【毕业学位论文】基于STM32 的永磁直线电机阵列式电织针的驱动控制系统研究

摘 要近年来，机电一体化随着技术的不断提高得到了广泛的应用，在纺织行业，随着计算机技术的普及以及电子元器件新功能的出现，新型材料的研制成功等因素，使得针织机械朝向自动化和智能化方向发展。传统的织机选针装置已由机械式机构发展到电子式机构。随着新的高磁永磁体材料和功率半导体等技术的飞速发展，对织机装置进行新技术的改造与研究也已成为可能。因此，开发高性能的电子式选针机构以及控制系统具有非常重要的意义。本文以国家自然科学基金项目中研制的电织针单元样机模型为基础，通过对国内外文献查阅分析，介绍了国内外电机驱动与控制系统的现状及发展，本文对纺织机中常见的几种选针机构作了简介，通过研究电织针结构与基本原理，设计出电织针控制系统图，详细介绍了电织针样机的数学模型及直流电机重点研究了直流电机单双极性此基础上，以计了采用闭环控制方式的永磁阵列式电织针控制器。硬件部分包括了率驱动单元，反馈电路以及其它外围电路的设计。软件部分介绍了软件的总体架构设计、系统初始化各模块的配置以及模块子程序的功能，相关程序的编写。最终，对系统模型进行调试，给出了样机的实验结果，并对论文进行总结，指出系统设计中存在的不足，为课题的进一步研究做准备。关键词：线电机；电织针；控制系统研究类型：应用研究in in of to of to a in a of on a is of of to a WM On in of a of is we in to 论1 绪论题研究的目的和意义52 电织针驱动控制系统整体设计133电织针驱动控制策略研究流电机的流电机单极性驱动可逆194硬件电路设计 率变换单元于 处理器的选型章小结315电织针控制系统的软件设计点判断子程序置速度反馈子程序断子程序416系统调试437 结论45参考文献46附录49致谢501 绪论11 针织装备中的直线电机原理、控制与热设计研究（项目号：50805109）”本课题研究的内容则是基于而实现永磁直线电机阵列式电织针的可靠控制。传统的针织机都是采用机械式的刚性接触驱动织针，通过选针片、三角凸轮等零部件，实现编织动作1。在织针机工作过程中，三角凸轮等机械部件由于高速运动，将会产生不可避免的机械摩擦，容易发生错位和磨换。而且在机械的设计、精度以及材料等方面，传统的针织机都有较为严格的要求，受到机械元件的自身约束等问题，传统的针织机很难较为明显的提高纺织效率。近年来，针织机械已由传统的纯机械装置过渡到以计算机控制为主，机电一体化式的发展，在各种纺机装置中自动化程度也是越来越高。电子式选针应用最普遍的是以通电铁芯控制选针运动方式的电磁式和采用容易发生形变陶瓷材料制成的压电陶瓷式选针机构。普通的电子提花机多采用电磁式选针机构。但这种电磁铁式选针机构有易受电磁干扰的影响，并且容易发热等不可弥补的缺陷2，而压电式电子提花机，通过压电陶瓷片作为制动机构，通过电压的变化使陶瓷片发生形变实现选针，避免电子式选针的缺陷。压电陶瓷相比电磁式有很多优势，但是它的成本较高，并且陶瓷片的设计要求较高，对工作环境要求也比较高，虽然压电陶瓷提花机在理论和实践上都已一定基础，但是还不成功3，特别是其选针机构及其控制电路方面。据资料统计，目前各企业主要将精力集中在对选针的结构设计，新材料的应用以及选针制作的工艺上，而在控制原理上还是没有多大的改变4。本文提出一种新型的驱动方式，利用直线电机的良好驱动性能，将直线电机技术引入到织机机构中，将传统的选针装置设计为一台直线电机，即直线电机驱动织针（简称电织针）。