| 化纤卷丝机变频控制器的设计
钟莉娟， 田书欣， 颜伟鹏，杨喜军， 姜建国
(上海交通大学电气工程系，上海200240)
摘要：为r节能降耗、提高生产率和自动化水平，化纤卷丝机已广泛采用变频调速控制系统。在理论分析和仿真分析比较采用正弦脉宽调制(sPwM)和谐波注入脉宽调制(PwM)逆变器电动机传动系统中，基于逆变器开关损耗公式，设计和实现了一种开关损耗可计、额定功率250 w的化纤卷丝机变频调速控制器。采用增量积分分离式PID控制策略，实现了卷丝机吊杆升头平稳控制和运行中恒定张力控制，试验结果表明该卷丝机变频调速系统运行可靠，逆变器sPM模块的长期运行温升不超过50oc，可满足实际生产需要。
关键词：化纤卷丝机；张力控制；变频器
0 引 言
随着电力电子技术、计算机技术、自动控制技术的发展，微机控制的变频器在提高自动化水平上起了很大作用。尤其在环保和节能越来越重要的当今工业领域，变频调速技术以其显著的节电效果和优良的调速性能，广泛应用于化纤卷丝生产设备上。卷丝张力是卷丝工艺中决定产品质量和生产效率的重要参数，保持恒定适当的绕线张力非常重要：张力适当，能使得卷成的筒子成形良好、结构紧密而不损伤纱线的物理机械性能；张力过大，将使纱线丧失弹性，不利于织造；若张力过小，会使筒子成形不良，易塌边脱圈，且断头时纱线容易嵌入筒子内部，接头时不易找头，进而降低工作效率。因此，绕线过程中，必须控制纱线的张力，使张力适度、均匀，尽量减少纱线的张力波动，从而使筒子卷绕密度达到内外均匀一致，保证筒子成形良好。另一方面，化纤厂环境恶劣，存在有腐蚀性气体，电路板需要密封安装，不易散热，同时存在电磁环境恶劣等问题。综上所述，为解决上述问题，运用逆变器的谐波注入脉宽调制(PwM)算法、积分分离增量式PI张力控制策略，设计实现了一套额定功率为250 w的化纤卷丝机变频调速系统，可满足生产要求。
1谐波注入PwM的原理
1．1 三次谐波注入逆变器损耗计算
单相交流供电的交-直-交变频器的功率电路如图l所示，图中发热器件主要包括整流桥二极管和逆变器绝缘栅双极晶体管(IGBT)及续流二极管。整流桥的损耗与二极管的导通角、通过电流波形、负载大小、二极管的开关特性、电解电容容量等因素有关，逆变器的损耗与负载大小、负载特性、IGBT及续流二极管的开关特性、开关频率和调制算法等因素有关。鉴于整流桥的损耗不可控，本文只关心逆变器的损耗。忽略断态损耗后，IGBT的损耗主要包括通态损耗、开通损耗、关断损耗。续流二极管的损耗主要包括通态损耗和关断损耗．
对于常规正弦脉宽调制(sPwM)算法，给定初相为零的三相期望输出相电压函数：
假设电压源逆变器一电动机传动系统工作在正常的电动状态，电动机定子电流为正弦波型，负载角即电动机定子侧功率因数角为θ，根据逆变器的IGBT调制原理及其反并联续流二极管的续流过程跨越时间各占半个电动机输入周期，脉冲宽度按照正弦半波规律分布，可以推导出每只IGBT的通态平均功耗为：
其中：积分上下限为[O，π]；Ipsinωot为电动机定子正弦电流；L为电动机定子正弦电流峰值；Vce(sat)(@Ipsin ωot)为电动机定子正弦电流时IGBT的饱和压降，即通态电压；[1+msin(ωot+θ)]／2表示驱动脉冲的占空比；m代表驱动脉冲的调制度；ω代表电动机基波电压角频率。不同负载电流所引起的饱和压降，应查阅IGBT相应的饱和压降一通态电流曲线。
可以推导出每只FwD的通态平均功耗为：
其中：积分上下限为[π，2π]；-Ipsinωot表示正的电动机定子正弦电流；Vce[@(-Ipsinωot)]表示电动机定子正弦电流时FwD的饱和压降。不同负载电流所引起的饱和压降，应查阅相应曲线。
可以推导出每只IGBT的开关平均功耗为：
其中：积分上下限为[O，π]；Eon[@(Ipsinωot)]表示不同电动机正弦电流瞬时值时的开通能量；Eoff[@(Ipsinωot)]表示不同电动机正弦电流瞬时值时的关断能量；fc代表载波频率，即开关频率。不同负载电流时所需的开关平均能量，应查阅相应曲线。
可以推导出每只FwD的开关平均功耗为：
]其中：积分上下限为[0，π]；Eerr[@(Iepsinωot)]表示不同电动机正弦电流瞬时值时FwD的反向回复能量。不同负载电流时所需的恢复能量，可以查阅相应曲线.
