用于纺织应用系统上的多伺服控制装置的制作方法

专利名称：用于纺织应用系统上的多伺服控制装置的制作方法
技术领域：
本发明属于纺织机械领域，特别是涉及一种用于纺织应用系统上的多伺服 控制装置。
背景技术：
复杂的工业控制产品需要同时用到多个伺服系统，例如数控机床行业用到 的多轴联动，其中的每一轴都要用到一套伺服控制系统，多个伺服控制系统之 上还有一个总的控制系统。纺织机械行业也会用到多个伺服控制系统，例如无 梭织机中的电子送经和电子巻取系统，就用到二套伺服控制系统；例如毛巾织 机有二个经轴，底经和面经，加上电子巻取，就要用到三套伺服控制系统；例 如电子开口装置，可能用到2、 4、 6、 8、 16等多套伺服控制系统。通常的多伺 服控制系统，除了每套伺服各有控制系统外，还有一个总的控制系统协调各伺 服系统的动作。对于这种多伺服系统，总体构成相当复杂，人们很自然地会想 到怎样利用集中设计的方法降低成本、縮小体积、提高性能。纺织机械使用的 多伺服系统，其动作都有一定的相关性，其控制模型也都基本相同，用控制行 业的术语说，它们有共同的外环，且外环参数比较单一。例如电子送经和电子 巻取，以经纱张力为外环参量；电子开口，以开口量为参量。数控机床行业的 多轴联动系统，其各轴的运动是独立，外环的目标是复杂的曲面或曲线，集中 设计的难度较大。因此，纺织机械使用的多伺服系统比数控机床行业使用的多 伺服系统更具内、外环集中设计的可行性和实用性。
具体来讲，纺织应用系统通常包括多个伺服电机、安装在每个伺服电机内 的转子位移传感器、用于感应伺服电机运动效果的外环传感器，多伺服控制装 置就是对多个伺服电机进行控制，此控制通常分为①位置控制、②速度控制、 ③电流控制。所谓位置控制，就是指根据位置指令与位置反馈的差分发生速度 指令而将控制对象物控制在目的位置的控制。所谓速度控制，就是指根据速度 指令与速度反馈的差分发生电流(转矩)指令而将控制对象物控制在目的速度 的控制。所谓电流控制，就是指根据电流指令与电流反馈的差分控制电流驱动 器而将控制对象物控制为目的电流值的控制。
中国发明专利授权公告号CN1273875C，授权公告日2006年9月6日，发明名 称伺服控制装置，公开了一种多伺服系统集中设计的技术方案，其技术方案
的核心手段是使用专用的LSI (大规模集成电路)构成逻辑运算部，同时完成 多伺服系统的各个伺服的电流控制环的运算。
如其所述"在伺服电机的控制中，对于①位置控制、②速度控制和③电流 控制的各控制周期(时间)，必须是①〉②〉③的关系。这是因为，为了控制速 度，必须以更快的响应时间控制转矩(电流)，同样，为了控制位置，应以更快 的响应时间控制速度。""按照本发明，作为专用硬件电路的数字逻辑电路进行 控制，取代使用软件进行控制的CPU。数字逻辑电路虽然有缺乏通用性、规格 变更困难的不利一面，但是，只要时钟频率相同，就可以具有CPU的数十倍的 数据处理能力。因此，可以进行髙速的电流运算，从而可以显著地提髙控制性 能。"
此技术方案中有几个方面是值得讨论的