通过对织针运动的完全电动化，去掉传统选针器中的三角凸轮或者含有机电动作的电子选针器等控制机构，使织针无直接接触以达到减少摩擦，降低发热量的目的。直线电机又叫线性电机，由于拥有大推力，安装简单，可控精度高等特点，在工业上特别是数控领域运用广泛。例如，在军工方面，飞机辅助装置电磁弹射器就是利用直线加速电机原理5。但是，在低速往返式高频运动方面，直线电机的控制一直是技术上的瓶颈。对于新型直线电机应用于往返式，高频选针器上的运动控制，国内外尚无成熟的技术和产品，因此有必要对直线电机阵列式电织针的驱动控制系统进行研究并实现电织针在高频强扰动下的稳定运行。于科学的迅猛发展，各种学科交叉影响，在新材料新工艺的影响下，电机种类也变的越来越多，从传统单一的直流电机，交流电机转向永磁同步电机，开关磁阻电机等，其对应的驱动控制也各不相同。常电机见驱动系统的有以下几种6：直流驱动系统：直流驱动系统是以直流电机为驱动器件构成的，系统中的驱动器的功率电路核心元件是斩波器，通过它来控制功率管的导通状态从而控制电机的运转，它有成本低、效率高的特点。但直流电机换向器、电刷部件特别容易损坏，这使得工作人员需要经常对其进行保养维修，同时相对于交流电机，由于在体积上比较大，重量较重等缺点，在使用上常常不方便。交流驱动系统：交流驱动系统是以交流感应电机为驱动电机构成的驱动系统。交流电机体积比较小，重量也没有直流电机那么重，安装也简单，而且也不需要人员经常性维护，但电机核心部件逆变器比较复杂。一方面控制用的大功率管数量要求比直流驱动系统中的多；另一方面必须通过采用矢量控制方法来达到电机能够得到很好的调速性。交流驱动系统相对于直流驱动系统而言，电机成本是比较低，但在控制器这块，成本则比直流电机贵一些。由于电力电子技术的快速发展，两个系统的成本差距也越来越小。而且由于交流驱动系统在效率利用率上，重量上都有着比直流电机更明显的优势，因而是电动汽车理想的驱动方案之一。永磁同步电机交流驱动系统：永磁同步电机主要有无刷直流电机（三相永磁同步电机（它与前两种系统相比，电机重量是最轻的，电机使用效率也比较高，也无须维护，在电动车中得到大量的使用。但该类驱动系统成本很高，而且稳定性不高，使用时间也没前两者好。开关磁阻电机（动系统：开关磁阻电机驱动系统具有交直流两类电机的优点，由于其结构更简单可靠，起动转矩大，起动电流低，并且调速性能好，通过对机和电的协调设计，可以使电机应用于多种特殊场合。率开关器件已由以前的分立式元件转变成电机控制的专用集成电路，不仅提高了驱动器的可靠性和各元器间的抗电磁干扰能力，而且加快产品的研发进程7。自从第一代晶闸管（生以来，功率开关已经历了很长时间的半自控的晶闸管时期，但由于其不能进行自我开关处理，这一代的产品已经退出了历史的舞台。而场效应管的出现以及与微控制器结合使用，使电机驱动技术进入了“自1 绪论3关断器件”的第二阶段。第三代随着电子技术的发展，工作频率更高的功率器件相继出现，如场控晶闸管（智能功率模块（绝缘栅双极晶体管（功率集成电路（和感应晶体管（，使电机驱动技术进入全新的“高频化、智能化”89。例如常见的如采用单独驱动模块，使用极为方便，被视为最为理想的电力电子器件；智能功率驱动模块（于集中了高压的优点和输入阻抗和低驱动功率的优点，并且它还具有光电隔离、过压过流等保护功能10，在电机驱动控制领域得到广泛应用。随着电机应用技术越来越复杂，传统上用逻辑集成电路比较器，晶体管，二极管等元器件组装，并采用分立的绝缘双极晶体管(于对产品开发周期以及性能可靠性的要求，如今已转向将所有需要的控制逻辑和驱动功能集成的电机专用集成电路。