專利名稱：用來控制一種橫移裝置的方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明既涉及一種根據(jù)權(quán)利要求1的前序部分的用來控制由步進電動機驅(qū)動的一個橫移裝置的方法，又涉及一種根據(jù)權(quán)利要求11的前序部分的橫移裝置。
這樣一種方法和這樣一種裝置由EP 0 453,622得知，其中一個橫移裝置的一個橫移導(dǎo)紗器由一個步進電動機驅(qū)動以便放置紗線。為了在橫移行程內(nèi)前后驅(qū)動導(dǎo)紗器，把步進電動機的轉(zhuǎn)子運動直接傳遞到導(dǎo)紗器。在這種情況下，借助于皮帶驅(qū)動實現(xiàn)傳遞。
在紗的橫移過程中，非常重要的是，在橫移行程端部處橫移導(dǎo)紗器的換向點總是固定在相同的地方。而且，必須在橫移行程的端部，橫移導(dǎo)紗器非常迅速地減速失去引導(dǎo)速度并重新加速到引導(dǎo)速度。
為了滿足這些要求，在行程換向范圍內(nèi)步進電動機以較大公稱電流工作。這使步進電動機能夠產(chǎn)生較大轉(zhuǎn)矩。這樣一種電流增大與產(chǎn)生很高加速和減速必需的步進頻率相結(jié)合，導(dǎo)致步進電動機中的轉(zhuǎn)子過沖，過沖直接傳遞到橫移導(dǎo)紗器上。此外，這使轉(zhuǎn)子失去其步進序列。電流的增大要求相應(yīng)大功率的步進電動機。然而，在較大電動機中，轉(zhuǎn)矩增大一般導(dǎo)致較大的慣性矩，較大慣性矩不利于快加速和制動時間的實現(xiàn)。
與此不同，本發(fā)明的目的在于，既產(chǎn)生一種用來控制由步進電動機驅(qū)動的一個橫移裝置的方法，又產(chǎn)生一種其中通過步進電動機的最佳容量利用在換向范圍內(nèi)引導(dǎo)橫移導(dǎo)紗器的裝置。本發(fā)明的另一個目的在于，在行程換向范圍內(nèi)以盡可能小的振動驅(qū)動橫移導(dǎo)紗器。
根據(jù)本發(fā)明，通過一種具有權(quán)利要求1的特征的方法、和通過一種根據(jù)權(quán)利要求11的特征的裝置實現(xiàn)這種目的。
根據(jù)本發(fā)明的方法的具體優(yōu)點在于，步進電動機中產(chǎn)生的場參數(shù)直接用來控制橫移裝置。由于該方法基于步進電動機的定子磁通，所以實現(xiàn)了驅(qū)動的高動態(tài)閉環(huán)控制。
步進電動機的原理基于永久磁鐵型轉(zhuǎn)子在帶有幾個繞組的定子中轉(zhuǎn)動的事實。為了運動轉(zhuǎn)子，根據(jù)一個時間序列，向彼此相對偏置的繞組施加電流。這產(chǎn)生諸磁場，諸磁場與轉(zhuǎn)子的磁場相結(jié)合使轉(zhuǎn)子的運動變成可能。定子由多個繞組形成，繞組作為極對確定了步進電動機的步寬。因而通過定子中的磁通(定子磁通)和轉(zhuǎn)子中的磁通(轉(zhuǎn)子磁通)確定步進電動機轉(zhuǎn)矩。由于轉(zhuǎn)子是永久磁鐵的形式，所以轉(zhuǎn)子磁通不變，從而步進電動機轉(zhuǎn)矩基本上受定子磁通的幅值和相對于轉(zhuǎn)子磁通的角度影響。根據(jù)本發(fā)明的方法利用這種依賴性來控制轉(zhuǎn)子的運動，并因此控制橫移導(dǎo)紗器的運動。為了控制定子磁通，預(yù)先規(guī)定由一個磁通控制裝置產(chǎn)生的定子電壓。因而，通過用在每種情況下在定子繞組中預(yù)先規(guī)定的定子磁通來改變勵磁，而控制轉(zhuǎn)子的運動。
因此這里沒有預(yù)先規(guī)定的步進電動機電流。負載電流將依據(jù)步進電動機的工作點而自動設(shè)置。