1、 越快性能越好 一般来说，硬件的速度比软件快，这是不争的事实，但 是对于一个具体的工程实现，并非总是"越快性能越好"。现有的伺服控制，都 是基于PWM逆变器工作的，其中PWM的载波频率的上限多选择为18KHz 20KHz，这是超过人耳听觉频率(16KHz)因而取得降低噪声效果的合适的值。 选择过髙的PWM频率会带来许多问题功率元件的价格因速度上升而急剧上 升；功率元件因高速而容易发热因而要留有更大的功率设计余量，成本上升； 驱动电路的元件成本和制作要求上升；电机是感性负载，高的电流变化率会引 起更高的反冲电压，要提髙功率元件的耐高压能力在现时一方面有成本上升的 问题， 一方面还受半导体制造技术的限制；对于电机这样的感性元件也并非频 率越高越好，目前小惯量伺服电机的响应速度为毫秒量级，超过20KHz的激励 频率并无好处，反而会带来要求线圈耐压升高这样的问题。因此，对于现有技 术，包括半导体元件技术和电机技术，选择18KHz 20KHz的PWM载波上限频 率是合适的。20KHz的PWM载波频率对应的周期是50微秒，控制系统只要在50 微秒周期内完成运算就可以满足要求，速度再高并无实际意义。而现有的微处 理器技术，已经可以在50微秒内做许多工作，包括复杂的运算。
2、 LSI比CPU便宜在几年前是这样的，但近几年DSP及ARM器件发展迅 速，性能/价格比急速上升，而FPGA、 CPLD类器件的价格下降较少，要完成上 述的处理速度及处理复杂程度，用LSI实现比用CPU实现的价格明显要高。
3、 外环控制伺服控制系统的①位置控制、②速度控制、③电流控制是精 典的控制模式，称为"三环"控制，通常把②、③称为"内环"，把①称为"外
环"。多伺服系统的最终控制效果是由外环控制器决定的。LSI方案实际只解决 了③电流控制环的问题，对于重要的①位置控制、②速度控制，只给出了 "位 置控制器"、"速度控制器"或者"位置控制部"、"速度控制部"这样的表述。 实际上其位置控制部应该用到CPU，否则不足以完成所述的任务。虽然用LSI 取代了内环控制使用的CPU，但从总体看，仍然要使用CPU，其总体的成本仍 然需要包括一个CPU及其相关电路的成本。

发明内容
本发明目的就是为解决现有技术的不足而提供一种结构简单、性能较髙、 成本较低的用在纺织应用系统上的多伺服控制装置。
为解决上述技术问题本发明的技术方案为 一种用于纺织应用系统上的多 伺服控制装置，所述的纺织应用系统包括多个伺服电机、安装在所述的每个伺 服电机内的转子位移传感器、用于感应伺服系统控制效果的外环传感器，该多 伺服控制装置包括
多个PWM逆变器，所述的PWM逆变器与所述的伺服电机数量相对应，所 述的PWM逆变器用于给相应的伺服电机提供驱动电流；
多个脉冲波形发生器，所述的脉冲波形发生器与所述的PWM逆变器数量相 对应，所述的脉冲波形发生器用于向PWM逆变器输出以脉冲宽度调制方式调制
后的脉冲宽度调制信号；
多个电流检测器，所述的多个电流检测器与所述的PWM逆变器数量相对 应，所述的电流检测器用于检测相应的PWM逆变器不同相线的输出电流值；
一嵌入式微处理器，所述的嵌入式微处理器与所述的多个脉冲波形发生器 相电连接并向所述的多个脉冲波形发生器发送用于调制的输出信号，且所述的 嵌入式微处理器与所述的每个电流检测器输出端相电连接以此构成多个伺服控 制的电流环；所述的嵌入式微处理器与所述的每个转子位移传感器输出端相电 连接以此构成多个伺服控制的速度环；所述的嵌入式微处理器与所述的外环传 感器相电连接以此构成伺服控制的外环；
所述的嵌入式微处理器还具有用于接收对多个伺服控制的设置数据的串行 通信接口，所述的嵌入式微处理器也可通过串行通信接口上传该多伺服控制装 置的工作信息；
所述的嵌入式微处理器通过串行通信接口接收所述的设置数据并根据电流
检测器反馈的电流值运算且控制多个所述的电流环；
