摘要：本文介紹了電錠式倍捻機(jī)根據(jù)產(chǎn)品特性對(duì)無(wú)刷直流電機(jī)快速制動(dòng)的工藝要求，簡(jiǎn)單介紹了直流電機(jī)幾種制動(dòng)方式及特點(diǎn)，并闡述了無(wú)刷直流電機(jī)制動(dòng)在電錠式倍捻機(jī)工藝要求和技術(shù)指標(biāo)等方面的具體應(yīng)用。

關(guān)鍵字：電錠式倍捻機(jī) 無(wú)刷直流電機(jī) 電機(jī)制動(dòng) 工藝要求 穩(wěn)定性

Abstract   The article describes the electric spindle Twister fast brushless DC motor based on product characteristics braking process requirements. Brief introductions to several braking method and characteristics of brushless DC motor braking in electric spindle Twister process requirements, and technical indicators application.

Key Words   Electrical spindle Two-for-one Twister, Brushless DC motor, motor brake, technology require, stability.

1、 紡織行業(yè)對(duì)電錠式倍捻機(jī)電機(jī)快速制動(dòng)的要求

      傳統(tǒng)倍捻機(jī)都采用龍帶傳動(dòng)或錠帶傳動(dòng)的方式驅(qū)動(dòng)錠子，具有諸多弊端，比如耗電量大、噪聲大、紗線(xiàn)質(zhì)量低等，已經(jīng)不符合節(jié)能環(huán)保型生產(chǎn)的時(shí)代潮流。電錠式短纖倍捻機(jī)顛覆了傳統(tǒng)的龍帶傳動(dòng)形式而以單錠驅(qū)動(dòng)的模式替代，該型號(hào)倍捻機(jī)的機(jī)電一體化程度是目前國(guó)內(nèi)同類(lèi)產(chǎn)品最先進(jìn)的，在高效節(jié)能降耗方面的優(yōu)勢(shì)更有著突出的表現(xiàn)，實(shí)現(xiàn)更高的加捻速度和生產(chǎn)效率，降低能耗和噪聲，滿(mǎn)足高質(zhì)量的捻度和成型指標(biāo)，引領(lǐng)了該行業(yè)的發(fā)展方向，同時(shí)也帶動(dòng)了我國(guó)相關(guān)行業(yè)的技術(shù)進(jìn)步。

      倍捻機(jī)作為后紡最后一道工序，捻度的CV值最終決定了紗線(xiàn)的出廠質(zhì)量和價(jià)值，工藝要求的不斷增加使得很多紡織廠對(duì)電氣控制的精準(zhǔn)性和穩(wěn)定性、成本，以及工藝的適用性也提出了更高的要求。當(dāng)倍捻機(jī)出現(xiàn)斷紗或錠子長(zhǎng)時(shí)間速度偏低等故障現(xiàn)象以及紡織工人發(fā)現(xiàn)故障按下停機(jī)按鈕時(shí)，為了減少損失和降低接頭處捻度的不勻率，要求電機(jī)迅速制動(dòng)，該電錠式倍捻機(jī)工藝要求在4S以?xún)?nèi)。

2、直流電機(jī)快速制動(dòng)的方式對(duì)比

      該型無(wú)刷直流電機(jī)將繞組（線(xiàn)圈元件）安裝在定子上，9根引出線(xiàn)分別接到9組半橋電路的中點(diǎn)，轉(zhuǎn)子位于任意位置時(shí)，都只開(kāi)通某個(gè)半橋電路的上橋臂功率管和另一個(gè)半橋電路的下橋臂功率管，關(guān)閉剩余橋臂的功率管；當(dāng)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)過(guò)一定角度時(shí)，功率管的開(kāi)通或關(guān)斷作出相應(yīng)的調(diào)整，從而實(shí)現(xiàn)了電子換向。

      一般無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)有3種制動(dòng)方式：反接制動(dòng)、繞組短接制動(dòng)和能量回饋制動(dòng)。

