劉洪瑋,郭吉豐,孫云云,任軍軍

(浙江大學(xué) 電氣工程學(xué)院,浙江 杭州 310027)

1 引言

隨著電子工業(yè)的發(fā)展,電磁線圈的需求量越來越大,線圈的使用已遍及了人類生活用品的方方面面,比如電機的定子繞組、工頻變壓器、開關(guān)電源的高頻變壓器等。同時,為了減輕工人的勞動,提高生產(chǎn)效率和產(chǎn)品質(zhì)量,繞線機逐步以智能化代替早期的手工作業(yè),這樣就為繞線機制造業(yè)帶來了新的發(fā)展機遇,本文主要是描述雙軸同步伺服系統(tǒng)針對于可繞電子變壓器、電磁鐵、電感、罩極電機、傳感器、空心杯線圈等平繞式線圈的繞線機中的應(yīng)用研究。

2 系統(tǒng)方案

現(xiàn)在市場所用的普通繞線機還是存在一些問題,如所繞層數(shù)較少,漆包線繞制不均勻,外形不美觀,以至于繞線圈數(shù)比較多后出現(xiàn)重疊,因而導(dǎo)致無法繼續(xù)排線,要么需要手工進行調(diào)整,要么生產(chǎn)出來的產(chǎn)品質(zhì)量不高。為解決上述普通繞線機所存在的問題,一方面,選擇伺服方案,由于永磁伺服電機具有轉(zhuǎn)動慣量小、響應(yīng)速度快、速度與扭力平穩(wěn)、效率高、功率密度大、電機體積小、消除電刷而降低噪聲和減少維護等其他電機難以比擬的優(yōu)點,尤其表現(xiàn)于速度與扭力平穩(wěn)性,可使繞線更加緊密、整齊,并且無需抱閘剎車的附加設(shè)備就可以實現(xiàn)快而準的停位。

為了簡化系統(tǒng)的軟硬件設(shè)計,縮短系統(tǒng)開發(fā)周期,提高系統(tǒng)的可靠性,本系統(tǒng)采用IR(美國國際整流器件)公司基于FPGA技術(shù)的伺服驅(qū)動控制方案——IRMCK201芯片,該芯片不僅包含運動控制外圍功能(如PWM、編碼計數(shù)電路等),而且包含了通過實現(xiàn)FOC算法的速度控制算法等,從而省略了編程任務(wù),簡化了高性能交流伺服系統(tǒng)設(shè)計。另一方面,為解決伺服主軸與排線步進的完全同步與協(xié)調(diào),本系統(tǒng)采用 DSP2407的PWM比較輸出的方波來控制步進電機運動,完全的硬件實現(xiàn)步進電機的協(xié)調(diào)排線運動控制,既可以使兩軸協(xié)調(diào)運動又不占用CPU的資源。

2.1 繞線機工作原理

平繞式繞線機結(jié)構(gòu)示意圖如圖1所示。繞線機整體組成分機械部分和電氣控制兩大部分,其系統(tǒng)機械運動主要是主軸卷繞運動和排線運動并且主軸卷繞運動與排線運動是完全獨立的兩運動。其中主軸卷繞運動,即線圈骨架隨主軸旋轉(zhuǎn)運動,使漆包線在骨架上繞制;排線運動,即漆包線沿骨架軸向連續(xù)運動或者點動運動,使漆包線能按要求均勻繞制在骨架上,其工作原理是當主軸卷繞的伺服電機旋轉(zhuǎn)一圈,步進電機旋轉(zhuǎn)運動帶動絲桿運動,從而使閥桿相應(yīng)的平移一個線徑單位,并且決定繞線質(zhì)量的關(guān)鍵是系統(tǒng)主軸運動與排線運動的協(xié)調(diào)。

圖1 繞線機結(jié)構(gòu)示意圖Fig.1 Coil winding machine sketch map

2.2 交流伺服電機矢量控制原理

通常,交流伺服電機大多是采用永磁同步電機PMSM,用矢量控制方法控制永磁同步電機的基本思想是在三相永磁同步電機上模擬直流電動機轉(zhuǎn)矩控制規(guī)律,將電流矢量分量分解成產(chǎn)生磁通的勵磁電流分量id與產(chǎn)生轉(zhuǎn)矩的轉(zhuǎn)矩電流分量iq,達到解耦的目的。

首先將定子電流i經(jīng)過Clark變換成靜止的α,β坐標系的電流分量,再經(jīng)過Park變換成旋轉(zhuǎn)坐標系下的電流分量。

定子磁鏈方程

電磁轉(zhuǎn)矩

式中:pn為電機極數(shù)。

當id=0時,把式(1)、式(2)代入式(3)得出:Tem∝iqΨr,這樣就可以像直流電機一樣控制永磁同步電機。

定子電壓方程

由式(4)、式(5)得出Ud,Uq,最后再通過坐標變換為靜止α-β坐標系下的電壓Uα,Uβ而實現(xiàn)解耦的矢量控制。

2.3 伺服主軸繞線系統(tǒng)