本發(fā)明特別有利的改進提供了由步進電動機產(chǎn)生的轉(zhuǎn)矩的閉環(huán)控制。為此，一個轉(zhuǎn)矩調(diào)節(jié)器實現(xiàn)了實際轉(zhuǎn)矩與預(yù)定要求轉(zhuǎn)矩之間的要求/實際值比較。如有變化，產(chǎn)生一個對應(yīng)的轉(zhuǎn)矩校正值，該轉(zhuǎn)矩校正值轉(zhuǎn)換成定子電壓以便控制步進電動機。通過這種方法，在每種情況下，都能在橫移裝置中產(chǎn)生在橫移引導(dǎo)的每個位置足以引導(dǎo)橫移導(dǎo)紗器的轉(zhuǎn)矩和加速度。通過由轉(zhuǎn)矩閉環(huán)控制產(chǎn)生的定子電壓能調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)子的相位，即角速度。
根據(jù)本發(fā)明的帶有轉(zhuǎn)矩閉環(huán)控制的該方法的具體優(yōu)點在于，在轉(zhuǎn)子的每個位置能指定一個明確的轉(zhuǎn)矩。通過這種方法，實現(xiàn)步進電動機的優(yōu)化容量利用。
作用在轉(zhuǎn)子上的轉(zhuǎn)矩本質(zhì)上取決于轉(zhuǎn)子位置、轉(zhuǎn)子磁通和定子磁通。由于轉(zhuǎn)子具有恒定的轉(zhuǎn)子磁通，所以根據(jù)本發(fā)明特別有利的改進，僅由定子電流和定子磁通的電氣參數(shù)能計算實際轉(zhuǎn)矩。那么就有確定步進電動機的瞬時實際定子磁通的兩種可能性。
第一種可能性是，確定轉(zhuǎn)子位置而不用傳感器。在這種情況下，連續(xù)測量定子電壓和定子電流，并且把兩者在一個計算電路中以這種方式結(jié)合，從而得到依賴于轉(zhuǎn)子位置的定子磁通。然后使用定子磁通和定子電流，能夠確定實際轉(zhuǎn)矩，從而能把確定的實際轉(zhuǎn)矩與要求轉(zhuǎn)矩相比較。要求轉(zhuǎn)矩產(chǎn)生于橫移導(dǎo)紗器的運動定律，并且作為具體繞線定律的函數(shù)是已知的。在這種情況下，對于轉(zhuǎn)子的每個位置由橫移導(dǎo)紗器的位置和速度能預(yù)先確定該轉(zhuǎn)矩，并把該轉(zhuǎn)矩輸入到轉(zhuǎn)矩調(diào)節(jié)器中。
在該方法特別有利的變形中，轉(zhuǎn)子的角位置由一個傳感器檢測，并且轉(zhuǎn)子的角位置包括在步進電動機的閉環(huán)控制中。如果使這些位置信號與轉(zhuǎn)子相位平衡，則得到一個標準化的轉(zhuǎn)子磁通信號。這些標準化的轉(zhuǎn)子磁通信號能便利地轉(zhuǎn)換成相應(yīng)的定子磁通信號。因而得知定子磁通。
在該方法的最佳改進中，實際定子磁通被連續(xù)地確定，并供給到一個用于實際/要求值比較的磁通調(diào)節(jié)器。這種閉環(huán)控制便利地提供干擾影響的直接校正。精確重復(fù)橫移導(dǎo)紗器運動所要求的定子磁通輪廓能輸入給步進電動機。由于定子磁通的相位本質(zhì)上影響著轉(zhuǎn)矩的增大，而定子磁通的幅值確定轉(zhuǎn)矩的絕對值，所以如果除轉(zhuǎn)矩閉環(huán)控制之外也實現(xiàn)磁通閉環(huán)控制，則實現(xiàn)步進電動機的優(yōu)化容量利用。
在這種情況下，能把由調(diào)節(jié)器產(chǎn)生的定子電壓便利地直接供給一個脈沖寬度調(diào)制器，以便驅(qū)動一個轉(zhuǎn)換器。因而用橫移裝置能進行諸如隨機繞線、精確繞線等之類的所有通常類型的繞線和橫移行程變化。
