CN105958882A - 一种用于电子导纱的步进电机双闭环控制系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种用于电子导纱的步进电机双闭环控制系统，包括控制环路、驱动器和电机，所述控制环路包括转矩控制组件和时序控制组件，所述转矩控制组件和时序控制组件均与驱动器相连接，所述驱动器与电机相连；所述电机还分别连接有位置传感器和驱动电流过零比较器，所述位置传感器与时序控制组件相连，所述驱动电流过零比较器与转矩控制组件相连。采用本发明的一种用于电子导纱的步进电机双闭环控制系统，可以满足电子导纱工艺中要求的高速启停和反转效果，在高速运动中稳定工作，不失步，不超调，实现高精密的分布式卷绕；步进电机便于实现高速的启停和换向运动；可以提高电子导纱的工艺水平，提高系统的工作稳定性，提高经济效益。

Description

一种用于电子导纱的步进电机双闭环控制系统

技术领域

本发明涉及一种用于电子导纱的步进电机双闭环控制系统。

背景技术

常规纺织设备需要对纱线进行各种处理，包括清棉、梳棉、精梳、并条、粗纱、细纱、络筒、捻线、摇线一、清棉等工序，现代工艺还需要加热、拉伸、定型等处理，在纱线绕制的过程中，导纱装置通过横向往复运动控制纱线在络筒上的位置，实现对纱线进行精密排列。传统上的导纱装置一般由机械齿轮箱和凸轮机构构成，针对各种纱线不同的络筒工艺，设备调整比较困难,卷绕速度不高。为克服传统导纱装置的缺点，目前导纱装置多采用电子齿轮与电子凸轮构成的电子式，通过各电机之间的运动关系进行参数设置实现灵活应对各种纱线卷绕工艺的需要。

当前，国内导纱装置主要采用靠齿轮驱动的横动装置实现导纱，根据导纱特点，设计椭圆形双边旋转轮，导纱头在旋转轮的带动下，可以实现高速的往复运动；但这种方式主要具有以下缺点：1、采用机械运动，易损坏，寿命短；2、机械导纱难以实现高速运转，当前的速度一般难以超过1000M/min；3、机械导纱的收边角度可控性较小，控制灵活性差；4、机械导纱，旋转弧度固定，不能实现精密的分布式导纱。对于电子式导纱装置，其导纱控制技术主要采用伺服电机的方式来实现，但是伺服电机在高速运转中，很难实现精确的启停和反转控制，且由于惯性力较大，存在卷绕速度控制难的问题。

发明内容

为克服上述技术缺陷，本发明提出一种用于电子导纱的步进电机双闭环控制系统，实现电子导纱过程中的高速率、高精度控制，从而确保电机在高速运动中稳定工作精准的电机启停和反转。

本发明的一种用于电子导纱的步进电机双闭环控制系统，包括控制环路、驱动器和电机，所述控制环路包括转矩控制组件和时序控制组件，所述转矩控制组件和时序控制组件均与所述驱动器相连接，所述驱动器与所述电机相连；所述电机还分别连接有位置传感器和驱动电流过零比较器，所述位置传感器与所述时序控制组件相连，所述驱动电流过零比较器与所述转矩控制组件相连。

进一步的，所述时序控制组件与所述驱动器之间还连接有增量式PID检测器。

本技术方案的增量式PID检测器用于由PID控制算法消除静态误差避免超调，用以高精度控制步进电机运动。

本申请中，使用驱动电流过零比较器和步进电机位置传感器实时获得步进电机的转速与转矩，设计电流驱动电流过零比较器与位置传感器实时采集，协同工作的双闭环反馈控制系统，实现电子导纱过程中的高速率、高精度控制，从而确保电机在高速运动中稳定工作精准的电机启停和反转。同时，为提高卷绕的密度和定型效果，有效实现纱线的精密排序，本发明所提出的控制方法在电机转矩控制中采用增量式PID控制方法，灵活设定线速度、卷绕比和收边角度等卷绕参数，实现高精密的分布式卷绕。

使用电流驱动电流过零比较器和步进电机位置传感器实时获得步进电机的转速与转矩，其中步进电机的转矩通过增量式PID控制算法消除静态误差避免超调，达到高精度控制步进电机运动的目的。电子导纱所用步进电机需要高速往复运动，在其控制中，采用位置传感器判断控制环路的位置，控制两相驱动信号的时序，达到理想的换相时间。通过驱动电流过零比较器，判断电流和电压的相位差，计算出等效阻抗的大小，调节驱动的脉冲大小，以获得较为准确的转矩控制。在转矩控制中，以控制环路的转速为控制目标，采用增量式PID控制算法输出优化后的转矩值。最终实现高速、高精度的电子导纱控制。

本发明的一种用于电子导纱的步进电机双闭环控制系统中，电子导纱控制系统针对的是步进电机，步进电机具有控制精度高，机构设计相对简单等特点，可以满足电子导纱工艺中要求的高速启停和反转效果，在高速运动中稳定工作，不失步，不超调，通过数字控制，还可以灵活设定卷绕参数，实现高精密的分布式卷绕；步进电机具有低转动惯量的特点，实现高速的启停和换向运动；可以提高电子导纱的工艺水平，提高系统的工作稳定性，提高经济效益。

