兩軸伺服控制的繞線機系統

劉洪瑋,郭吉豐,孫云云,任軍軍

(浙江大學 電氣工程學院,浙江 杭州 310027)

1 引言

隨著電子工業的發展,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、開關電源的高頻變壓器等。同時,為了減輕工人的勞動,提高生產效率和產品質量,繞線機逐步以智能化代替早期的手工作業,這樣就為繞線機制造業帶來了新的發展機遇,本文主要是描述雙軸同步伺服系統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用研究。

2 系統方案

現在市場所用的普通繞線機還是存在一些問題,如所繞層數較少,漆包線繞制不均勻,外形不美觀,以至于繞線圈數比較多后出現重疊,因而導致無法繼續排線,要么需要手工進行調整,要么生產出來的產品質量不高。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動慣量小、響應速度快、速度與扭力平穩、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點,尤其表現于速度與扭力平穩性,可使繞線更加緊密、整齊,并且無需抱閘剎車的附加設備就可以實現快而準的停位。

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

2.1 繞線機工作原理

平繞式繞線機結構示意圖如圖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一圈,步進電機旋轉運動帶動絲桿運動,從而使閥桿相應的平移一個線徑單位,并且決定繞線質量的關鍵是系統主軸運動與排線運動的協調。

圖1 繞線機結構示意圖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矩控制規律,將電流矢量分量分解成產生磁通的勵磁電流分量id與產生轉矩的轉矩電流分量iq,達到解耦的目的。

首先將定子電流i經過Clark變換成靜止的α,β坐標系的電流分量,再經過Park變換成旋轉坐標系下的電流分量。

定子磁鏈方程

電磁轉矩

式中:pn為電機極數。

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而實現解耦的矢量控制。

2.3 伺服主軸繞線系統

圖2為系統的硬件框圖,其中,IRMCK201具有母線電壓監測的AD接口,以實現過壓、欠壓保護;IRMCK201具有一個作為直流總線過流保護的反饋接口,以實現過流保護,當母線上串聯的電阻采樣電流信號與設定值相比較并把過流信號GATEKILL提供給IRMCK201,可實現過流保護;當檢測到剎車信號時,剎車IGBT打開,對應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關斷水平以下。

圖2 系統框圖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,經過內部運算可得U相電流,與V相、W 相三相電流通過Park變換和矢量旋轉變換分解為產生磁通的勵磁電流分量和產生轉矩的轉矩電流分量,這2個電流具有獨立的PI調節器,對于速度環,光電編碼信號通過IRMCK201內部測速單元得到速度反饋,它與給定的速度比較產生速度偏差,內部也有個PI調節器,經過該調節器產生一個相對應的轉矩電流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個電流值為內部2個電流環的給定值,它們與實際反饋的電流值比較產生電流偏差,再通過內部獨立的PI調節產生相應的Us-q和Us-d(在旋轉坐標系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,經過SVPWM計算后,給IPM模塊發出相應的PWM信號,控制功率模塊工作。

2.4 控制系統

DSP2407主要是用來通過并口通訊配置IRMCK201相關寄存器。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相關寄存器來實現速度、位置控制;鍵盤與顯示為所提供的人機界面,來設置繞線圈數、骨架寬、線寬、速度等參數;EPPROM 用來存儲參數設置。

2.5 步進排線系統

根據排線機構是從左至右,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動的DIR端來獨立的控制運動方向;對于如何控制排線機構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T2CMP高有效,當定時器計數過比較匹配點時,T2CMP端輸出的方波從低電平跳變到高電平,當到下一個定時器計數周期開始時,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部時鐘的頻率成一個比例為T的關系,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。假設主軸繞線伺服電機旋轉1周,那么步進電機應該使排線機構相應地平移一個線徑的單位,伺服編碼器線數4倍頻后的脈沖數記為k1,步進電機使排線機構平移一個線徑的單位所需控制步進驅動的脈沖數為k2,其中令K=k1/k2。伺服電機旋轉繞線工作時,編碼器輸出脈沖作為DSP2407的T2的內部時鐘,比較輸出方波給細分后的步進驅動來控制步進電機旋轉相應的角位移,步進電機的角位移再通過絲桿轉換為排線機構平行移動的距離,并且由前面比較輸出方波原理介紹中比較輸出跟內部時鐘頻率成一個比例T的關系,所以為滿足兩軸協調工作,則T=K,因此可以將DSP2407比較輸出的內部寄存器初始化為

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完全同步。

排線機構有時要獨立完成跳槽或排線機構歸零的工作,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的時鐘是以一定預定標系數分頻后的內部CUP時鐘,同樣還是比較輸出T2CMP的方波信號給步進驅動器。通過改變預定標系數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獨立完成跳槽運動,當然,排線機構歸零與跳槽也是同樣的工作原理。

3 系統軟件設計

基于IRMCK201的繞線機系統,軟件流程如圖4所示。DSP2407通過并口通訊來對 IRMCK201進行參數初始化配置,DSP中斷來對伺服位置控制,調節輸出新的給定速度來更新IRMCK201的相關寄存器,IRMCK201完成伺服電流環與速度環的控制。

圖4 軟件流程圖Fig.4 Software flow diagram

4 實驗結果

本系統采用型號為80ST-M01060米格伺服電機,其額定轉速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,即實現了電機旋轉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的狀態下,通過DSP的QEP口測得的數據再換算成速度,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,該伺服系統工作在低速狀態下速度平穩,脈動小;圖8為以伺服旋轉一定角度或圈數通過除以換算比例K來得到理論上協調時排線機構應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,有些誤差是來自于步進旋轉通過螺桿轉換和光柵尺安裝等其它機械結構上的誤差。實驗證明,系統具有較高可靠性,性能具有一定的優越性,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調誤差Fig.8 T he coordination inaccuracy between servo and stepper moto r

5 結論

本系統以IRMCK201作為電流環與速度環,該方案減少了伺服系統的開發周期,提高了伺服系統的可靠性;DSP作為位置環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,硬件上實現了步進(排線機構)與伺服電機完全協調工作,最終使繞線機繞線緊密、整齊。

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