电机控制集成化使开发者更容易将精力花费在获得最佳硬件及软件解决方案，而无需再考虑对电机产品控制器的研究。织机械上普遍采用了自动化技术，在控制系统上主要通过集成芯片强大的信息处理能力，先进的驱动技术以及智能传感技术11。当前，织机控制系统所使用的控制器类型有：单片机：由于其经济实惠，成本相对较低，并且有丰富的I/其控制具有很好的时效性。在国产无梭织机的电控系统，目前大部分采用以单片机为主的专用控制系统，也有些是采用的片机组成的控制系统成本低，但相对于其它控制系统，其可靠性不是很高，而且易受元件的质量、工艺等因素影响12。可编程序控制器（由于其系统搭建灵活，采用梯形图等语言编程简单，使用方便，并且适应环境恶劣的场所13。无梭织机上均已采用。嵌入式控制器：一般集应用软件与硬件于一体，除了在硬件上有更强大的芯片数据处理能力，丰富的扩展口外，在软件上，由于它是以应用为中心，因而可以根据需求进行裁减。嵌入式控制器在医疗仪器、工业自动化仪表等方面应用广泛，在纺织工业上，新型纺织机已逐渐引入。些研究基本上可以分为两个方面：一是采用量控制技术或者变频控制等已有成熟的控武汉纺织大学硕士学位论文4制技术；二是研究能够用于控制直线电机的技术。例如广东工业大学的刘杰14等人对永磁同步直线电机驱动系统进行仿真研究，通过对实验参数进行预估性设定后用江大学的方清贤15等人研究了真空开关永磁直线电机的设计，利用磁路法和有限元法对直线电机的气隙磁场进行了分析；以及浙江大学的李子鑫16等人通过采用究其驱动控制系统的方案；清华大学、浙江大学等全国重点院校以及中科院等科研机构也有不少人研究直线电机在高速加工机床方面的课题。在纺织工业方面，近几年也有不少学者尝试对针织机构引入电磁式技术进行创新式研究，消除传统复杂机械式机构的弊端。例如浙江理工大学的刘云斌等人对电子式选针元件的分析探索17,介绍了压电陶瓷和电磁式电子选针机构各自的优缺点；武汉纺织大学的吴世林18教授等人研究的一种三维编织用直线步进电机的模型设计及仿真，通过对用于编织机的直线电机模型搭建形成以主动携纱器为主的新型底盘以及对其进行电磁仿真，并验证设计的可行性；青岛大学的朱传祥19等人对细纱样机的研制，主要研究如今细纱机普遍存在气圈问题以及由此引发的细纱断头问题，通过改进去掉成纱机构凸轮，采用直流电机带动锭子作水平卷绕运动，通过先进的数字技术，完成纺纱过程中的数据采集处理等;浙江大学陈林20等团队对纺织超喂电机驱动的研制，通过分析纺线张力控制的一般方法，选取合适张力传感器，搭建了实验平台，以及电机采用方波驱动和正弦波驱动两种控制方案进行实验比较。还有其他的学者和科研单位对纺织机械采用新型技术的探索，这些成果是我们研究改进纺机缺陷的宝贵经验。在国外，自20世纪末期德国年的欧洲，日本，美国等发达国家的机床展上都有不少的参展商拿出的展品采用直线电机驱动系统21。世界上最知名的机床厂家如美国科尔摩根，德国西门子公司，日本外，在压力机、坐标测量机、水切割机、等离子切割机、快速原型机及半导体设备的2。如：意大利的国本三井精机公司生产的高速工具磨床，日本3。在国内，由于对直线电机的研究起步的比较晚，与国外相比，对于直线电机的研制及控制方面，仍有许多地方需要学习和借鉴。如今，直线电机除了向数控领域要求的要速、高精度方面发展外，还向大推力、大容量、低噪声方面发展，如应用于交通，物流领域24。在电机控制领域，除了以矢量控制为主的直线感应电机和向直接转距控制技术发展的直线永磁同步电机外，无位置传感1 绪论5器技术也是如今的一个热点。永磁直线电机阵列式电织针的数学模型，织针的结构和基本原理进行了较为详细的分析，在此基础上提出了电织针系统的整体，介绍了电机控制中的智能控制策略及控制算法。