织机主传动控制系统的优化及应用

徐伟锋 毛华先 林英华

（1.绍兴职业技术学院，浙江绍兴，312000；2.杭州中达电机有限公司，浙江杭州，310024）

织机作为纺织行业最主要的设备，迫切需要对其进行升级改造或更新换代，其中，无梭织机以其重量轻、振动小、噪声低、车速快等特点已逐步替代有梭织机［1］。同时，将先进的智能化技术应用到织机开发和生产中，能够有效提升织机的开发、生产效率，提高织机制造水平和产品的性能［2］。目前，国内外多数无梭织机主传动系统仍通过主传动电机与织机主轴之间的传动链或皮带，把电机的驱动力矩传送给织机主轴，并通过控制离合器与制动器的结合或脱离来实现织机主传动的启动或制动，织机调速难度大，传动机构能耗高、效率低、智能化程度低。而随着国内无梭织机产业链的形成，织机技术水平和性能质量有所提升，但与国外相比，织机在智能化、高性能等方面还需改进和完善。

针对上述问题，为实现无梭织机智能化织造，提高织机可靠性和稳定性，降低织机传动系统能耗，提升织机效率，对无梭织机主传动控制系统的关键技术进行改进和优化，具有较高的应用价值。

1 织机主传动控制系统的传动机构

传统无梭织机主传动控制系统的传动机构通常由三相交流异步电动机、皮带传动装置、主轴传动装置和机械式位置传感器以及电磁制动器等组成，其织机高速运行的精准性主要通过位置传感器检测反馈主轴转动位置信息加以保证，系统负载变化大、抗干扰能力差、能耗高、效率低［3］。并且，由于该系统位置传感器的安装，加大了传动机构的复杂程度，易受工作环境温度和电磁噪声影响，从而降低系统的可靠性，增加维修难度和成本。所以对传统无梭织机主传动控制系统中的传动机构进行改进，采用织机主电机与织机直接联动，去除中间传动环节，提高织机的效率和可靠性，降低能耗和成本。

与三相异步电动机相比，永磁同步电机（Per⁃manent Magnet Synchronous Motor，PMSM）定子电流和阻抗损耗小，无转子阻抗损耗，总损耗低，功率因数高，并具有体积小、结构简单、效率高、调速性能好以及节能效果明显等优点，适合用在负载波动大且变化很快的场合。为实现织机直接式传动系统运行平稳和宽频调速，保证织机迅速启动，本研究采用自主开发的织机专用无位置传感器大启动力矩PMSM作为织机主传动电机，并通过提取PMSM反馈电压、电流等信息间接计算估计，获取转子速度和位置信息。该PMSM内部采用结构简单且磁路性能较好的表贴式转子磁路结构，定子绕组选用集中绕组。

2 织机主传动控制系统的控制方法

目前，国内外对PMSM无位置传感器控制技术已有深入研究。控制方法中主要有PMSM低速控制和中高速控制两大类，其中，低速控制通过电机凸极特性获取位置信息，主要有脉振高频信号注入法、高频方波信号注入法、旋转高频信号注入法等；而中高速控制利用电机反馈的电信号获取位置信息，主要有模型参考自适应法、滑模观测器法和扩展卡尔曼滤波器法等［4］。由于模型参考自 适 应（Model Reference Adaptive System，MRAS）控制方法具有较好的动态性能，实现简单，效果良好，所以织机主传动控制系统在中高速时采用MRAS控制。根据PMSM在两相同步旋转坐标系下的电流方程［5］见式（1）。

式中：ud、id、L d分别为d轴定子电压、电流、电感分量；uq、iq、L q分别为q轴定子电压、电流、电感分量；R为定子电阻；ϖem为转子电角速度；φf为转子磁极磁通。

结合式（1）进行变化运算，得到该系统基于MRAS的参考模型见式（2），可调模型见式（3）。

结合式（1）~式（3），根据Popov超稳定理论［6］，可求解推得自适应律，见式（4）。

式中：K i、K p分别为自适应律微分、比例调节系数，为传递函数。

由于MRAS在零速或低速运行中，检测的反电动势很小或检测不到，导致反馈信息失效，无法获得转子速度和位置信息。而脉振高频注入法在零速或低速运行中，能较好地检测电机转子速度和位置信息。所以，在零速或低速运行时，织机主传动控制系统采用脉冲高频电压注入法，获得转子速度和位置信息，其注入高频电压方程见式（5）。

