第 1 章 緒論

1.1 電錠細(xì)紗機(jī)技術(shù)的發(fā)展
早在 20 世紀(jì) 80 年代，國外紡機(jī)廠商便開始研制試驗(yàn)在細(xì)紗機(jī)上以微電機(jī)組合錠子驅(qū)動代替錠帶傳動，此后，國內(nèi)由經(jīng)緯集團(tuán)和上海二紡機(jī)等協(xié)作對電錠細(xì)紗機(jī)技術(shù)攻關(guān)，到 1990 年有報道稱能在 1991 年量產(chǎn)電錠細(xì)紗機(jī)。在以后相當(dāng)長的一段時期中，該技術(shù)似乎被慢慢淡忘，業(yè)界也很少或幾乎不再提及。究其原因，筆者認(rèn)為能用作精密驅(qū)動控制的電錠成本價格大大高于當(dāng)時的使用價值，也即這種多錠位單獨(dú)驅(qū)動控制系統(tǒng)屬于高端驅(qū)動控制應(yīng)用，在紡織生產(chǎn)這個低附加值加工領(lǐng)域，相對高的生產(chǎn)成本、低微的產(chǎn)品利潤難以承擔(dān)和消化高端技術(shù)應(yīng)用的大額固定資產(chǎn)投入所帶來的資本成本。因而在樣機(jī)面世示范至今的 20 多年中，一直沒有適宜的應(yīng)用方案被實(shí)施，也未見用于實(shí)際生產(chǎn)的報道，成為一個技術(shù)模型可行但商業(yè)運(yùn)作不可行的案例[13][14]。隨著科技的進(jìn)步，驅(qū)動、控制和信息技術(shù)不斷的進(jìn)步和成本下降，與此同時資源類和機(jī)械加工部件的價格不斷上漲，而行業(yè)的發(fā)展對技術(shù)進(jìn)步的需求不斷增強(qiáng)。這三大要素使電錠驅(qū)動技術(shù)向著可行的應(yīng)用漸行漸近。就是說，第一方面電子、電氣、電機(jī)和信息技術(shù)的應(yīng)用越來越普及和成熟，相對成本快速降低；第二方面與資源相關(guān)的能源、人力資源、金屬和其它工程材料等價格猛漲；第三方面紡織行業(yè)對與降本增效和強(qiáng)化管理相關(guān)的技術(shù)需求越來越迫切。這三個方面將會持續(xù)地按照已有的趨勢發(fā)展，因此三者的集合均使電錠技術(shù)向著可應(yīng)用的方向前進(jìn)。隨著電錠試驗(yàn)應(yīng)用的推進(jìn)，其被推廣應(yīng)用是遲早的進(jìn)程。
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1.2 電錠驅(qū)動專用電機(jī)
早期電錠驅(qū)動電機(jī)都采用三相異步電動機(jī)，其效率較低。近年來，永磁材料性能的改善，使得永磁電機(jī)得到了迅猛發(fā)展，價格大幅度降低。與三相異步電機(jī)相比，永磁電機(jī)具有損耗小、效率高、體積小、結(jié)構(gòu)簡單、功率因數(shù)高、質(zhì)量輕、成本低等優(yōu)點(diǎn)，因而廣泛應(yīng)用于各種場合工業(yè)場合并且具有很大的發(fā)展空間[17]。無刷直流電機(jī)（Brushless DC Motor，BLDCM）和永磁同步電機(jī)（Permanent MagnetSynchronous Motor，PMSM）是最常用的永磁電機(jī)。這兩種電機(jī)具有相似之處，然而兩者統(tǒng)一中也存在對立的一面，兩者在結(jié)構(gòu)、運(yùn)行性能、控制方法等方面具有一定的差異。BLDCM 和 PMSM 電機(jī)本體設(shè)計所用的材料沒有本質(zhì)差別，都是根據(jù)具體應(yīng)用場合而定。為減少齒槽轉(zhuǎn)矩脈動、電機(jī)噪聲與振動，BLDCM 和 PMSM 的定子槽口設(shè)計通常均采用定子斜槽、分?jǐn)?shù)槽、轉(zhuǎn)子斜極、輔助凹槽及齒槽寬配合法等[19]。但是，由于 BLDCM 和 PMSM 的反電動勢波形和定子電流波形不同，所以其電機(jī)本體結(jié)構(gòu)也存在差異。具體如下:（1）BLDCM 的永磁體設(shè)計成瓦片形狀，以產(chǎn)生梯形的磁通密度，從而產(chǎn)生梯形波的反電動勢；而 PMSM 的永磁體通常設(shè)計成拋物線形狀，以產(chǎn)生正弦的磁通密度，從而產(chǎn)生正弦的反電動勢[20]。（2）電機(jī)繞組的設(shè)計存在差異。BLDCM 定子繞組通常設(shè)計成集中、整矩繞組；PMSM 定子繞組通常設(shè)計成分布、短距繞組，分?jǐn)?shù)槽或正弦繞組[20]。當(dāng) BLDCM 和 PMSM 均采用傳統(tǒng)有位置傳感器控制時，兩者使用的位置傳感器也存在較大差異。BLDCM 只需準(zhǔn)確檢測電流換向點(diǎn)時刻即可保證其正常工作，故 BLDCM 使用的位置傳感器結(jié)構(gòu)比較簡單、分辨率也比較低，通常用的位置傳感器有光電式、電磁式、磁敏式等幾類。而 PMSM 需要正弦波電流，電流大小是由轉(zhuǎn)子瞬時位置決定，故要選用旋轉(zhuǎn)變壓器等高分辨率的位置傳感器需要對轉(zhuǎn)子位置進(jìn)行實(shí)時檢測，導(dǎo)致 PMSM 的生產(chǎn)成本要比 BLDCM 更高。
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第 2 章 電錠式環(huán)錠細(xì)紗機(jī)主從式控制系統(tǒng)總體實(shí)現(xiàn)方案