本课题的主要工作是设计了一种基于计的主要工作有：第一章绪论本章主要介绍了课题研究的目的和意义，对电机驱动器及控制系统的发展情况作了一些说明，同时也分析了电机控制器在纺机控制系统中的应用与课题在国内外的研究现状，并简短陈述了本文主要的工作。第二章电织针驱动控制系统整体设计本章介绍了针织选针机的一些种类，在对电织针结构与基本原理研究的基础上，按照电织针设计的性能指标，提出电织针系统整体设计方案。第三章驱动控制系统研究本章研究了电织针数学模型以及直流电机介绍了直流电机单双极性建了电织针驱动控制系统结构。第四章系统硬件设计本章主要对系统框架设计后，详细介绍了功率变换单元，控制电路以及外围电路，并对各电路模块的作用及具体所用的元器件型号，给出了一些关键部分的设计方法。第五章系统软件件设计本章简单介绍了软件开发环境，对系统开发流程进行总体方案设计，分别介绍了流程图中的模块功能及配置，详细介绍了几个主要的模块子程序。第六章系统调试主要介绍了在样机上的实验与调试，给出了实验的性能参数，进一步证明方案的可行性。第七章总结与展望对课题的工作做了总结，并规划了接下来的工作。武汉纺织大学硕士学位论文62 电织针驱动控制系统整体设计随着新的高磁永磁体材料和功率半导体等技术的飞速发展，在针织选针机构中引入直线电机技术已成为可能，为了能够准确的获知永磁直线电机阵列式电织针的特点，并对其进行有效的控制，必须先了解电织针的基本结构与工作原理，并在此基础上选择合适的控制方式。本章将介绍永磁直线电机阵列式电织针的基本结构及工作原理，并讨论其基本调速方式，为后续研究奠定基础。针机构作为其重要组成部分，一般可分为直接式选针机构、间接式选针机构及电子选针机构三类25。（1）直接式选针机构直接式选针机构是通过选针机件直接作用于针踵上而进行选针，针三角选针机构（2）间接式选针机构间接式选针机构是通过工作机件和选针器进行对应指令的运行方式工作的。它的选针结构有推片式，圆齿式，拨片式，滚筒式等。织针工作过程是由提花片间接带动的。中的主要机构有：织针，选针片等。在纺机运动过程中，通过挺针片能否沿起针三角上升，达到控制织针是否参与编织。1 片式选针机构（3）电子选针机构常用的电子选针器有电磁式和压电式两种26。电磁式电子选针机构是通过电磁式来进行选针，通过改变电流的方向，使电磁选针线圈上的极性发生正反变换，或通过使用与永久磁铁进行组合，通电磁铁与永磁铁两者间产生的吸斥力来实现选针头的摆动。这是一种先进的选针方式，目前在大多数的电脑横机选针控制结构中已得到广泛应用。针位于针槽之中，一片紧贴一片，构成针筒主体，最上层为织针层，中层为挺针片层，下层为提花片层。编织过程之中针筒在电机带动下做圆周运动，同时也带动织针等其它机构一起运动。织针等三角（凸轮）的带动下，沿针筒中的针槽做上升或下降运动。织针与织针之间由于运动速度的差异，彼此间会发生大量的机械摩擦。所有织针、挺针片以及提花片表面必须非常光滑，而且必须得到良好的润滑，对应材料在高温下也必须具有良好的机械性能，否则很容易过热烧毁。显然，整机功耗的绝大部分都消耗在机械摩擦之上，尤其是织针与三角（凸轮）间的摩擦，织针间的摩擦，以及织针的选针控制电路中的电磁发热或者机电动作。另一种电子选针机构为压电式选针器，它的主要器件为压电陶瓷片，通过控制器产生的信号作用于压电陶瓷片上，靠压电陶瓷材料的逆压电效应，使压电陶瓷片弯曲至预先记忆的形状来进行选针。压电式选针器由于能将微弱的机械振动转换成电信号，具有响应速度快、频率高、发热量少的特点，能有效克服电磁铁式提花机的缺点2728。