摘要：本文介紹了電錠式倍捻機根據(jù)產(chǎn)品特性對無刷直流電機快速制動的工藝要求，簡單介紹了直流電機幾種制動方式及特點，并闡述了無刷直流電機制動在電錠式倍捻機工藝要求和技術(shù)指標(biāo)等方面的具體應(yīng)用。

關(guān)鍵字：電錠式倍捻機 無刷直流電機 電機制動 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)對電錠式倍捻機電機快速制動的要求

      傳統(tǒng)倍捻機都采用龍帶傳動或錠帶傳動的方式驅(qū)動錠子，具有諸多弊端，比如耗電量大、噪聲大、紗線質(zhì)量低等，已經(jīng)不符合節(jié)能環(huán)保型生產(chǎn)的時代潮流。電錠式短纖倍捻機顛覆了傳統(tǒng)的龍帶傳動形式而以單錠驅(qū)動的模式替代，該型號倍捻機的機電一體化程度是目前國內(nèi)同類產(chǎn)品最先進的，在高效節(jié)能降耗方面的優(yōu)勢更有著突出的表現(xiàn)，實現(xiàn)更高的加捻速度和生產(chǎn)效率，降低能耗和噪聲，滿足高質(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，同時也帶動了我國相關(guān)行業(yè)的技術(shù)進步。

      倍捻機作為后紡最后一道工序，捻度的CV值最終決定了紗線的出廠質(zhì)量和價值，工藝要求的不斷增加使得很多紡織廠對電氣控制的精準(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)倍捻機出現(xiàn)斷紗或錠子長時間速度偏低等故障現(xiàn)象以及紡織工人發(fā)現(xiàn)故障按下停機按鈕時，為了減少損失和降低接頭處捻度的不勻率，要求電機迅速制動，該電錠式倍捻機工藝要求在4S以內(nèi)。

2、直流電機快速制動的方式對比

      該型無刷直流電機將繞組（線圈元件）安裝在定子上，9根引出線分別接到9組半橋電路的中點，轉(zhuǎn)子位于任意位置時，都只開通某個半橋電路的上橋臂功率管和另一個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)過一定角度時，功率管的開通或關(guān)斷作出相應(yīng)的調(diào)整，從而實現(xiàn)了電子換向。

      一般無刷直流電動機有3種制動方式：反接制動、繞組短接制動和能量回饋制動。

      2.1反接制動

      與繞組短接制動和能量回饋制動相比，反接制動的效果最好，尤其是電機中低速運行時，可以達到迅速制動的目的。但是，在中高速時繞組電流過大，需要選擇適當(dāng)?shù)倪^流檢測和保護措施。

圖1反接制動時電流流向圖

      電機CW方向運行時，在第一區(qū)域需要開通2號和 號功率管以產(chǎn)生正轉(zhuǎn)矩。如圖1所示，如果此時只開通3號和 號功率管，則a、b支路的電流迅速減小并反向流通，最終會產(chǎn)生制動轉(zhuǎn)矩（圖1中以產(chǎn)生制動轉(zhuǎn)矩的電流方向為參考方向）。

      由式(2-1)可知，反接制動時，流過功率管的電流會迅速增大，直到過流保護動作，關(guān)斷PWM。極端情況下，過流一直出現(xiàn)，等效于PWM占空比D=0， 號功率管的反并聯(lián)二極管續(xù)流，經(jīng)a、b支路后，再流過 號功率管，產(chǎn)生“環(huán)流”現(xiàn)象。此時的電動機工作在發(fā)電狀態(tài)，由于中高速時電動勢較大，環(huán)流出現(xiàn)后，電流可能會繼續(xù)增大，甚至損壞功率管。為了保護功率管的正常工作，需要過流關(guān)斷PWM的同時，關(guān)斷 號功率管，這時進入能量回饋制動狀態(tài)，可以抑制電流繼續(xù)增大。

