-7］及无传感器控制［8］等;但直流电动机结构复杂且维护量大，磁粉离合器存在着滑差功耗大等问题。近年来，基于变频控制技术的交流电动机在纺机控制中得到广泛应用［9-10］，在卷绕设备中，因交流力矩电动机的机械特性与卷绕特性较吻合，且控制简单，造价低，运行可靠，在中档纺机卷绕生产设备中得到广泛应用，但目前交流力矩电动机的控制常用晶闸管相控调压的开环式方案［11-12］，在卷径变化范围大的场合难以实现高性能的卷绕控制。为此，本文在分析交流力矩电动机卷绕控制应用特点与实用机械特性的基础上，重点探讨基于张力半闭环及全闭环的2种新型卷绕张力 速度协调控制方法与技术

方案。

图1示出张力半闭环的新型卷绕控制系统结构(K1→a)。其中，卷绕电动机 M1为交流力矩电动机，工作于双向晶闸管相控调压方式，当选择开环卷绕方式时(K1→m)，调压指令uc来自手调电压信号uc0;牵出电动机M2为变频器(VF1)控制的异步电动机，PG为安装在M2轴上的光电编码器;MS为安装在M1轴上的霍尔转速传感器;V*、V分别为线速度给定值与实际值，m/min;F*、F分别为张力给定值与实际值，N;R为卷绕半径，m;n为卷绕轴的转速，r/min;T为卷绕轴的转矩，N·m;n1、T1分别为电动机M1轴的转速与转矩。整机线速度V由M2的调速系统决定，而M1、M2处于张力 线速度(T-V)的协调控制，因卷径变化范围大，为防止卷内织物的褶皱变形，需对卷绕张力实施负锥度控制，即卷绕张力应随卷径的增大而减小。本文首先分析并提出交流力矩电动机实用特性公式，然后介绍张力半闭环、闭环2种新型卷绕系统方案。 1.1 卷绕运行特性

先设图1系统运行在开环方式，则交流力矩电动机定子调压的机械特性簇［13］如图2中的1、2、j曲线所示，对应的定子电压为 U11＞U12＞U1j;而虚线曲线是由式(1)决定的卷绕机械特性，为恒功率特性［13］;a、a1、an及 b、b1、bn分别为卷绕机械特性与交流力矩电动机调压机械特性(1、2、j)的交点;卷绕线速度V与转速n、力矩T与张力F间的关系、及卷绕功率P分别如式(2)～(4)所示，P单位为W。此外，为防止料卷内部材料的褶皱变形，则在后续的张力半闭环及闭环控制中，卷绕张力应按负锥度规律变化，如式(5)。其中的n0为交流力矩电动机的同步转速，r/min;F*、F0分别为当前张力与初始张力设定值，N;S为转差率;Rmax为最大卷绕半径，m;λ为张力锥度系数。 1.2 交流力矩电动机的实用机械特性

对国产交流力矩电动机的产品数据做统计分析后，本文提出调压式交流力矩电动机

的实用机械特性算式如式(6)，其中的Tm、TsN为折算到卷绕轴上的电动机力矩与额定堵转力矩，N·m;U1、U1N分别为交流力矩电动机的定子电压及其额定值，V。

而最大功率点坐标(Pmax，Sp)一般为

精度要求不太高时，综上算式可得a= -0.252 5，b=0.808 1，c=0.444 4。而当精度要求高时，可从电动机产品数据上取2点代入式(6)、(7)求系数。 1.3 开环控制的性能分析

在卷绕工作区内:Tm＞T，在图2中的电动机特性与卷绕特性的2个交点处，令Tm=T，则有:

而工作区内电机与卷绕特性间的力矩差为 令

式中的Tu1是定子电压为U1时的堵转力矩，令ΔT= 0，得2个交点 Sa、Sb，允许的工作区为 Sa＜S＜Sb。求 Sm、ΔTmax，且Sa＜Sm＜Sb。 令ΔT'max(S)|Sm=0，可得 1.4 开环控制性能的示例分析

某卷绕系统的减速比为1.3∶1，交流力矩电动机的同步转速为1 500 r/min，额定堵转力矩为28 N·m，传动机构效率为0.9，张力为200 N;实用特性公式中的系数 a= -0.252 5，b=0.808 1，c= 0.444 4，当工作区为 n=(0.35～0.8)n0(即 S= 0.2～0.65)时，经计算得，在S=0.45时电动机折算到负载轴上的力矩与卷绕特性所需力矩的相对误差值最大，为29.4%。