的选针过程主要是通过压电陶瓷片进行选针。由于压电陶瓷很容易将微小的机械变化转化为电流变化，因而通过逆压电效应，陶瓷片发生扰度变针来控制选针运动。目前市面上常用的压电陶瓷有两种：薄片型和叠层型29。叠层型压电陶瓷由多片电圆板组成，这样的结构可以增加其变形量，直接将其伸缩变形转换为选针机构的动作，与薄片型相比，结构更简单，尺寸也更小。但由于变形量小，制作成本较高，常用于要求精密设计的场合中。0该电织针模型中，1是背铁，它由两块对称式结构的a、过设计背铁达到合适厚度，减小磁损耗，在内部形成磁路气隙所需要的密闭空间以使动子平面线圈上下运动；2是永磁体阵列，由于每相邻的两块磁体之间有强大的吸引力，我们利用同厚度和长度的铜片将其隔开；3、4是永磁体保持架，通过永磁体保持架支撑其片内的永磁体阵列，同时内部的导向机构使平面线圈在上下运动时便于换相；5是磁体气隙；6是动子平面线圈；7是定子基座，底部设计有气孔；8是进气气孔，通过此气孔由空气压缩机灌入的气体对运动时所产生热量的平面线圈进行散热处理，以便降低温度。其中永磁体是定子装置的关键部分，它在背铁铁轭的包裹下，形成了近似于密封的阵列式磁场；空气缝隙由永磁体间隔而成，两片相对的永磁体间产生的吸合力会互相平衡抵消。织针的动子线圈组件开始是由漆包线绕制，通过环氧树脂粘接在以玻璃作为基板形成的平面板，但后续实验发现其易形变，因而采用种双绞式电路有利于减小线圈两者间的产生的电磁互感，22222223 7 448 SN 79 z 结构可以类比于由径向剖开并展开成直线的旋转电机一样。此时我们称定子为初级，转子为直线电机的次级31。前市面上的直线电机常为短初级长次级的结构。部排列的永磁体仍然互相交替排列，转子线圈此时变成次级，设计成平面线圈结构在直线方向来回往返运动32。直线电机与旋转电机相比，主要有如下几个特点：一是结构简单，由于直线电机不需要把旋转运动变成直线运动的附加装置，因而使得系统本身的结构大为简化，重量和体积大大地下降；二是定位精度高，在需要直线运动的地方，直线电机可以实现直接传动，因而可以消除中间环节所带来的各种定位误差，故定位精度高，如采用微机控制，则还可以大大地提高整个系统的定位精度；三是反应速度快、灵敏度高，随动性好。 且原理也是类似的。当不考虑电机的端部效应时，若将三相正弦交流电通往直线电机定子上时，就会产生一个随时间的变化并且按A、B、气隙磁场沿展开的直线方向呈正弦分布。该磁场是沿水平直线伸展的，因而称为行波磁场，在永磁直线电织针阵列中，两个磁场由于相互作用，通过产生的使选针器中的电织针沿行波磁场相反的方向作直线运动。以上所述便是永磁直线电织针的基本工作原理。由于系统运行行程以线圈宽度为单位，因此如下描述以15动起始电见下图，此时B，时电织针运行控制逻辑见下图 ，+，A+，0 0，C+ 0，0，-，6个逻辑为一个循环，往复运动，每一次变换运动方向都有一次加速，匀速，减速的控制过程。线圈驱动控制主要是依据计算好的参数，判断并计算电织针当前运动状态，并修正输出下一个逻辑状态。圈驱动时序图）由于系统运行行程以线圈宽度为单位，因此如下描述以15动起始时电织针位置如图最上面一相序图，此时B，后电织针运行控制逻辑依次向下，分别为：+，+，0 A+ 表示简称为正向电流）0，C+ -0，示简称为反向电流）0，0，0 磁直线电织针工作原理图每6个逻辑为一个往复循环，每一次变换运动方向都有一次加速，匀速，减速控制过程，软件上，依据霍尔位置检测传感器检测到的电平变化时间信号，软件计算出电织针相对磁极的位置，以及当前运动速度，然后依据这些参数，折算成可变