      2.1反接制動(dòng)

      與繞組短接制動(dòng)和能量回饋制動(dòng)相比，反接制動(dòng)的效果最好，尤其是電機(jī)中低速運(yùn)行時(shí)，可以達(dá)到迅速制動(dòng)的目的。但是，在中高速時(shí)繞組電流過(guò)大，需要選擇適當(dāng)?shù)倪^(guò)流檢測(cè)和保護(hù)措施。

圖1反接制動(dòng)時(shí)電流流向圖

      電機(jī)CW方向運(yùn)行時(shí)，在第一區(qū)域需要開(kāi)通2號(hào)和 號(hào)功率管以產(chǎn)生正轉(zhuǎn)矩。如圖1所示，如果此時(shí)只開(kāi)通3號(hào)和 號(hào)功率管，則a、b支路的電流迅速減小并反向流通，最終會(huì)產(chǎn)生制動(dòng)轉(zhuǎn)矩（圖1中以產(chǎn)生制動(dòng)轉(zhuǎn)矩的電流方向?yàn)閰⒖挤较颍?/p>

      由式(2-1)可知，反接制動(dòng)時(shí)，流過(guò)功率管的電流會(huì)迅速增大，直到過(guò)流保護(hù)動(dòng)作，關(guān)斷PWM。極端情況下，過(guò)流一直出現(xiàn)，等效于PWM占空比D=0， 號(hào)功率管的反并聯(lián)二極管續(xù)流，經(jīng)a、b支路后，再流過(guò) 號(hào)功率管，產(chǎn)生“環(huán)流”現(xiàn)象。此時(shí)的電動(dòng)機(jī)工作在發(fā)電狀態(tài)，由于中高速時(shí)電動(dòng)勢(shì)較大，環(huán)流出現(xiàn)后，電流可能會(huì)繼續(xù)增大，甚至損壞功率管。為了保護(hù)功率管的正常工作，需要過(guò)流關(guān)斷PWM的同時(shí)，關(guān)斷 號(hào)功率管，這時(shí)進(jìn)入能量回饋制動(dòng)狀態(tài)，可以抑制電流繼續(xù)增大。

      然而這種方案在換向過(guò)程中會(huì)失效，如圖2所示，直流母線(xiàn)負(fù)端的采樣電阻上流過(guò)的電流為(I_b-I_c)，而流過(guò)3號(hào)功率管的電流為(I_a+I_b)。所以，常用的直流母線(xiàn)負(fù)端串檢測(cè)電阻的方案不能檢測(cè)到換向過(guò)程中流過(guò)功率管的真實(shí)電流，進(jìn)而對(duì)過(guò)電流采取適當(dāng)?shù)谋Ｗo(hù)措施。理論上可行的一種方案是，9組半橋的下橋臂發(fā)射極各串入一檢測(cè)電阻，但這種方案需要9個(gè)采樣電路可行性較差。

圖2反接制動(dòng)的換向過(guò)程

      2.2繞組短接制動(dòng)

      圖3繞組短接制動(dòng)時(shí)電流流向圖

      繞組短接制動(dòng)時(shí)，上橋臂的9個(gè)功率管全關(guān)斷，下橋臂的9個(gè)功率管全開(kāi)通。假設(shè)某時(shí)刻電流流向如圖3所示，i₁35，i₅>i₇>i₉，i₂46，i₆>i₈，忽略功率管上的壓降，則等效于每個(gè)線(xiàn)圈元件都首尾相連，那么各線(xiàn)圈元件中的電流僅與自身的反電勢(shì)和繞組電抗有關(guān)，當(dāng)電機(jī)轉(zhuǎn)速比較高時(shí)，線(xiàn)圈中的反電勢(shì)較大，線(xiàn)圈電流也會(huì)比較大。電機(jī)轉(zhuǎn)速不變時(shí)，線(xiàn)圈電流與反電勢(shì)一樣，都是正弦波波形。然而，流過(guò)功率管的電流則可能比線(xiàn)圈電流的峰值小很多，流過(guò) 、 號(hào)功率管的電流值僅為(i₈+i₁)和(i₂+i₉)，流過(guò)其他功率管的電流值都是相鄰線(xiàn)圈電流值相減。繞組短接制動(dòng)方案比較簡(jiǎn)單，流過(guò)功率管的電流也可以承受，因此該型直流無(wú)刷電機(jī)選用繞組短接制動(dòng)方案。