所述的嵌入式微处理器通过串行通信接口接收所述的设置数据并根据转子 位移传感器反馈值运算且控制多个所述的速度环；
所述的嵌入式微处理器通过串行通信接口接收所述的设置数据并根据外环 传感器反馈值运算且控制多个所述的外环。
对上述技术方案的变化和解释如下
1、 所述的嵌入式微处理器内集成有至少一个所述的脉冲波形发生器，所述 的嵌入式微处理器具有与内设脉冲波形发生器个数相同的用于直接驱动所述的 PWM逆变器的输出口。目前市场上已出现集成有脉冲波形发生器的嵌入式微处 理器，选择此种微处理器，可更大限度的发挥对该微处理器的应用，且使得整 个装置的结构更加简单。
2、 至少部分所述的脉冲波形发生器集成于一专用集成电路上，所述的专用 集成电路接收所述的嵌入式微处理器输入的与其内设脉冲波形发生器个数相同 的多组三相控制信号，经过反相和插入死区时间控制，产生分别用于驱动相应 的PWM逆变器的控制信号。
更进一步地，所述的专用集成电路的实现途径为现场可编程门阵列 (FPGA)、复杂可编程逻辑器件(CPLD)、嵌入式微处理器(MCU)中的一种。 且所述的专用集成电路中的死区时间控制是可编程设置。 所述的专用集成电路具有串行通信接口，且所述的串行通信接口为SPI、 12C中的一种。
3、 所述的电流检测器为电流传感器。
4、 所述的嵌入式微处理器还包括I/0口，所述的I/0口与纺织应用系统相接 用于为纺织应用系统提供辅助状态信息，如输出紧急报警信息。
5、 所述的嵌入式微处理器的串行通信接口为RS485、 CAN、 12C、无线数 据传输模块中的一种。
更进一步地，所述的无线数据传输模块为ZigBee无线传输模块。
由于采用了上述的技术方案，本发明的优点为由于本发明通过使用一片 嵌入式微处理器实现对多伺服控制的电流环、速度环、外环的控制，从而取代 了现有技术中用多片CPU才能实现的功能，这样使得整个控制系统的处理更直 接快速，信息传递的可靠性得到进一步保证，硬件结构简洁，成本较低，同时 该多伺服控制装置还可通过嵌入式微处理器上的串行通信接口与总控计算机进
行信息交互，即总控计算机可通过串行通信接口设定控制信息，嵌入式微处理 器也可通过该结构向总控计算机反馈信息，从而不需要单独对每个伺服电机进 行控制，使得整个控制装置结构更加简单、易操作。


附图l为本发明本发明实施例一电原理框图； 附图2为脉冲波形发生器的波形变换及死区时间波形图； 附图3为本发明实施例二电原理框图； 附图4为本发明实施例三电原理框具体实施例方式
下面结合附图对本发明的具体实施方式
作进一步详细的说明 实施例一
如图1所示，本实施例的多伺服控制装置可应用在无梭织机使用的电子送经 和电子巻取控制系统上。图中，伺服控制的对象为电子送经用的伺服电机M1、 电子巻取用的伺服电机M2、分别设置在伺服电机M1和伺服电机M2内的角度传 感器E1、 E2、设置在经纱横梁上的张力传感器T1，多伺服控制装置包括一嵌入 式微处理器MCU、 PWM逆变器1和PWM逆变器2、电流传感器UIl、 VII、 UI2、 VI2,嵌入式微处理器MCU将控制伺服电机M1的信号送出到PWM逆变器1， PWM逆变器1是一功率模块，直接驱动M1;同样，MCU将控制伺服电机M2的 信号送出到PWM逆变器2， PWM逆变器2是一功率模块，直接驱动M2。 MCU 接收电流传感器UIl、 VI1反馈的信号，通过控制送出到PWM逆变器1的信号， 实现对伺服电机M1的电流环的控制；MCU接收角度传感器E1的信号，通过控 制送出到PWM逆变器1的信号，实现对伺服电机M1的速度环的控制；同样， MCU也实现了对伺服电机M2的电流环和速度环的控制；MCU接收张力传感器 Tl的张力信号，张力是伺服电机M1和伺服电机M2共同作用的结果，电子送经 和电子巻取的控制目标就是要保持在织造过程中的恒定张力。
