三相异步电机在针织横机牵拉控制上的应用

三相异步电机在针织横机牵拉控制上的应用

程俊翰1，陈红狄2

1.宁波慈星股份有限公司 浙江 宁波 315327

2.深圳固高科技有限公司 广东 深圳 518052

摘要：全电脑针织横机在编织过程中，牵拉设备和卷取机械结构的性能对植物成品的质量有很大的影响。特别是如今流行的全成型电脑横机，在成衣编织的过程中，因为不同编织组织对牵拉力大小要求不一样，需要牵拉设备根据上位机的编织信息在机器实际编织时实时的进行调整，以产出符合设计要求的编织成品。结合智能控制技术、嵌入式技术和现代传感器技术，开发了三相异步电机的智能控制，实现了电机输出力矩大小和电机转速的稳定调节。详细阐述了该方案的硬件设计和软件开发，经过实物测试，该方案牵拉效果很好，可满足电脑横机全成型织物的编织需求。

关键词：针织横机  三相异步电机  牵拉控制

在全成型电脑横机编织的过程中，织物牵拉部分是整个编织过程中的重要环节，会直接影响到织物成品的密度均匀性和特殊编织组织结构的质量效果。因为电脑横机加工的目标是纱线，纱线纤维在拉伸曲线上虎克区和屈服区的转变点称为屈服点，当纤维或纱线超过屈服点后，将产生较高比例的塑性变形，通俗的说根据实际生产经验，在针织横机的编织过程中，如果对编织织物的牵拉张力过小会让织物折叠变皱【1】，张力过大会让织物拉伸变形，损坏织物。目前普通电脑横机在牵拉控制上有使用单相力矩电机和减速步进电机的方案。单相力矩电机可以实现对织物按一定扭力往下牵拉，但是该电机输出力矩会随着外部电网电压电压波动而产生波动变化，而且力矩的控制精度不高。减速步进电机可以实现定线速度的牵拉效果，就是根据电脑横机编织情况，按一定速度往下牵拉，但是电脑横机在编织过程中会遇到各种特殊情况，会导致机器停机，编织时减速等等，定速牵拉的模式就存在速度跟随的滞后问题，反映在编织物上就是织物编织密度不均。针对这些控制方案的不足，本文提出了用三相异步电机来实现电脑横机牵拉张力和线速度同时高精度高响应控制的应用方案【2】。

1、电脑横机牵拉设备控制原理

毛衣在电脑横机实际编织过程中，是从下往上编织的，一开始编织大身和袖子部分，逐渐往上编织后袖子部分会和大身部分合并，再后面编织肩膀和领子部分，最终完成整件衣服的编织工作。电脑横机的牵拉部分就需要根据当前编织行的组织花样情况实时调节牵拉力大小和转速。电脑横机上位机在读取编织花样文件时会产生相对应的机械参数表格用于对应每一个编织行。在制版软件里面会根据设定花样的情况给出预估的牵拉数值，当机器读取花样文件后，调试人员会运行机器进行打样，根据实际打样的情况对各部位的参数进行调整【3】。

2、集成式三相异步电机硬件设计

2.1总体硬件设计方案

根据全成型电脑横机牵拉设备的控制要求，本次方案三相异步电机设计成驱控一体的结构，即在电机尾部集成了电机驱动电路和传感器反馈电路。电机的前端用了一个减速比1:25的减速机，电机的额度转速是1200RPM，这样的设计能满足电脑横机在牵拉过程中的力矩的要求比较大，转动行程比较小的需求。另外在电机上增加了电磁刹车控制，用于确保机器突然掉电时牵拉设备不会被织物反拉移位的异常。为了确保控制三相异步电机的电源部分稳定可靠，电源模块先将220V的交流电通过整流滤波转变成直流310V电，然后应用双ARM32位Cortex-M4 CPU内核的SPC2168，通过编程实现SVPWM调制，将直流电源逆变成三相正弦波，从而实现对三相异步电机的精确运行控制。在电机尾部的轴上有嵌入磁钢，用磁传感器来反馈电机转动角度位置，一圈16384个数，该精度可以满足电脑横机牵拉控制的使用需求。控制板上还集成了CAN通讯模块，通过CAN通讯跟电脑横机上位机实时通讯，实现快速响应。