2.1 引言
隨著制造業(yè)的不斷發(fā)展，越來越多的機(jī)械設(shè)備，尤其是大型機(jī)械設(shè)備需要多臺電機(jī)共同驅(qū)動；為了提高設(shè)備質(zhì)量，對多臺電機(jī)的速度同步性能要求也越來越高。本章涉及電機(jī)控制領(lǐng)域中的細(xì)紗機(jī)電機(jī)式錠子控制方法，特別是一種基于主從式控制模式的環(huán)錠細(xì)紗機(jī)電錠的控制方法。
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2.2 背景技術(shù)
目前，市場上用的比較多的細(xì)紗機(jī)錠子主要有以下兩種：一種為傳統(tǒng)的機(jī)械式錠子，如圖 2-1 所示，其驅(qū)動特征是成組驅(qū)動，即依靠一臺主動力的電動機(jī)，通過一個長的傳動軸上的錠帶來驅(qū)動多個錠子。采用機(jī)械協(xié)調(diào)傳動時，優(yōu)點(diǎn)是連接牢固可靠、制造成本低、控制簡單。缺點(diǎn)主要體現(xiàn)在：當(dāng)一只錠子上的紗線出現(xiàn)斷頭時，采取強(qiáng)迫制動，完成接頭，既帶來了一定的不安全性，同時也帶來了能耗新增等多個問題，否則就會造成原材料的浪費(fèi)。此外，機(jī)械結(jié)構(gòu)稍微復(fù)雜，傳動范圍受限，不利于場地的高效使用，同時，機(jī)械之間的長期摩擦?xí)s短機(jī)器的壽命，影響系統(tǒng)的精度。另一種為近年來出現(xiàn)的電機(jī)式錠子，如圖 2-2 所示，由錠桿、錠桿座、電機(jī)定子和電機(jī)轉(zhuǎn)子等組成，其驅(qū)動特征是單錠驅(qū)動，即每只錠子都有各自的單個電機(jī)驅(qū)動。電方式的多電機(jī)的協(xié)調(diào)控制使用更加靈活。其優(yōu)點(diǎn)是避免了傳統(tǒng)驅(qū)動方式的缺點(diǎn)，但是又帶來了制造成本高，控制復(fù)雜的缺點(diǎn)。以目前市場上主流的1008 錠細(xì)紗機(jī)來講，單錠驅(qū)動的細(xì)紗機(jī)價格比成組驅(qū)動的價格要高出 30%以上，對于本身處于微利的紡紗行業(yè)來講，難以獲得市場上的認(rèn)可。在工業(yè)生產(chǎn)中，傳動控制是機(jī)械加工控制系統(tǒng)的基礎(chǔ)。一個機(jī)械系統(tǒng)通常有多個軸需要傳動控制，對這些軸的控制就是控制驅(qū)動軸的電動機(jī)。在這種傳動系統(tǒng)中，目前存在的同步控制技術(shù)包括并行控制、主從控制、交叉耦合控制、虛擬總軸控制和偏差耦合控制。并行控制�；谕唤o定電壓的并聯(lián)運(yùn)行方式，這是一種最簡單的同步控制方法。調(diào)速系統(tǒng)采用同一給定電壓。采用并聯(lián)運(yùn)行方式的同步控制系統(tǒng)優(yōu)點(diǎn)在于啟動、停止階段系統(tǒng)的同步性能很好，但是由于整個系統(tǒng)相當(dāng)于開環(huán)控制，當(dāng)運(yùn)行過程中某一臺電機(jī)受到擾動時，電機(jī)之間將會產(chǎn)生同步偏差，同步性能變差。
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第 3 章 電錠驅(qū)動專用永磁無刷直流電機(jī)電磁設(shè)計......17
3.1 電錠結(jié)構(gòu)特點(diǎn)及性能.......17
3.2 電錠驅(qū)動永磁無刷直流電機(jī)電磁場有限元計算基礎(chǔ)....21
3.3 永磁無刷直流電機(jī)電磁轉(zhuǎn)矩波動系數(shù)控制方法.....24
3.4 基于 ANSOFT 二次開發(fā)的 BLDCM 電機(jī)電磁 CAD 系統(tǒng)..........25
3.5 電錠驅(qū)動電機(jī)結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計.........30
3.6 本章小結(jié)......34
第 4 章 電錠驅(qū)動永磁無刷直流電機(jī)同步工作特性研究.....35
4.1 引言.......35
4.2 電錠驅(qū)動用永磁無刷直流電機(jī)數(shù)學(xué)模型..........36
4.3 基于總線電壓控制模式下永磁無刷直流電機(jī)驅(qū)動系統(tǒng)仿真模型.....38
4.4 永磁無刷直流電機(jī)同步工作特性數(shù)值仿真研究.....41
4.5 本章小結(jié)......45
第 5 章 主從式電錠控制系統(tǒng)并網(wǎng)控制技術(shù)....46
5.1 引言.......46
5.2 主從式電錠控制系統(tǒng)并網(wǎng)結(jié)構(gòu)與控制策略......46
5.3 主從式電錠控制系統(tǒng)并網(wǎng)作特性研究數(shù)值模擬系統(tǒng)....48
5.4 本章小結(jié)......51

