[发明专利]用于纺织应用系统上的多伺服控制装置

说明书

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卷取系统，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，加上电子卷取，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、缩小体积、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卷取，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，可以进行高速的电流运算，从而可以显著地提高控制性能。”

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。选择过高的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，要提高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。