3、電機(jī)快速制動(dòng)在電錠式倍捻機(jī)中的實(shí)現(xiàn)及效果

      3.1無(wú)刷直流電機(jī)制動(dòng)的實(shí)現(xiàn)

      繞組短接制動(dòng)時(shí)制動(dòng)轉(zhuǎn)矩過(guò)大，容易對(duì)電機(jī)軸承造成沖擊，影響電機(jī)的使用壽命，我們希望制動(dòng)過(guò)程是快速且勻減速過(guò)程，因此，在控制器采用一種PWM調(diào)制的速度閉環(huán)繞組短接制動(dòng)。DSP芯片的PWM1口輸出的啟動(dòng)/停止信號(hào)ST控制環(huán)形分配電路（EPLD芯片）的輸出信號(hào)。ST=0（低電平），表示啟動(dòng)，EPLD芯片按環(huán)形分配表輸出信號(hào)；ST=1（高電平），表示停止，EPLD芯片控制9個(gè)上橋臂全關(guān)斷，9個(gè)下橋臂全開(kāi)通。當(dāng)DSP收到停機(jī)信號(hào)時(shí)，立即關(guān)閉PWM信號(hào)（占空比D=0，即關(guān)閉PWM0口）。設(shè)定一條電機(jī)速度與剎車(chē)時(shí)間的曲線(xiàn)，當(dāng)電機(jī)實(shí)際轉(zhuǎn)速比設(shè)定的速度高，增加PWM1口的占空比，增大制動(dòng)轉(zhuǎn)矩；當(dāng)電機(jī)實(shí)際轉(zhuǎn)速比設(shè)定的轉(zhuǎn)速低，減小PWM1口的占空比，迅速抑制線(xiàn)圈上的電流，減小制動(dòng)轉(zhuǎn)矩。

      3.2無(wú)刷直流電機(jī)制動(dòng)的使用效果

      電機(jī)在12000r/min情況下正常運(yùn)轉(zhuǎn)，3小時(shí)后停車(chē)，從12000r/min至完全停車(chē)測(cè)試平均時(shí)間為3.5S，達(dá)到工藝要求。其穩(wěn)定性如下圖制動(dòng)時(shí)的電流波形、浪涌電壓波形。

圖4制動(dòng)時(shí)某線(xiàn)圈元件的電流波形

圖5 制動(dòng)時(shí)流過(guò)功率管的電流波形

      圖4是制動(dòng)時(shí)某線(xiàn)圈元件的電流波形，圖5是制動(dòng)時(shí)流過(guò)功率管的電流波形，每格4A。制動(dòng)過(guò)程流過(guò)功率管的最大電流約為6A，而功率管的額定電流為16A，裕量足夠，說(shuō)明本型無(wú)刷直流電機(jī)采用的短接制動(dòng)方案是可行的。

4、結(jié)束語(yǔ)

      無(wú)刷直流電機(jī)快速制動(dòng)的實(shí)現(xiàn)，達(dá)到了電錠式倍捻機(jī)的在斷紗及停車(chē)時(shí)快速制動(dòng)的工藝要求，在降低捻度不勻率方面起到重要的作用，同時(shí)新型無(wú)刷直流電機(jī)在倍捻機(jī)中的應(yīng)用也體現(xiàn)了傳統(tǒng)的紡織機(jī)械行業(yè)正在朝著機(jī)電一體化、智能化的方向大步前進(jìn)。