附图说明

图1为本发明一种用于电子导纱的步进电机双闭环控制系统的结构示意图；

图2为本发明具体实施方式中的驱动脉冲的时序图；

图3为本发明中步进电机的简化模型图。

具体实施方式

下面用具体实例予以说明本发明，应该理解的是，实例是用于说明本发明而不是对本发明的限制，本发明的范围与核心内容依据权利要求书加以确定。

如图1所示，本实施例提供的一种用于电子导纱的步进电机双闭环控制系统，包括控制环路、驱动器1和电机2，控制环路包括转矩控制组件3和时序控制组件4，转矩控制组件3和时序控制组件4均与驱动器1相连接，时序控制组件4与驱动器1之间还连接有增量式PID检测器5，驱动器1与电机2相连；电机2还分别连接有位置传感器6和驱动电流过零比较器7，其中，位置传感器6与时序控制组件4相连，驱动电流过零比较器7与转矩控制组件5相连。

本实施例所提出的一种用于电子导纱的步进电机双闭环控制系统中，电子导纱所用步进电机需要高速往复运动，在其控制中，采用位置传感器判断控制环路的位置，控制两相驱动信号的时序，达到理想的换相时间。通过驱动电流过零比较器，判断电流和电压的相位差，计算出等效阻抗的大小，调节驱动的脉冲大小，以获得较为准确的转矩控制。在转矩控制中，以控制环路的转速为控制目标，采用增量式PID控制算法输出优化后的转矩值，最终实现高速、高精度的电子导纱控制。

本实施例所提出的一种用于电子导纱的步进电机双闭环控制系统，其控制目标值为步进电机控制环路的转速和转矩，实现电子导纱过程中的高速率、高精度控制，确保电机在高速运动中稳定工作精准的电机启停和反转。

本实施例采用的系统为双闭环反馈控制系统，其实现步骤如下：

(1)通过位置传感器获得控制环路的实时位置信号，来闭环控制步进电机的转速。步进电机根据位置传感器传来的信号获得电机控制环路的位置。控制环路的位置所呈现的四种不同的状态如图2所示，在调整驱动脉冲的时序，通常采用45度的换相时刻来控制，可获得比较理想的换相效果。也可以根据位置判断电机控制环路旋转的程度，判断电机有没有完成给定的旋转步数。

(2)通过各相电流驱动电流过零比较器，获得电流计算与已知电压的相位差，判断转矩的变化值，通过增量式PID算法实现转矩的精密控制。在转矩控制中，需要用到步进电机等效模型，方便控制运算，本发明应用的步进电机为涡轮盘式步进电机，电机的转动惯量比较小，电机的工作模型可以进行简化，传统的步进电机控制环路数学模型建立比较复杂，如图3所示的简化模型。

电感为控制环路绕组的励磁电感，在励磁电感的作用下，产生电磁转矩，电机转动中励磁电感基本保持不变；电阻等效为控制环路转矩的输出和能耗，代表电子输出能量的大小，和电流的平方成正比；在不同的转速和转矩下，电压和电流的相位角θ为下

$cos\mathrm{\θ}=R_d/\sqrt{{{\mathrm{\ωL}}_m}^2+{R_d}^2},$

根据相位角的变化，可以推算出当前k时刻下控制环路转矩的大小U(k)。为实现电机转矩较高的控制精度，本发明针对步进电机的特点采用增量式双闭环控制方法，以实现抗积分饱和及可靠的稳定性，其中PID控制器离散形式如下式。式中，T为采样周期，T_d为微分时间常数，T_i为积分时间常数，K_p为比例系数，则K_i＝K_p/T_i为积分系数，K_d＝T_d/K_p为微分系数，e(k)为第k时刻的电机转速误差，ΔU(k)为第k时刻电机转矩的增量。

$\left\{\begin{array}{c}U\left(k\right)=U(k-1)+\mathrm{\Δ}U\left(k\right)\\ \mathrm{\Δ}U\left(k\right)=K_p\{e\left(k\right)-e(k-1)+\frac{T}{T_i}e\left(k\right)+\frac{T_d}{T}\[e\left(k\right)-2e(k-1)+e(k-2))\]\}\end{array}\right.$

该控制系统通过PID控制算法中的积分环节，微分环节，比例环节，对电机前后时刻输出的转矩误差进行调节，以实现步进电机精确的转矩控制。采用本发明的一种用于电子导纱的步进电机双闭环控制系统制备的ATO涂层克服了传统湿法制备工艺的诸多不足，具有高透过率、高反射性、高硬度、低电阻、抗静电，耐候性好、隔热性好的特点，且制备方法的工艺重复稳定性好、生产效率高、节能环保，易于大规模工业生产。

本实施例的一种用于电子导纱的步进电机双闭环控制系统中，电子导纱控制系统针对的是步进电机，步进电机具有控制精度高，机构设计相对简单等特点，可以满足电子导纱工艺中要求的高速启停和反转效果，在高速运动中稳定工作，不失步，不超调，通过数字控制，还可以灵活设定卷绕参数，实现高精密的分布式卷绕；步进电机具有低转动惯量的特点，实现高速的启停和换向运动；可以提高电子导纱的工艺水平，提高系统的工作稳定性，提高经济效益。

以上所述的实施例只是本发明的较佳的方案，并非对本发明作任何形式上的限制，在不超出权利要求所记载的技术方案的前提下还有其它的变体及改型。

Claims (2)

1.一种用于电子导纱的步进电机双闭环控制系统，其特征在于：包括控制环路、驱动器和电机，所述控制环路包括转矩控制组件和时序控制组件，所述转矩控制组件和时序控制组件均与所述驱动器相连接，所述驱动器与所述电机相连；所述电机还分别连接有位置传感器和驱动电流过零比较器，所述位置传感器与所述时序控制组件相连，所述驱动电流过零比较器与所述转矩控制组件相连。

2.根据权利要求1所述的一种用于电子导纱的步进电机双闭环控制系统，其特征在于：所述时序控制组件与所述驱动器之间还连接有增量式PID检测器。