式中：uin、ωin分别为注入脉振高频电压信号的幅值和角频率。

式中：L0=(L d+L q)/2为均值电感，L1=(L d-L q)/2为差值电感，Δθe为转子角度偏差。

由式（6）可知，高频电流分量可通过合适的带通滤波器进行幅值调制，提取出高频电流信号后，再通过低通滤波器，获得估计转子位置偏差，作为转子位置跟踪观测器的输入信号，进行转子速度和位置的辨识，构建新的函数见式（7）。

为实现系统全速范围无位置传感器PMSM运行控制，确保系统的动态快速响应，将应用较好的脉振高频信号注入法和模型参数自适应法的两种控制方法有效融合，并通过权重算法平滑切换控制优化。在零速或低速时，高频电压注入法对应速度切换区间下限高于MRAS所对应有效运行的最低速度，而在中高速时，其对应的速度切换区间上限低于脉振高频电压信号注入法所对应有效自启动的最高速度，建立织机主传动自适应混合控制系统，其系统结构框图如图1所示。

图1 织机主传动PMSM无位置传感器自适应混合控制结构框图

3 试验与测试

3.1 试验仿真

利用MATLAB/Simulink仿真平台，对织机主传动PMSM无传感器自适应混合控制系统进行仿真试验。仿真采用的织机主传动PMSM参数：电机参考额定转速600 r/min，电机极对数pn=10，电机转动惯量J=23×10-4kg·m2，定子电阻R=2.1Ω，定子电感d轴分量L d=7 mH，定子电感q轴分量L q=7.3 mH，转子磁体磁通φf=0.18 Wb，阻尼系数B=0，其织机主传动PMSM转子速度和位置仿真结果如图2和图3所示。

图2 PMSM转子速度估计值与实际值对比曲线

图3 PMSM转子位置估计值与给定值对比曲线

从仿真结果可知，织机主传动PMSM从零速开始运行时，系统响应速度快，转子转速和位置有微弱波动，但随转子转速的上升，转子转速和位置偏差减小，在运行0.1 s后系统趋于平稳运行，能满足实际织机控制性能的要求。

3.2 性能测试

为验证本研究织机主传动PMSM无位置传感器控制系统的运行性能，在测试平台上对该系统进行测试，PMSM额定功率3.7 kW、额定电流5.5 A、额定频率100 Hz，额定转速600 r/min，电机极对数10，额定输出转矩60 N·m，最大输出转矩180 N·m，如图4所示。

图4 织机主传动系统测试平台

同时，采用TMS320F28035DSP型控制器，通过PMSM矢量控制系统对无位置传感器自适应混合控制方法进行验证，织机主传动PMSM启动时电磁转矩变化测试结果如图5所示。可以看出，织机主传动PMSM在克服负载启动转矩响应时间较短，在0.2 s后电磁转矩变化趋于稳定，且波动较小。

图5 织机主传动PMSM电磁转矩变化曲线

同时，按照实际现场运行情况，对织机主传动PMSM进行温升测试，如图6所示。结果表明，PMSM长时间连续运行，达到平稳运行后温升变化较小，能满足实际工作要求。

图6 织机主传动PMSM温升变化曲线

另外，在不同转速和转矩情况下，对织机主传动控制系统的各参数进行测试，其结果见表1。从表1可知，当织机主传动PMSM处在额定转矩及以下时，系统效率能达到90%以上，且输出电流也较小，系统能耗降低。

表1 试验测试数据

4 结论

针对织机主传动控制系统效率低、能耗高、可靠性稳定性差等问题，本研究应用效果主要体现在以下几个方面。

（1）织机主传动无位置传感器PMSM转子位置自适应混合控制系统，将高频信号注入法和模型参数自适应法两类控制方法有效融合及平滑切换，实现全速范围内对转子速度和位置的检测，确保系统的可靠性能。

（2）该系统动态响应快，PMSM输入转矩大，电机转速和位置偏差波动小，能在较短时间内使系统趋于稳定运行，具有有效性和实用性。

（3）该系统优化了织机的传动结构，提高了设备的整体效率，节电效果显著。