第 5 章 主從式電錠控制系統(tǒng)并網(wǎng)控制技術(shù)

5.1 引言

永磁無刷直流電機(jī)是一種永磁同步電動機(jī)，其工作方式常采用自同步方式。在主從式控制系統(tǒng)中，為控制系統(tǒng)的復(fù)雜度、降低成本，往往采用少量的不同容量變頻器，電機(jī)中也只有少量電機(jī)工作于自同步運(yùn)行模式，剩余的、數(shù)量更大的則屬于它同步運(yùn)行方式。由于永磁無刷直流電機(jī)，沒有啟動繞組，不具備自啟動能力，因此對處于它同步運(yùn)行方式中的大多數(shù)永磁無刷直流電機(jī)而言，啟動驅(qū)動系統(tǒng)以及并網(wǎng)控制技術(shù)是必不可少的。同步電機(jī)并網(wǎng)的目標(biāo)是電壓數(shù)值大小及其波形、相位、頻率、相序一致。采用的并網(wǎng)技術(shù)常見的有兩種：一種是暗燈法；另一種是燈光旋轉(zhuǎn)法。這兩種方法都屬于準(zhǔn)確同步方法。除了準(zhǔn)確同步方法外，，還有一種是自同步方法，這種方法的特點(diǎn)是操作簡單、迅速，不需要增加復(fù)雜的并聯(lián)裝置，缺點(diǎn)是合閘后，有電流沖擊。這兩種方法的最終選擇，還需結(jié)合并視電錠細(xì)紗機(jī)中的具體情況而定。對于永磁無刷直流電機(jī)，由于頻率與速度具有一一對應(yīng)的關(guān)系，因此其并網(wǎng)驅(qū)動的目標(biāo)只需要頻率、相位、相序一致。由于電錠在驅(qū)動時，自同步驅(qū)動電機(jī)采用的是負(fù)載最大的策略，加上電機(jī)本體也有牽入力矩，因此并網(wǎng)時，并不需要頻率一定完全一致。此外，錠子的轉(zhuǎn)向是單向的，因此導(dǎo)通相序也是自動一致的。因此對于基于永磁無刷直流電機(jī)的主從式電錠細(xì)紗機(jī)系統(tǒng)中，并網(wǎng)成功的前提是旋轉(zhuǎn)速度非常接近，并網(wǎng)時相位誤差小，將有助于降低合閘時所引起的電流沖擊。具體在主從式電錠控制細(xì)紗機(jī)系統(tǒng)中，電錠在三種情況下，需要重新并網(wǎng)：1）啟動；2 ) 斷頭后，重新啟動；3）發(fā)現(xiàn)電錠負(fù)載與額定負(fù)載之差，大于極限值時，需要重新安排到新的變頻器中。由于第二種方式等同于第一種方式，因此并網(wǎng)條件和目標(biāo)都是一樣的，采用的并網(wǎng)技術(shù)也可以相同。對于第三種方式，其并網(wǎng)的初始條件是速度已經(jīng)達(dá)到同步，這與前二種方式略有所不同，并網(wǎng)過程時間短，但是并網(wǎng)時控制的要求，即速度和相位基本一致的前提依舊未變。因此在并網(wǎng)控制系統(tǒng)中的實(shí)現(xiàn)時，可采用同樣的控制程序，有利于控制系統(tǒng)的簡化。本章包括二個部分內(nèi)容：一是并網(wǎng)結(jié)構(gòu)與控制策略；二是并網(wǎng)工作特性研究數(shù)值模擬系統(tǒng)。