圖2為系統(tǒng)的硬件框圖,其中,IRMCK201具有母線電壓監(jiān)測的AD接口,以實現(xiàn)過壓、欠壓保護;IRMCK201具有一個作為直流總線過流保護的反饋接口,以實現(xiàn)過流保護,當母線上串聯(lián)的電阻采樣電流信號與設(shè)定值相比較并把過流信號GATEKILL提供給IRMCK201,可實現(xiàn)過流保護;當檢測到剎車信號時,剎車IGBT打開,對應(yīng)的直流總線電壓可讀寄存器中的BREAK鎖定,直到直流總線電壓降到剎車IGBT關(guān)斷水平以下。

圖2 系統(tǒng)框圖Fig.2 Sy stem diagram

IRMCK201提供了IR2175接口,采用線性電流傳感器IR2175對V,W 相電流進行采樣,經(jīng)過內(nèi)部運算可得U相電流,與V相、W 相三相電流通過Park變換和矢量旋轉(zhuǎn)變換分解為產(chǎn)生磁通的勵磁電流分量和產(chǎn)生轉(zhuǎn)矩的轉(zhuǎn)矩電流分量,這2個電流具有獨立的PI調(diào)節(jié)器,對于速度環(huán),光電編碼信號通過IRMCK201內(nèi)部測速單元得到速度反饋,它與給定的速度比較產(chǎn)生速度偏差,內(nèi)部也有個PI調(diào)節(jié)器,經(jīng)過該調(diào)節(jié)器產(chǎn)生一個相對應(yīng)的轉(zhuǎn)矩電流iq的給定參考值,通常針對永磁伺服電機,采用id=0,iq,id這2個電流值為內(nèi)部2個電流環(huán)的給定值,它們與實際反饋的電流值比較產(chǎn)生電流偏差,再通過內(nèi)部獨立的PI調(diào)節(jié)產(chǎn)生相應(yīng)的Us-q和Us-d(在旋轉(zhuǎn)坐標系d,q),最后電壓Us-q和Us-d被反變換成靜止坐標系下的電壓分量,經(jīng)過SVPWM計算后,給IPM模塊發(fā)出相應(yīng)的PWM信號,控制功率模塊工作。

2.4 控制系統(tǒng)

DSP2407主要是用來通過并口通訊配置IRMCK201相關(guān)寄存器。初始化IRMCK201必須配置的寄存器;由QEP1,2端子讀取編碼信號再換算出伺服位置與速度值;由QEP3,4端子讀取光柵尺信號再換算出排線機構(gòu)平移的位置與速度值;CPU運算處理后通過并口通訊來更新IRMCK201相關(guān)寄存器來實現(xiàn)速度、位置控制;鍵盤與顯示為所提供的人機界面,來設(shè)置繞線圈數(shù)、骨架寬、線寬、速度等參數(shù);EPPROM 用來存儲參數(shù)設(shè)置。

2.5 步進排線系統(tǒng)

根據(jù)排線機構(gòu)是從左至右,從右至左的來回運動的原理,其中運動方向就由DSP2407其中的一個IO口的高低電平給定步進驅(qū)動的DIR端來獨立的控制運動方向;對于如何控制排線機構(gòu)的來回運動速度使它能完好地配合主軸繞線運動,首先簡單介紹一下DSP比較輸出方波的原理,如圖3所示,令定時器周期為 T,比較匹配點為 T/2,設(shè)T2CMP高有效,當定時器計數(shù)過比較匹配點時,T2CMP端輸出的方波從低電平跳變到高電平,當?shù)较乱粋€定時器計數(shù)周期開始時,T2CMP端又從高電平跳變到低電平,這樣,每一個T周期,T2CMP端就比較輸出一個方波脈沖。從圖3中可以看出比較輸出方波頻率跟內(nèi)部時鐘的頻率成一個比例為T的關(guān)系,又如圖3后面一段PWM波形,當T變小時,T2CMP端比較輸出的方波周期也相應(yīng)地變小,即輸出脈沖頻率變大。