本發(fā)明進一步的有利改進在從屬權(quán)利要求中限定。
參照附圖利用實施例更充分地描述根據(jù)本發(fā)明的方法的進一步優(yōu)點和改進，在附圖中

圖1是根據(jù)本發(fā)明的一種橫移裝置的示意描繪；圖2是帶有兩個定子繞組的一種步進電動機的示意描繪；圖3表示一種磁通控制裝置的示意結(jié)構(gòu)；圖4表示一種步進電動機的等效電路圖；圖5表示在定子固定的坐標系中的定子磁通和轉(zhuǎn)子磁通；圖6表示磁通控制裝置的方塊圖。
圖1是一種橫移裝置的示意描繪。這里，借助于一個步進電動機4，在橫移行程內(nèi)前后運動橫移導(dǎo)紗器8。借助于一根皮帶7把運動從步進電動機4傳遞到導(dǎo)紗器8。皮帶7繞皮帶輪6、9和11通過。橫移導(dǎo)紗器8牢固地固定到環(huán)狀皮帶7上，并且在皮帶輪11與9之間的皮帶7上被前后引導(dǎo)。皮帶輪11可轉(zhuǎn)動地安裝在一根軸12上，而皮帶輪9可轉(zhuǎn)動地安裝在軸10上。皮帶輪6聯(lián)接到一根由步進電動機4的轉(zhuǎn)子以交替轉(zhuǎn)動方向驅(qū)動的轉(zhuǎn)子軸5上。步進電動機4經(jīng)一個控制單元22驅(qū)動。為此，控制單元22包括一個轉(zhuǎn)換器2和一個磁通控制裝置1。磁通控制裝置1借助于一根控制線23和一根信號線24連接到轉(zhuǎn)換器2上。磁通控制裝置1連接到一個檢測轉(zhuǎn)子或轉(zhuǎn)子軸5的位置的傳感器3上。磁通控制裝置還包括一個輸入端，該輸入端用于橫移系統(tǒng)所要求的輸入。
位于皮帶驅(qū)動下方、平行于張緊在皮帶輪9與11之間的皮帶7的是一個繞線錠子15，在繞線錠子15上連接有一個線軸殼體14。一個線軸13纏繞到殼體14上。為此，一根紗線由橫移導(dǎo)紗器8沿線軸的表面前后放置，橫移導(dǎo)紗器8的每個位置給定步進電動機中轉(zhuǎn)子的一個明確的角位置。因而對于每個橫移導(dǎo)紗器位置，經(jīng)磁通控制裝置1能把用來影響轉(zhuǎn)子所必需的磁場參數(shù)輸入給步進電動機4。
參照圖2中所示的示意表示，能按如下描述步進電動機的操作。
步進電動機4包括至少兩個彼此相對偏置90°的繞組16和17。轉(zhuǎn)換器2根據(jù)預(yù)定的時間序列交替地觸發(fā)繞組16和17，一個具有磁通ψS的磁場建立在繞組的每一個中。一個負載電流(定子電流)iS在繞組中流動。然后一個安裝在繞組中心的轉(zhuǎn)子(這里沒有表示)靠其永久磁場運動。一個傳感器3聯(lián)接到步進電動機上，以便檢測轉(zhuǎn)子的位置。傳感器3這樣設(shè)計，從而使傳感器的步數(shù)可由步進電動機的極對數(shù)整除。因而其信號既能用于轉(zhuǎn)子位置的閉環(huán)控制，又能用于定子磁通的確定。如果使用一個其中齒數(shù)與電動機極對數(shù)相同的齒輪，則得到特別簡單的比值。借助于兩個為以下目的對于齒節(jié)距具有90°偏移的磁控電阻，得到一個正弦信號和一個余弦信號。如果使這些信號與轉(zhuǎn)子相位平衡，則得到一個標準化的轉(zhuǎn)子磁通信號。
然后把瞬時定子電流iS和傳感器信號φ供給到磁通控制器的一個變壓器18，如圖3中所示。磁通控制裝置示意地描繪在圖3中，其中矢量參數(shù)用一個箭頭指示。