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總結(jié)

本文以基于電錠式環(huán)錠細(xì)紗機(jī)主從式控制系統(tǒng)為主題，對其相關(guān)的關(guān)鍵技術(shù)開展了研究，主要研究工作如下：（一）本文第 1 章從傳統(tǒng)細(xì)紗機(jī)說起，闡述了環(huán)錠細(xì)紗機(jī)與其的差異性，并說出了目前環(huán)錠細(xì)紗機(jī)的研究現(xiàn)狀和發(fā)展方向，就環(huán)錠細(xì)紗機(jī)的關(guān)鍵電錠技術(shù)的優(yōu)勢進(jìn)行了闡述，比較了電錠專用電機(jī)，說明了選擇 BLDCM 的意義。（二）本文第2章提出了一種基于電錠式環(huán)錠細(xì)紗機(jī)主從式控制的總體實(shí)現(xiàn)方案。機(jī)械式錠子與電機(jī)式錠子的比較，多種同步控制技術(shù)的分析，對系統(tǒng)功能要求的分析綜合，并且對該方案進(jìn)行了系統(tǒng)的闡述說明，研究了可實(shí)施性和可靠性。（三）本文第 3 章研究了電錠驅(qū)動專用永磁無刷直流電機(jī)的電磁設(shè)計。詳細(xì)介紹了電錠的結(jié)構(gòu)、性能指標(biāo)以及影響電錠性能的主要因素；其次，介紹了永磁無刷直流電機(jī)電磁場有限元計算基礎(chǔ)，為有限元仿真打下理論基礎(chǔ)；然后，研究了永磁無刷直流電機(jī)電磁轉(zhuǎn)矩波動系數(shù)的控制方法；再者，在研究永磁無刷直流電機(jī)電磁場仿真設(shè)計流程的基礎(chǔ)上，開發(fā)了一套基于對電機(jī)電磁場仿真軟件Ansoft Maxwell 二次開發(fā)的，適用于永磁無刷直流電機(jī)的電磁仿真設(shè)計 CAD 系統(tǒng)；通過優(yōu)化設(shè)計，有效地改善了電機(jī)電磁轉(zhuǎn)矩特性，使電機(jī)輸出轉(zhuǎn)矩非常平穩(wěn)，有助于改善電錠驅(qū)動電機(jī)的運(yùn)動穩(wěn)定性。（四）本文第 4 章研究了電錠驅(qū)動永磁無刷直流電機(jī)的同步工作特性。重點(diǎn)包含負(fù)載與滯后導(dǎo)通角的關(guān)系以及負(fù)載與效率的關(guān)系。通過基于無刷直流電機(jī)的數(shù)學(xué)模型，建立了數(shù)字仿真同步運(yùn)行模型，得出系列結(jié)果，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明同步性能良好。（五）本文第 5 章研究了主從式控制系統(tǒng)的并網(wǎng)理論和技術(shù)。就對基于永磁無刷直流電機(jī)的主從式控制系統(tǒng)所需的并網(wǎng)理論和技術(shù)，進(jìn)行了并網(wǎng)結(jié)構(gòu)研究，提出了基于永磁無刷直流電動機(jī)位置傳感器的并網(wǎng)控制策略，并利用數(shù)值仿真技術(shù)，建立模擬系統(tǒng)，給出了工作特性的實(shí)驗(yàn)結(jié)果。結(jié)果驗(yàn)證了電錠驅(qū)動永磁無刷直流電機(jī)的優(yōu)勢和可行性。
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參考文獻(xiàn)(略)

本文編號：63130