对于三次谐波注入的PwM算法，给定初相为零的三相期望输出相电压函数：
谐波注入各种PwM时，逆变器功率损耗计算公式的型式与上述公式型式相同，但需要将描述占空比[1+msin(ωot+θ)]／2的项改为{1+m·[sin(ωot+θ)+sin(3ωot+3θ)／6]}／2或{l+m·[sin(ωot+θ)+sin(3ωot+3θ)／9]}／2。
1．2逆变器的损耗仿真
基于MATLAB／simIllink建立开关器件sPwM及谐波注入PwM逆变器的损耗仿真平台。完成了包括sPwM、鞍形波注入PwM、梯形波注入PWM算法仿真，仿真平台如图2所示。仿真中忽略了死区时间，得到了所有器件的导通电流波形，其中sPwM逆变器、鞍形波注入PwM的仿真波形分别如图3、4所示。两图中由上到下波形分别为：IGBT s1、IGBT l蚪、FwDl、FwD4、负载电流、IGBT sl驱动脉冲、u相目标函数。导通损耗受到负载角、死区时间等因素影响，情况比较复杂，详细分析本文暂不提供。
2 谐波注入PwM逆变器的设计
化纤卷丝机变频调速系统硬件设计包括以下几个重要部分：不控整流器部分、开关电源部分、逆变器部分、角度位移检测部分、通信与lI／O接口部分、检测与保护部分及微控制器部分。软件设计包括以下几个重要部分：谐波注入PwM算法，卷丝张力闭环控制程序，过流欠压保护程序，动态PwM控制程序、A／D转换与滤波程序。
2．1硬件电路设计
按照****功率300 w容量来设计这个硬件电路，采用单相220 V交流电压供电。变频器的前级电路即不控整流与滤波电路包括网侧电磁干扰(EMI)滤波电路、单相不控整流与滤波电路和直流电压分压电路，后者为微控制器提供直流电压的瞬时值，用于动态PWM和电网欠压与过压保护。
变频器的后级电路即逆变器电路如图5所示，包括三相逆变桥智能sPM模块和自举电源电路，用于完成开关损耗最小PwM逆变和过流、过载保护。sPM模块采用飞兆推出的FsBslOCHt60，600 v／10 A／壳温25oc，支持开关频率20 kHz，死区时间为2μs，具有短路、过温和驱动欠压保护。
变频器的控制电路如图6所示，包括微控制器及其外围电路、sp485RCN接口电路和24c16BEEPROM读写电路，其中微控制器采用sT推出的sT7MclK26T，8位Mcu，资源丰富，10位16路A／D转换器，6路高汇流PwM输出通道，可以用于逆变器一电动机传动系统的PwM设计。
变频器一电动机一卷丝机调速系统的目标是通过检测卷丝机吊杆的旋转角度位置的变化来判断卷丝张力的变化。吊杆跌落平衡位置表明张力变小，应该升频增加张力；吊杆超出平衡位置表明张力变大，应该降频减小张力。引起张力变化的主要因素有以下几点：凸轮的往复运动引起的有规律扰动，张力调节装置的状态，挤丝机出丝的速度和丝的特征，线轴绕线厚度，室内环境和EMI引起的系统扰动，调速本身的调速精度等。吊杆摆动范围设有下限和上限，正常运行时吊杆应该处于水平略偏下的位置，受凸轮的往复运动上下摆动。吊杆摆动实际上就是圆周旋转运动，是卷丝张力变化的直接体现，因此吊杆摆动状况可以采用一维角度位移传感器来检测，鉴于角度位移传感器内部电桥输出电压为mV以下，还必须经过差动放大、滤波得到0～5 v的电压信号。
角度位移检测电路如图7所示，其中角度位移传感器采用Honeyweu推出的HMcl50l，采用铝镍钴或陶瓷磁钢，角度测量范围宽，在±45。内具有<0．07。的分辨率，在+5 V电源供电时有120Mvde满量程输出。该电路运放采用轨对轨高性能运放LMv324，位移检测电路中还设置了温度补偿功能。随着线轴绕线厚度的增加，电动机供电频率相应下降。
2．2软件编程设计
卷丝机变频器的设计按照谐波注入PwM算法和卷丝机调速工艺而设计，并具有与上位机通信及外部控制功能，主要控制软件设计包括谐波注入PwM算法软件设计、卷丝张力积分分离增量式PID闭环控制程序的设计两部分。开关频率设置为10 kHz，频率分辨率设置为O．5 Hz，起动频率设置为2．0 Hz。控制的核心问题是：不论何种原因造成吊杆偏离平衡位置，控制器通过调节电动机的转速，将吊杆快速稳定在平衡位置，摆幅越小越好。设计中，将吊杆期望平衡位置作为吊杆控制目标，采用积分分离式PID闭环控制。在普通PID控制中引入积分环节的目的是为了消除静差。但在过程的起动、结束或大幅度增减设定时，短时间内系统输出有很大的偏差，会造成PID运算的积分累积，致使控制量超过执行机构可能允许的****动作范围对应的极限控制量，引起系统较大的超调，甚至引起系统较大的振荡，这在生产中是不允许的。积分分离控制器基本思路是：当被控量与设定值偏差较大时，取消积分作用，以免由于积分作用使系统稳定性降低，超调量增大；当被控量接近给定值时，引入积分控制，以便消除静差，提高控制精度。相比常规PID控制器，该控制具有在线参数整定功能，对非线性、时变且受随机干扰的卷丝张力控制系统可获得较好的控制性能。该积分分离式PID调节器控制流程见图8。
3 试验验证
卷丝机变频控制器的硬件电路设计、软件编程设计、Pl调节控制器设计得到了某厂卷丝机实际运行验证，现场测试了大量的数据和波形，证实了初步设计效果良好。其中某一工况下电动机一相定子电流波形如图9所示，可以看出电流稳定。现场环境温度为35oc，实测sPM的壳温低于75oc，说明采用谐波注入调制策略的卷丝机变频控制器工作性能可靠。
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