多伺服控制装置还包括用于向PWM逆变器输出以脉冲宽度调制方式调制 后的脉冲宽度调制信号的脉冲波形发生器，公知的PWM逆变器电路通常由六只 开关管组成桥式电路，其中三只开关管处于上桥臂，三只开关管处于下桥臂，
上、下桥臂的中点连接电机线圈。这种电路分别需要六路激励信号分别控制六
只开关管的导通与截止。位于同一桥臂支路的上管与下管不能同时导通，若同 时导通，即造成电源短路，烧毁器件。因此上管的激励信号与下管的激励信号 必须是互为反相的信号。由于电机线圈是感性元件，电流不能立刻截止，同时 开关管的控制特性也有延时，如果用与上管反相的信号直接激励下管，则在上 管没有完全截止的时候，下管已经导通了，造成瞬间直通现象。瞬间直通会使 开关管发热、烧毁。为了防止瞬间直通现象，较好的解决措施是人为设置延时 导通。因此脉冲波形发生器输出波形应达到上述的要求，如图2所示，波形l为 计算得到的PWM波形，可以用于上管激励信号，高电平导通；波形2为经过波 形变换后实际的上管激励信号，可以看出波形2比波形1在上升沿有延时，这就 是延时导通，而下降沿无延时。波形3是经过波形变换后实际的下管激励信号， 是波形l反相并加延时导通形成的。波形2与波形3进行"或"计算，得到波形4。 波形4表示了上、下管同时截止的区间，这就是死区保护，死区的宽度称作死区 时间，其数值在零点几微秒至数十微秒之间。目前已有内部集成有脉冲波形发 生器的微处理器，还集成了死区时间控制器，这样在运算结束后，就可以形成 可直接用于驱动PWM功率模块的6路激励信号。本实施例的嵌入式微处理器 MCU内部集成有12路PWM激励信号，可直接连接2个PWM逆变器模块。由于 MCU内部集成了脉冲波形发生器和死区时间控制器，因此MCU可以直接驱动 PWM逆变器。图1中嵌入式微处理器MCU与PWM逆变器连接处画出了7条线， 第7条线是PWM逆变器模块的故障报警信号， 一旦发生过压、过流、过热等故 障，PWM逆变器模块可以通过这条线通知MCU采取措施，保护电路安全。
MCU还设有串行通信接口，用于与上位计算机信息交互。对于这样比较复 杂的系统通常需要有初始设定数据、系统在运行中的工作状态显示、发生故障 后的故障信息显示等，这些都需要有人机界面完成设定和显示，本实施中上位 计算机设有人机界面，MCU通过串行通信接口与上位计算机信息交互，实现上 述功能。目前在工业控制系统中常用的串行通信接口有RS485、 CAN、 12C等， 另外也可以用无线数据传输，本实施例中使用的是RS485。
MCU还设有I/0接口，用于与织机控制系统接口。电子送经和电子巻取是整 个织机控制系统中的一个子系统，其运行必须与织机严格同步，因此需要有一
些i/o口与织机控制系统接口。
实施例二
