无刷直流电机制动在电锭式倍捻机中的应用

无刷直流电机制动在电锭式倍捻机中的应用2012/7/1216:02:00张英菊摘要：本文介绍了电锭式倍捻机根据产品特性对无刷直流电机快速制动的工艺要求，简单介绍了直流电机几种制动方式及特点，并阐述了无刷直流电机制动在电锭式倍捻机工艺要求和技术指标等方面的具体应用。关键字：电锭式倍捻机无刷直流电机电机制动工艺要求稳定性AbstractThearticledescribestheelectricspindleTwisterfastbrushlessDCmotorbasedonproductcharacteristicsbrakingprocessrequirements.BriefintroductionstoseveralbrakingmethodandcharacteristicsofbrushlessDCmotorbrakinginelectricspindleTwisterprocessrequirements,andtechnicalindicatorsapplication.KeyWordsElectricalspindleTwo-for-oneTwister,BrushlessDCmotor,motorbrake,technologyrequire,stability.1、纺织行业对电锭式倍捻机电机快速制动的要求传统倍捻机都采用龙带传动或锭带传动的方式驱动锭子，具有诸多弊端，比如耗电量大、噪声大、纱线质量低等，已经不符合节能环保型生产的时代潮流。电锭式短纤倍捻机颠覆了传统的龙带传动形式而以单锭驱动的模式替代，该型号倍捻机的机电一体化程度是目前国内同类产品最先进的，在高效节能降耗方面的优势更有着突出的表现，实现更高的加捻速度和生产效率，降低能耗和噪声，满足高质量的捻度和成型指标，引领了该行业的发展方向，同时也带动了我国相关行业的技术进步。倍捻机作为后纺最后一道工序，捻度的CV值最终决定了纱线的出厂质量和价值，工艺要求的不断增加使得很多纺织厂对电气控制的精准性和稳定性、成本，以及工艺的适用性也提出了更高的要求。当倍捻机出现断纱或锭子长时间速度偏低等故障现象以及纺织工人发现故障按下停机按钮时，为了减少损失和降低接头处捻度的不匀率，要求电机迅速制动，该电锭式倍捻机工艺要求在4S以内。2、直流电机快速制动的方式对比该型无刷直流电机将绕组（线圈元件）安装在定子上，9根引出线分别接到9组半桥电路的中点，转子位于任意位置时，都只开通某个半桥电路的上桥臂功率管和另一个半桥电路的下桥臂功率管，关闭剩余桥臂的功率管；当转子转过一定角度时，功率管的开通或关断作出相应的调整，从而实现了电子换向。一般无刷直流电动机有3种制动方式：反接制动、绕组短接制动和能量回馈制动。2.1反接制动与绕组短接制动和能量回馈制动相比，反接制动的效果最好，尤其是电机中低速运行时，可以达到迅速制动的目的。但是，在中高速时绕组电流过大，需要选择适当的过流检测和保护措施。图1反接制动时电流流向图电机CW方向运行时，在第一区域需要开通2号和号功率管以产生正转矩。如图1所示，如果此时只开通3号和号功率管，则a、b支路的电流迅速减小并反向流通，最终会产生制动转矩（图1中以产生制动转矩的电流方向为参考方向）。由式(2-1)可知，反接制动时，流过功率管的电流会迅速增大，直到过流保护动作，关断PWM。极端情况下，过流一直出现，等效于PWM占空比D=0，号功率管的反并联二极管续流，经a、b支路后，再流过号功率管，产生“环流”现象。此时的电动机工作在发电状态，由于中高速时电动势较大，环流出现后，电流可能会继续增大，甚至损坏功率管。为了保护功率管的正常工作，需要过流关断PWM的同时，关断号功率管，这时进入能量回馈制动状态，可以抑制电流继续增大。然而这种方案在换向过程中会失效，如图2所示，直流母线负端的采样电阻上流过的电流为(Ib-Ic)，而流过3号功率管的电流为(Ia+Ib)。所以，常用的直流母线负端串检测电阻的方案不能检测到换向过程中流过功率管的真实电流，进而对过电流采取适当的保护措施。理论上可行的一种方案是，9组半桥的下桥臂发射极各串入一检测电阻，但这种方案需要9个采样电路可行性较差。图2反接制动的换向过程2.2绕组短接制动图3绕组短接制动时电流流向图绕组短接制动时，上桥臂的9个功率管全关断，下桥臂的9个功率管全开通。假设某时刻电流流向如图3所示，i135，i5i7i9，i246，i6i8，忽略功率管上的压降，则等效于每个线圈元件都首尾相连，那么各线圈元件中的电流仅与自身的反电势和绕组电抗有关，当电机转速比较高时，线圈中的反电势较大，线圈电流也会比较大。电机转速不变时，线圈电流与反电势一样，都是正弦波波形。然而，流过功率管的电流则可能比线圈电流的峰值小很多，流过、号功率管的电流值仅为(i8+i1)和(i2+i9)，流过其他功率管的电流值都是相邻线圈电流值相减。绕组短接制动方案比较简单，流过功率管的电流也可以承受，因此该型直流无刷电机选用绕组短接制动方案。3、电机快速制动在电锭式倍捻机中的实现及效果3.1无刷直流电机制动的实现绕组短接制动时制动转矩过大，容易对电机轴承造成冲击，影响电机的使用寿命，我们希望制动过程是快速且匀减速过程，因此，在控制器采用一种PWM调制的速度闭环绕组短接制动。DSP芯片的PWM1口输出的启动/停止信号ST控制环形分配电路（EPLD芯片）的输出信号。ST=0（低电平），表示启动，EPLD芯片按环形分配表输出信号；ST=1（高电平），表示停止，EPLD芯片控制9个上桥臂全关断，9个下桥臂全开通。当DSP收到停机信号时，立即关闭PWM信号（占空比D=0，即关闭PWM0口）。设定一条电机速度与刹车时间的曲线，当电机实际转速比设定的速度高，增加PWM1口的占空比，增大制动转矩；当电机实际转速比设定的转速低，减小PWM1口的占空比，迅速抑制线圈上的电流，减小制动转矩。3.2无刷直流电机制动的使用效果电机在12000r/min情况下正常运转，3小时后停车，从12000r/min至完全停车测试平均时间为3.5S，达到工艺要求。其稳定性如下图制动时的电流波形、浪涌电压波形。图4制动时某线圈元件的电流波形图5制动时流过功率管的电流波形图4是制动时某线圈元件的电流波形，图5是制动时流过功率管的电流波形，每格4A。制动过程流过功率管的最大电流约为6A，而功率管的额定电流为16A，裕量足够，说明本型无刷直流电机采用的短接制动方案是可行的。4、结束语无刷直流电机快速制动的实现，达到了电锭式倍捻机的在断纱及停车时快速制动的工艺要求，在降低捻度不匀率方面起到重要的作用，同时新型无刷直流电机在倍捻机中的应用也体现了传统的纺织机械行业正在朝着机电一体化、智能化的方向大步前进。