2.2异步电机双闭环矢量控制

SVPWM是最近一种比较新颖的控制方法，是由三相功率逆变器的六个功率开关元件组成的特定开关模式产生的脉宽调制波，能够使得输出电流波形尽可能趋于理性的正弦波，SVPWM是从三相输出电压的整体效果出发，着眼于如何使得电机获得理想圆形磁链轨迹。通过采样三相电流，进行CLARK变换，使三相电流变两相电流，进行PARK变换，由静止电流变为旋转电流，交流电机定子电流矢量分解成两个直流分量(即磁通分量和转矩分量),从而实现对异步电机的转矩控制和磁链控制的完全解耦。此控制系统由转速控制外环和电流控制内环组成，转速控制环由用户给定的转速指令值;与来自于电机轴上的光电编码器的转速反馈信号,进行比较，将其偏差通过速度PI调节器调整，并输出转矩分量电流作为内环转矩调节器的指令值，再与电流传感器检测到的三相定子电流，经过Clarke和Park变换信号，经过转矩PI调节器，得到旋转坐标系下的定子转矩电压分量。电流控制内环中由励磁分量指令值,与检测到的定子电流经过Clarke和Park 变换信号比较，经过PI调节器，得到旋转坐标系下的定子励磁电压分量

，进行Park逆变换，变换到定子静止两相坐标系统，获得与逆变器的电压空间矢量具有相同坐标系统的两个电压分量，最后利用空间矢量脉宽调制技术(SVPWM)产生逆变器开关导通状态的PWM波形。

2.3异步电机转子磁链定向控制控制方案

采用带基于电流模型反馈信号的转子磁链定向控制。

异步电机中的磁链估计和位置估算。

依据公式：，其中，，而。

当已知Lm=Lr-L1r=0.142, Rr=170, Rs=220, L1s=Ls-Lm=0.488, 则Tr=Lr/Rr=0.00154。

，，

=>theta,

np=2, wr=wm从电机侧引出

3、集成式三相异步电机软件设计

其中电流采样时机选择在下桥开通中点触发，Pwm控制频率设定在16K，下桥触发adc，电流环16K，速度环8K。采样保持器A B C，A相电流：采样保持器A中能接ADC3 对应A相位；C相电流：采样保持其B中ADC5对应C相位；B相位电流=1-A相电流-C相电流。

上位机定时读取电机各种状态，根据实际需求发送控制指令。当接受到上位机发送的速度和电流命令后，电机根据异步电机双闭环异步矢量来进行控制，按事先设定好的频率刷新电机使能状态，运行状态，报错状态和位置状态，供上位机读取信息。

4、实验测试

将三相异步电机安装在慈星全成型10.2G机器上，用拉力计测试拉力数值，对电机设定不同的电流参数值，来观察拉力计上拉力数值变化，并记录。

将记录的电流和对应拉力数值用MATLAB曲线拟合工具箱合成力矩控制曲线，并得到设定电流值x跟输出力矩f(x)的线性模型：

系数（置信区间为95%）

a=0.1193(-1.379,1.618)

b=0.0001377(0.0001362,0.0001392)

c=-3.719(-5.692,-1.747)

结束语：

本文针对全成型电脑横机在编织全成型织物时，使用单相力矩电机和减速步进电机进行牵拉的方案有一定的局限性。开发了一款用集成三相异步电机，通过对异步电机的双闭环矢量控制，实现对电脑横机牵拉力矩和速度的稳定有效的控制。又通过仿真和实验测试，验证了本电机控制系统设计方案的可行性和实用性，具有良好的产品应用前景。当前存在的问题，在实验过程中发现电机长时间工作后，电机温度会逐渐上升，电机温度变化会影响电机输出力矩的大小，对此后续该电机产品将进一步加入对温度参数的反馈调节。

参考文献：

[1]彭来湖，吴英刚，王罗俊, 等. 针织圆纬机牵拉张力闭环控制技术[J].纺织学报，2018，39（10）: 125 － 130. 

[2]王友钊，周香琴，黄静，等. 织机牵拉机构的力学分析及其张力控制系统［J］.纺织学报，2013，34（11）: 142 － 146．

[3]张帅，袁敏，孔令波，等. 高效三相异步电动机性能测试与数据分析[J].微特电机，2015，43（3）：22-26.