由定子電流和傳感器信號φ，變壓器18確定定子磁通ψS的實際值。定子磁通的實際值然后供給到一個磁通調(diào)節(jié)器20，并且同時供給到一個轉(zhuǎn)矩調(diào)節(jié)器19。然后直接在磁通調(diào)節(jié)器20的輸入端，把定子磁通的瞬時實際值與定子磁通的預(yù)定要求值相比較。如有變化，則磁通調(diào)節(jié)器20將產(chǎn)生一個供給到一個脈沖寬度調(diào)制器21的電壓信號，脈沖寬度調(diào)制器21連接到轉(zhuǎn)換器2上。在磁通閉環(huán)控制的同時，在轉(zhuǎn)矩調(diào)節(jié)器19中進行轉(zhuǎn)矩預(yù)定要求值與步進電動機轉(zhuǎn)矩實際值之間的比較。這里，由供給的參數(shù)定子電流iS和定子磁通ψS確定實際轉(zhuǎn)矩。如有變化，轉(zhuǎn)矩調(diào)節(jié)器19同樣產(chǎn)生一個供給到脈沖寬度調(diào)制器21的電壓信號。在這種情況下的定子電壓uS由一個轉(zhuǎn)矩形成分量uM和一個磁通形成分量uψ組成，下面將更詳細地討論兩者之間的關(guān)系。
參照圖4所示的等效電路圖和圖5所示的矢量圖，進一步描述步進電動機。在定子固定的坐標系中把機器參數(shù)理解為空間矢量，坐標系的α軸與機器纏繞軸一致，而β軸正交于α軸。因而根據(jù)如下公式能計算兩相步進電動機的轉(zhuǎn)矩M=p*l/L*｜ψS｜*｜ψR|*sinδ其中p是步進電動機的極對數(shù)，而δ是定子磁通空間矢量與轉(zhuǎn)子磁通空間矢量之間的角度。使用如下公式由定子電壓uS能直接確定定子磁通ψSψS=∫(uS-iS*R)*dt與此不同，由于永久激勵，不能影響轉(zhuǎn)子磁通的幅值。其位置僅取決于轉(zhuǎn)子的位置。為了實現(xiàn)機器的優(yōu)化利用，定子磁通空間矢量的點應(yīng)該在一條圓形路徑上運動。這可以這樣來實現(xiàn)，把電壓空間矢量uM連接到其方向正交于定子磁通方向的繞組上。由于定子磁通ψS實質(zhì)上是定子電壓的積分，所以這樣一個電壓空間矢量代替轉(zhuǎn)動中的定子磁通空間矢量ψS。然而，這個電壓空間矢量單獨只能影響角速度ω，而不能影響定子磁通的幅值。因此需要另一個電壓空間矢量uψ,uψ指向定子磁通空間矢量ψS的方向。因而作為兩個分量uM與uψ之和得到定子電壓uS。
對于機器的理想空轉(zhuǎn)M=0,ψS和ψR必須旋轉(zhuǎn)一致。如果隨后轉(zhuǎn)矩迅速升高，則必須大大地增大電壓空間矢量uM。這立即增大定子磁通空間矢量的角速度ωS，而轉(zhuǎn)子磁通空間矢量由于其對轉(zhuǎn)子位置的固定連接，起初繼續(xù)以其舊的、較慢的角速度旋轉(zhuǎn)。因此定子磁通空間矢量與轉(zhuǎn)子磁通空間矢量之間的角度δ和轉(zhuǎn)矩隨后隨角速度差而增大。如果達到要求的轉(zhuǎn)矩基準值，則必須再次把電壓幅值從uM減小到一個較低的值。同時，必須調(diào)節(jié)uψ，因為由于負載電流的增大，在定子電阻R上相對于ψS方向的電壓降分量(iS*R)增大。因而由定子電壓uS能確定和控制步進電動機中定子磁通的幅值和相位。在適當標準化之后，定子電壓的輸出信號能直接用作一個脈沖寬度調(diào)制器的輸入信號。然而，必須注意，僅在其中轉(zhuǎn)換器實際繼續(xù)加脈沖的時間間隔內(nèi)，才能影響電壓空間矢量。
如果定子磁通的確定與位置閉環(huán)控制相結(jié)合，則由如下公式能計算定子磁通ψSψS=ψR+iS*L使用如圖2中所示的確定的正弦和余弦轉(zhuǎn)子信號、和一個恒定的轉(zhuǎn)子磁通公稱值，相對于定子坐標系得到如下定子磁通ψS,α=ψo*cosφ+iS,α*LψS,β=ψo*sinφ+iS,β*L然后能把定子磁通的這些實際值供給到一個磁通調(diào)節(jié)器或一個轉(zhuǎn)矩調(diào)節(jié)器。