图3为实施例二的电原理框图，本实施例可用于毛巾织机使用的电子送经 系统和电子巻取系统。毛巾织机的经纱有二种，分为底经和面经，需要二套电 子伺服系统分别驱动底经和面经的织轴，另外还要一套伺服系统用于巻取，因 此系统需要三套伺服。本实施例可以看作是在实施例一的基础上，增加了一套 用于面经控制的伺服系统。其中M3为伺服电机，E3为角度编码器，UI3、 VI3 为电流传感器，PWM逆变器3为驱动电机的功率模块。其工作原理与实施例一 相同，在此不再赘述。本实施例与实施例一的区别在于嵌入式微处理器MCU 与PWM逆变器3的连接不是直接连接，而是通过一个单独的脉冲波形变换电路 相连接。如前所述，目前的MCU或DSP,有12路PWM激励信号输出，并有死区 时间控制器，可以直接驱动二个PWM逆变器模块。当增加PWM输出时，就没 有可直接驱动PWM逆变器的输出资源可用，因此在MCU外部增加了脉冲波形 变换电路。这块电路的功能就是如图2所示，把波形l的信号，变换成波形2和波 形3的信号，加入了死区时间。MCU输出三相PWM控制信号，如图2中的波形1 (表示其中的一相)，经过波形变换电路后成为六路可直接连接PWM逆变器的 激励信号，如图2中的波形2、波形3 (表示其中的二路)。PWM逆变器故障报警 信号仍送入MCU。
实施例三
图4为实施例三电原理框图，本实施例可用于电子提花机使用的电子开口 驱动装置。该控制系统包括四个伺服电机。因此本实施例用了二个嵌入式微处 理器MCU,其中MCU1如前所述完成多伺服控制的核心控制，MCU2完成多伺 服PWM驱动信号的波形变换，这是一块专用电路。由于目前MCU的PWM输出 资源可以直接驱动二路伺服，当需要驱动的伺服数量增加时，必须增加波形变 换电路，以形成必要的死区时间控制。形成死区时间的电路并不复杂，可以用 CPLD、 FPGA等可编程器件实现。但是如果要实现死区时间的多数值可编程功 能，则采用MCU可能成本更低一些。因为MCU内部有足够的定时器、寄存器 等资源可以使用。MCU1与MCU2之间用串行通信进行信息交互，可用SPI、 I2C 等高速通信。MCU2还可以直接处理PWM逆变器报警信号。采用这样的方案， 波形变换电路不仅限于图示的4组PWM输出，还可以支持更多组的PWM输出。 图中T1为编码器，产生提花机与织机的同步信号。其工作原理与前述相同，不 再赘述。
由于电子提花机与织机控制系统的距离较远，图中MCU1与上位计算机的 串行通信接口可以采用ZigBee无线传输模块。
上述实施例只为说明本发明的技术构思及特点，其目的在于让熟悉此项技 术的人士能够了解本发明的内容并据以实施，并不能以此限制本发明的保护范 围。凡根据本发明精神实质所作的等效变化或修饰，都应涵盖在本发明的保护 范围之内。
权利要求
1、一种用于纺织应用系统上的多伺服控制装置，所述的纺织应用系统包括多个伺服电机、安装在所述的每个伺服电机内的转子位移传感器、用于感应伺服系统控制效果的外环传感器，其特征在于该多伺服控制装置包括多个PWM逆变器，所述的PWM逆变器与所述的伺服电机数量相对应，所述的PWM逆变器用于给相应的伺服电机提供驱动电流；多个脉冲波形发生器，所述的脉冲波形发生器与所述的PWM逆变器数量相对应，所述的脉冲波形发生器用于向PWM逆变器输出以脉冲宽度调制方式调制后的脉冲宽度调制信号；多个电流检测器，所述的多个电流检测器与所述的PWM逆变器数量相对应，所述的电流检测器用于检测相应的PWM逆变器不同相线的输出电流值；一嵌入式微处理器，所述的嵌入式微处理器与所述的多个脉冲波形发生器相电连接并向所述的多个脉冲波形发生器发送用于调制的输出信号，且所述的嵌入式微处理器与所述的每个电流检测器输出端相电连接以此构成多个伺服控制各自的电流环；所述的嵌入式微处理器与所述的每个转子位移传感器输