当在S=0.1～0.8内工作时，应选堵转力矩为45.58 N·m(标称值为40 N·m)的交流力矩电动机，当S=0.55时，相对误差值最大，为94.4%。

综上分析，开环方式只适于卷径比(即卷径变化范围中的最大值与最小值之比)较小的场合，这也是交流力矩电动机常被推荐用于n=(1/3～2/3)n0卷绕工作区的原因。

而当卷径比较大时，则应根据实时卷径值调整交流力矩电动机的定子电压，或采用张力半闭环或闭环方案。

在图1中，令K1→a。由式(5)、(11)得半闭环卷绕控制算法如式(19)～(20)，式中的δ为光电编码器PG的脉冲当量;N为收卷轴每转1圈时PG输出的脉冲个数;V*为线速度设定值;F*为根据式(5)得到的锥度张力。基于卷径自适应的半闭环控制步骤为:1)读取F0，V*;2)通过PG检测V;3)通过PG与卷轴上的霍尔传感器信号计算N;4)计算R值;5)计算锥度张力F*和转差率S;6)计算应输出的定子电压U1值并进一步换算成双向晶闸管电路的移相控制电压。 式中:

基于上述半闭环卷绕控制算法的交流力矩电动机系统的静特性与卷绕特性间有很高的吻合度，易于实现高性能的T-V协调控制。如需进一步提高整机动、静态性能，则可用如下闭环卷绕方案。 3.1 直接闭环控制方案

闭环卷绕控制方案如图3所示。FS为张力传感器，此时的控制器为单纯的张力控制器，无需输入V*信号，张力调节规律常用 PI策略，张力设定值为式(5)中的初始张力F0，在系统运行中，由n、V信号与式(20)、(5)计算实时张力控制值。 卷径的大范围变化会引起系统前向通道的参数变化进而对系统产生扰动作用，导致控制性能因卷径而异，甚至影响稳定性。为解决此问题，可由式(20)获取的卷径值对张力控制器中的比例系数进行在线自校正，使图3中的控制器具有卷径自适应能力，以提高系统鲁棒性。 3.2 前馈+反馈的智能复合控制方案

当图3中的控制器采用图4方案时，即构成前馈+反馈的智能复合控制方案，前馈算法如式(19)，图中的ue、ut、ur分别为滤波后的张力偏差信号、IPI调节器的输出信号及经限幅环节的输出信号;uf、uc分别为前馈环节输出的信号与控制器总输

出控制作用信号;τ0为一阶滤波时间常数，s;IPI为增益kp对卷径自整定、且积分器具有软限幅功能的智能PI调节律，并使其输出限幅值Δ取较小值(宜小于总输出量的20%)，即IPI仅在稳态值附近起调节作用，使图3系统的T-V控制性能得以大幅提高，且调试容易。IPI的主要算法如式(21)～(24)，其中的rule1、rule2、rule3分别为“比例+惯性”、“比例+积分”、“输出软限幅”等算法。 式(21)～(24)中的Ts、Ti分别为采样周期与积分时间常数，s;kp、k*p分别为比例系数及其参考值; R、R*分别为卷绕半径及其参考值，m;ut01、ut02分别为rule1、rule2控制规则进行相互切换时的反馈调节器输出作用的初值。

中心卷取式复卷机的卷绕电动机采用交流力矩电动机(型号 YLJ132M-40/25-4P)，在初始张力为200 N，R为0.15 m时，MatLab仿真表明，智能复合控制方案与PID方案的张力超调量分别为5.2%、52.8%，过渡过程时间分别为0.521、1.996 s，所以，本文提出的智能复合控制方案具有显著优点。

交流力矩电动机T-V协调控制器的硬件实现方案如图5所示，其核心是内置A/D、D/A的高速混合信号处理器C8051F020，其中的线速V、转速n信号分别来自光电编码器PG与卷绕轴上用于测速的接近式霍尔传感器MS;左、右张力信号来自张力辊两端的张力传感器;控制器的输出信号uc作为交流力矩电动机相控调压器指令;初始张力值及线速度设定值均由按键输入;人机界面是以基于SPI总线的ZLG7289芯片、8个LED数码管、8个按键和几个状态指示灯为主;并具有“半闭环/闭环”的控制方式选择功能，在“半闭环”时无需张力信号输入;此外，具有与上级监控计算机的通讯功能。

本文提出的基于图5所示技术实现方案、以卷径为变量的半闭环控制与智能复合调节的高性能卷绕控制等方案，可适于不同档次的复卷机等纺机卷绕设备对卷绕控制的要求，具有性价比高、控制性能好、运行稳定、操作简便、可靠性高等特点，

在纺机卷绕设备中具有良好的应用前景。

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