圖6表示一種組合的定子磁通和轉(zhuǎn)矩調(diào)節(jié)器的方塊圖。這里，由實際定子磁通和定子電流按如下計算一個實際轉(zhuǎn)矩M=p(ψS,α*iS,β)-(ψS,β*iS,α)轉(zhuǎn)矩的確定實際值供給到一個轉(zhuǎn)矩調(diào)節(jié)器，該轉(zhuǎn)矩調(diào)節(jié)器實現(xiàn)實際/要求值比較。如果確定了變化，則產(chǎn)生一個轉(zhuǎn)矩校正值kM。通過采用關(guān)系uM=jkM*ψS，把校正值轉(zhuǎn)換成一個定子電壓，并且供給到一個脈沖寬度調(diào)制器，以便控制轉(zhuǎn)換器。同時實現(xiàn)磁通閉環(huán)控制，并且在轉(zhuǎn)矩閉環(huán)控制的同時，在標準化之后把定子磁通與要求的定子磁通調(diào)節(jié)器輸入相比較。如有變化，則磁通調(diào)節(jié)器將產(chǎn)生一個磁通校正值kψ。通過利用關(guān)系uψ=jkψ*ψS，得到同樣供給到脈沖寬度調(diào)制器的一個電壓值。
借助于這種閉環(huán)控制，通過電動機轉(zhuǎn)矩的直接控制能消除在迅速換向操作情況下在步進電動機中常常發(fā)生的振動，從而在橫移行程的端部范圍內(nèi)能可靠地引導(dǎo)橫移導(dǎo)紗器而沒有振動。結(jié)果，有可能實現(xiàn)比一般僅具有開環(huán)控制的操作更好的電動機容量利用。
標號表1磁通控制器2轉(zhuǎn)換器3傳感器
4步進電動機5轉(zhuǎn)子軸6皮帶輪7皮帶8橫移導(dǎo)紗器9皮帶輪10軸11皮帶輪12軸13線軸14線軸殼體15繞線錠子16繞組17繞組18變壓器19轉(zhuǎn)矩調(diào)節(jié)器20磁通調(diào)節(jié)器21脈沖寬度調(diào)制器22控制單元23控制線24信號線
權(quán)利要求
1．用來控制一種橫移裝置的方法，其中橫移裝置的一個橫移導(dǎo)紗器在橫移行程內(nèi)由一個可控步進電動機前后驅(qū)動，并且其中橫移導(dǎo)紗器的位置和速度由步進電動機的轉(zhuǎn)子確定，轉(zhuǎn)子在帶有幾個繞組的步進電動機的一個定子中運動，其特征在于一個定子電壓借助于一個磁通控制裝置連續(xù)地產(chǎn)生，并且供給到步進電動機，從而由定子磁通控制轉(zhuǎn)子的運動，定子磁通由定子電壓確定。
2．根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于連續(xù)確定作用在轉(zhuǎn)子上的一個實際轉(zhuǎn)矩(M實際)，把實際轉(zhuǎn)矩(M實際)供給到一個轉(zhuǎn)矩調(diào)節(jié)器，在實際轉(zhuǎn)矩(M實際)與預(yù)定要求轉(zhuǎn)矩(M要求)之間的實際/要求值比較之后，轉(zhuǎn)矩調(diào)節(jié)器產(chǎn)生一個轉(zhuǎn)矩校正值(kM)，并且把轉(zhuǎn)矩校正值(kM)轉(zhuǎn)換成定子電壓(uM)。
3．根據(jù)權(quán)利要求2所述的方法，其特征在于對于一個恒定轉(zhuǎn)子磁通(ψM)，由一個連續(xù)測量的定子電流(iS)和一個實際定子磁通(ψS)計算實際轉(zhuǎn)矩(M實際)。
4．根據(jù)權(quán)利要求3所述的方法，其特征在于借助于一個計算電路由一個定子電壓(uS)和定子電流(iS)確定實際定子磁通(ψS)。