      然而這種方案在換向過程中會失效，如圖2所示，直流母線負端的采樣電阻上流過的電流為(I_b-I_c)，而流過3號功率管的電流為(I_a+I_b)。所以，常用的直流母線負端串檢測電阻的方案不能檢測到換向過程中流過功率管的真實電流，進而對過電流采取適當(dāng)?shù)谋Ｗo措施。理論上可行的一種方案是，9組半橋的下橋臂發(fā)射極各串入一檢測電阻，但這種方案需要9個采樣電路可行性較差。

圖2反接制動的換向過程

      2.2繞組短接制動

      圖3繞組短接制動時電流流向圖

      繞組短接制動時，上橋臂的9個功率管全關(guān)斷，下橋臂的9個功率管全開通。假設(shè)某時刻電流流向如圖3所示，i₁35，i₅>i₇>i₉，i₂46，i₆>i₈，忽略功率管上的壓降，則等效于每個線圈元件都首尾相連，那么各線圈元件中的電流僅與自身的反電勢和繞組電抗有關(guān)，當(dāng)電機轉(zhuǎn)速比較高時，線圈中的反電勢較大，線圈電流也會比較大。電機轉(zhuǎn)速不變時，線圈電流與反電勢一樣，都是正弦波波形。然而，流過功率管的電流則可能比線圈電流的峰值小很多，流過 、 號功率管的電流值僅為(i₈+i₁)和(i₂+i₉)，流過其他功率管的電流值都是相鄰線圈電流值相減。繞組短接制動方案比較簡單，流過功率管的電流也可以承受，因此該型直流無刷電機選用繞組短接制動方案。

3、電機快速制動在電錠式倍捻機中的實現(xiàn)及效果

      3.1無刷直流電機制動的實現(xiàn)

      繞組短接制動時制動轉(zhuǎn)矩過大，容易對電機軸承造成沖擊，影響電機的使用壽命，我們希望制動過程是快速且勻減速過程，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。DSP芯片的PWM1口輸出的啟動/停止信號ST控制環(huán)形分配電路（EPLD芯片）的輸出信號。ST=0（低電平），表示啟動，EPLD芯片按環(huán)形分配表輸出信號；ST=1（高電平），表示停止，EPLD芯片控制9個上橋臂全關(guān)斷，9個下橋臂全開通。當(dāng)DSP收到停機信號時，立即關(guān)閉PWM信號（占空比D=0，即關(guān)閉PWM0口）。設(shè)定一條電機速度與剎車時間的曲線，當(dāng)電機實際轉(zhuǎn)速比設(shè)定的速度高，增加PWM1口的占空比，增大制動轉(zhuǎn)矩；當(dāng)電機實際轉(zhuǎn)速比設(shè)定的轉(zhuǎn)速低，減小PWM1口的占空比，迅速抑制線圈上的電流，減小制動轉(zhuǎn)矩。

      3.2無刷直流電機制動的使用效果

      電機在12000r/min情況下正常運轉(zhuǎn)，3小時后停車，從12000r/min至完全停車測試平均時間為3.5S，達到工藝要求。其穩(wěn)定性如下圖制動時的電流波形、浪涌電壓波形。

圖4制動時某線圈元件的電流波形

圖5 制動時流過功率管的電流波形

      圖4是制動時某線圈元件的電流波形，圖5是制動時流過功率管的電流波形，每格4A。制動過程流過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，說明本型無刷直流電機采用的短接制動方案是可行的。

4、結(jié)束語

      無刷直流電機快速制動的實現(xiàn)，達到了電錠式倍捻機的在斷紗及停車時快速制動的工藝要求，在降低捻度不勻率方面起到重要的作用，同時新型無刷直流電機在倍捻機中的應(yīng)用也體現(xiàn)了傳統(tǒng)的紡織機械行業(yè)正在朝著機電一體化、智能化的方向大步前進。