出端相电连接以此构成多个伺服控制各自的速度环；所述的嵌入式微处理器与所述的外环传感器相电连接以此构成伺服控制各自的及公共的外环；所述的嵌入式微处理器还具有用于接收对多个伺服控制的设置数据的串行通信接口，所述的嵌入式微处理器也可通过串行通信接口上传该多伺服控制装置的工作信息；所述的嵌入式微处理器通过串行通信接口接收所述的设置数据并根据电流检测器反馈的电流值运算且控制多个所述的电流环；所述的嵌入式微处理器通过串行通信接口接收所述的设置数据并根据转子位移传感器反馈值运算且控制多个所述的速度环；所述的嵌入式微处理器通过串行通信接口接收所述的设置数据并根据外环传感器反馈值运算且控制多个所述的外环。
2、 根据权利要求l所述的用于纺织应用系统上的多伺服控制装置，其特征 在于所述的嵌入式微处理器内集成有至少一个所述的脉冲波形发生器，所述 的嵌入式微处理器具有与内设脉冲波形发生器个数相同的用于直接驱动所述的 PWM逆变器的输出口 。
3、 根据权利要求l所述的用于纺织应用系统上的多伺服控制装置，其特征 在于至少部分所述的脉冲波形发生器集成于一专用集成电路上，所述的专用集成电路接收所述的嵌入式微处理器输入的与其内设脉冲波形发生器个数相同 的多组三相控制信号，经过反相和插入死区时间控制，产生分别用于驱动相应 的PWM逆变器的控制信号。
4、 根据权利要求3所述的用于纺织应用系统上的多伺服控制装置，其特征 在于所述的专用集成电路为集成有多个脉冲波形发生器的现场可编程门阵列(FPGA)、复杂可编程逻辑器件(CPLD)、嵌入式微处理器(MCU)中的一种。
5、 根据权利要求3所述的用于纺织应用系统上的多伺服控制装置，其特征在 于所述的专用集成电路中的死区时间控制是可编程设置。
6、 根据权利要求3所述的用于纺织应用系统上的多伺服控制装置，其特征 在于所述的专用集成电路具有串行通信接口，且所述的串行通信接口为SPI、 12C中的一种。
7、 根据权利要求l所述的用于纺织应用系统上的多伺服控制装置，其特征 在于所述的嵌入式微处理器还包括I/0口，所述的I/0口与纺织应用系统相接 用于为纺织应用系统提供辅助状态信息。
8、 根据权利要求l所述的用于纺织应用系统上的多伺服控制装置，其特征 在于所述的嵌入式微处理器的串行通信接口为RS485、 CAN、 12C、无线数据 传输模块中的一种。
9、 根据权利要求8所述的用于纺织应用系统上的多伺服控制装置，其特征 在于所述的无线数据传输模块为ZigBee无线传输模块。
全文摘要
本发明涉及一种多伺服控制装置，包括多个PWM逆变器、多个脉冲波形发生器、多个电流检测器、一嵌入式微处理器，嵌入式微处理器向多个脉冲波形发生器发送用于调制的输出信号，且嵌入式微处理器与每个电流检测器输出端相电连接以此构成多个伺服控制的电流环；嵌入式微处理器与每个电机的转子位移传感器输出端相电连接构成多个伺服控制的速度环；嵌入式微处理器与外环传感器相电连接以此构成伺服控制的外环，由于本发明通过使用一嵌入式微处理器实现对电流环、速度环、外环的控制，硬件结构简洁，成本较低，同时该多伺服控制装置还可通过嵌入式微处理器上的串行通信接口与总控计算机进行信息交互，使得整个控制装置结构更加简单、易操作。
文档编号G05B19/04GK101109933SQ20071002371
公开日2008年1月23日 申请日期2007年7月4日 优先权日2007年7月4日
发明者李锡放 申请人:江苏万工科技集团有限公司