圖3 比較輸出方波原理Fig.3 T he principle of timer compare output square waves

在繞線機系統(tǒng)中,把伺服電機的編碼器輸出的正交脈沖給DSP2407的QEP1,2端口,通過配置DSP2407的相關(guān)寄存器使其把QEP1,2口讀到伺服編碼器的正交脈沖作為比較輸出T2CMP端的T2的時鐘。假設(shè)主軸繞線伺服電機旋轉(zhuǎn)1周,那么步進電機應(yīng)該使排線機構(gòu)相應(yīng)地平移一個線徑的單位,伺服編碼器線數(shù)4倍頻后的脈沖數(shù)記為k1,步進電機使排線機構(gòu)平移一個線徑的單位所需控制步進驅(qū)動的脈沖數(shù)為k2,其中令K=k1/k2。伺服電機旋轉(zhuǎn)繞線工作時,編碼器輸出脈沖作為DSP2407的T2的內(nèi)部時鐘,比較輸出方波給細分后的步進驅(qū)動來控制步進電機旋轉(zhuǎn)相應(yīng)的角位移,步進電機的角位移再通過絲桿轉(zhuǎn)換為排線機構(gòu)平行移動的距離,并且由前面比較輸出方波原理介紹中比較輸出跟內(nèi)部時鐘頻率成一個比例T的關(guān)系,所以為滿足兩軸協(xié)調(diào)工作,則T=K,因此可以將DSP2407比較輸出的內(nèi)部寄存器初始化為

配置QEP1,2的電路作為定時器 T2的時鐘,這樣在電氣上可實現(xiàn)完全同步。

排線機構(gòu)有時要獨立完成跳槽或排線機構(gòu)歸零的工作,所謂跳槽運動就是繞線機繞制完某槽后需自動跳到相鄰另一槽的位置。中間跳槽過程主軸卷繞運動停止,由步進電機單獨工作,這時T2的時鐘是以一定預(yù)定標系數(shù)分頻后的內(nèi)部CUP時鐘,同樣還是比較輸出T2CMP的方波信號給步進驅(qū)動器。通過改變預(yù)定標系數(shù)可以控制步進電機運動速度的快慢,這樣就通過絲桿帶動排線機構(gòu)獨立完成跳槽運動,當然,排線機構(gòu)歸零與跳槽也是同樣的工作原理。

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計

基于IRMCK201的繞線機系統(tǒng),軟件流程如圖4所示。DSP2407通過并口通訊來對 IRMCK201進行參數(shù)初始化配置,DSP中斷來對伺服位置控制,調(diào)節(jié)輸出新的給定速度來更新IRMCK201的相關(guān)寄存器,IRMCK201完成伺服電流環(huán)與速度環(huán)的控制。

圖4 軟件流程圖Fig.4 Software flow diagram

4 實驗結(jié)果

本系統(tǒng)采用型號為80ST-M01060米格伺服電機,其額定轉(zhuǎn)速6 000 r/min,額定功率0.6 kW,額定線電流2.3 A,額定力矩1 N?m。圖5為伺服電機工作在4 000 r/min時所測驅(qū)動器輸出給伺服電機的線電壓波形;圖6為伺服電機從0 r/min加速到6 000 r/min,再減速到0 r/min,即實現(xiàn)了電機旋轉(zhuǎn)600圈的快速啟動與快而準的停位;圖7為伺服電機工作在給定100 r/min的狀態(tài)下,通過DSP的QEP口測得的數(shù)據(jù)再換算成速度,每隔100 ms一個速度采樣點,把采集到的1000個點的速度值描繪成曲線,由此曲線可以看出,該伺服系統(tǒng)工作在低速狀態(tài)下速度平穩(wěn),脈動小;圖8為以伺服旋轉(zhuǎn)一定角度或圈數(shù)通過除以換算比例K來得到理論上協(xié)調(diào)時排線機構(gòu)應(yīng)該要平移的位置與實際從光柵尺所讀到實測位置的差值,可以看出軸向誤差大部分控制在0.01mm以內(nèi),有些誤差是來自于步進旋轉(zhuǎn)通過螺桿轉(zhuǎn)換和光柵尺安裝等其它機械結(jié)構(gòu)上的誤差。實驗證明,系統(tǒng)具有較高可靠性,性能具有一定的優(yōu)越性,繞出的線緊密且整齊。

圖5 伺服電機4 000 r/min時線電壓Fig.5 Line voltage when servo motor operated at 4 000 r/min

圖6 伺服電機旋轉(zhuǎn)的速度曲線Fig.6 The curve of speed when the servo motor operating

圖7 伺服電機工作在給定100 r/min時所測速度變化曲線Fig.7 T he curve of measured speed when the servo motor operated at 100 r/min

圖8 伺服與步進電機的協(xié)調(diào)誤差Fig.8 T he coordination inaccuracy between servo and stepper moto r

5 結(jié)論

本系統(tǒng)以IRMCK201作為電流環(huán)與速度環(huán),該方案減少了伺服系統(tǒng)的開發(fā)周期,提高了伺服系統(tǒng)的可靠性;DSP作為位置環(huán)與其它輔助功能控制,并且以伺服電機編碼器輸出脈沖作為比較輸出端的時鐘輸入,硬件上實現(xiàn)了步進(排線機構(gòu))與伺服電機完全協(xié)調(diào)工作,最終使繞線機繞線緊密、整齊。

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