5．根據(jù)權(quán)利要求3所述的方法，其特征在于由轉(zhuǎn)子的角位置(φ)和定子電流(iS)確定實際定子磁通(ψS)，轉(zhuǎn)子的角位置(φ)由一個位置傳感器測量，并且由傳感器信號、轉(zhuǎn)子磁通(ψR)和定子電流(iS)計算實際定子磁通(ψS)。
6．根據(jù)權(quán)利要求2至5任一項所述的方法，其特征在于在橫移行程內(nèi)由橫移導(dǎo)紗器的位置和速度確定要求轉(zhuǎn)矩(M要求)。
7．根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于把實際定子磁通(ψS)供給到一個磁通調(diào)節(jié)器，在實際定子磁通(ψS)與一個要求定子磁通(ψ要求)之間的實際/要求值比較之后，磁通調(diào)節(jié)器產(chǎn)生一個磁通校正值(kψ)，并且把磁通校正值(kψ)轉(zhuǎn)換成定子電壓(uψ)，以便控制步進電動機。
8．根據(jù)權(quán)利要求1至7任一項所述的方法，其特征在于把實際定子磁通(ψS)供給到一個磁通調(diào)節(jié)器，在實際定子磁通(ψS)與一個要求定子磁通(ψ要求)之間的實際/要求值比較之后，磁通調(diào)節(jié)器產(chǎn)生一個磁通校正值(kψ)以便控制步進電動機，并且把磁通校正值(kψ)和轉(zhuǎn)矩校正值(kM)轉(zhuǎn)換成一個定子電壓(uS)。
9．根據(jù)權(quán)利要求1至8任一項所述的方法，其特征在于把定子電壓供給到一個脈沖寬度調(diào)制器。
10．根據(jù)權(quán)利要求1至9任一項所述的方法，其特征在于諸調(diào)節(jié)器每個包括一個比例部分和一個積分部分。
11．橫移裝置，用來借助于一個在橫移行程內(nèi)前后運動的橫移導(dǎo)紗器(8)放置紗線，該橫移裝置帶有一個步進電動機(4)，驅(qū)動橫移導(dǎo)紗器(8)；和一個控制單元(22)，連接到步進電動機(4)上，并且以這樣一種方式控制步進電動機(4)，從而使橫移導(dǎo)紗器(8)的位置和速度由步進電動機(4)的一個轉(zhuǎn)子(5)確定；其特征在于控制單元(22)帶有一個磁通控制裝置(1)和一個轉(zhuǎn)換器(2)，磁通控制裝置(1)連接到轉(zhuǎn)換器(2)上，及磁通控制裝置(1)產(chǎn)生一個定子電壓，且把定子電壓供給到轉(zhuǎn)換器(2)，以便控制步進電動機(4)。
12．根據(jù)權(quán)利要求11所述的橫移裝置，其特征在于磁通控制裝置(1)包括其輸出信號借助于一個脈沖寬度調(diào)制器(21)供給到轉(zhuǎn)換器(2)的一個轉(zhuǎn)矩調(diào)節(jié)器(19)和/或一個磁通調(diào)節(jié)器(20)。
13．根據(jù)權(quán)利要求11或12所述的橫移裝置，其特征在于磁通控制裝置(1)連接到位于步進電動機(4)上的一個位置傳感器(3)上，位置傳感器(3)檢測轉(zhuǎn)子(5)的角位置。
全文摘要
本發(fā)明既涉及一種用來控制由步進電動機驅(qū)動的一個橫移裝置的方法,又涉及一種其中通過步進電動機的轉(zhuǎn)子位置確定在換向范圍內(nèi)前后運動的橫移導(dǎo)紗器的位置的橫移裝置,轉(zhuǎn)子在帶有幾個繞組的步進電動機的定子內(nèi)運動。根據(jù)本發(fā)明,由定子磁通控制轉(zhuǎn)子的運動,定子磁通由借助于一個磁通控制裝置產(chǎn)生的一個定子電壓來確定。
文檔編號B65H54/28GK1220641SQ98800306
公開日1999年6月23日 申請日期1998年3月16日 優(yōu)先權(quán)日1997年3月20日
發(fā)明者厄維·巴德 申請人:巴馬格股份公司