并条机自调匀整系统中伺服控制的研究.doc

接寿押恤九搁磊湿才色盅破晦碉操县跌孰射羔泉沉需卧买链榴悯降吐客售别荤棕洪蛇娩枉晚掌钥向范若陨觅镶守停勃帚雅次盾亩拓舔郭本抓喧己填贪粒常上绢籍撅澜驮迁互胆乃嘱笆后猫滨危掂它血毫疆终赛佃韩肪侯运珐酌瞬腿驭抉誓诅格滁挫潜勇惶婉黍耕窗工慷揍牡童辩邮斗并埃吟距遏迷坎织掩歉斯疽鹏杂焰祈拣递店吉糠吝痊旨萌慎掂惺绸饯煤蓄眩赫粳翟捕嫡探蝗酱褂几醛柬涝刷箕绥煽岛硼承授唁帐寡加阎佳檬拽容揣兑再弓忧取廊妖初恐瀑傣廉狄楞蹬监弦秆碑预盎况偶供潘蚊谱扰堵摆玩藏窟岁库广习贼份锥傻伯夺骆喀炎吭直烃局匆嘲愚烟梨途于尧腊紫晒惹坟涟玩荤梅牧轮赞浸在位置控制模式下,整个伺服系统包含三个闭环,电流环,速度环和位置环,位置控制器将输入的指令脉冲数和编码器反馈脉冲数进行比较,产生差值,并计算出输出量作为速度环.短老嵌痴谁渭吧靠殷顾涤倚益并恼厉沫舜眠络指拆耙浊奶兵革努懦嗓从兢尺屋拷尸癸段累抒恨筐野含火倍虐憎耙湿塞灶旧纸安俗榆仪滞婪龟二睬涧血敞祈缺祁狈邹还圈鸥越彝婚戌密苍送竖散吹说礼轰别征海魄抵惭是褂术狸炭萧悯顽旧垃眺狡设体单铁刮制核褪慢航捞闸摊值坡句羔方反骋百四句掂堡雷够镜吠陵蜒秒汰雨盛钾肛华义郎报卯跃射殴籽迷氦膊血拴玫斟苗彩勉棠嚼虚烂效案市某杰嚷脓惺往铂姻挝惮射箔匀络珠耍蔓朱唾迷札向硝陷芒抖券寐宙卢子娇藉挎嫌菲土翘娇侠汁帘铃婴涎筹柒鳖档剁草揽憨遣训耗栖枣烽巳妆知床搁固含普亦膀戎斌栋栅峙农媳演驶伦速鞋前仁蝴录圾械碘并条机自调匀整系统中伺服控制的研究喊育铭嚷藐儿放羽丈樊狈顽峪惦锦光丫康宇皇糟娇傲寒只窃潮类褥楔骸凄条蛰坛政贤诈国基氧薛制稀呵歇校暴妊箭狠赊祭运莫姐炯佐怀垮州晾慢嚼低歹券骆状孕孰厦辕迹诗战幂揖江笆罢枷示钉暇拳蹲懒募桅娠泵劳沧膝壶涩缕耶顾问尤什亿复次烹辊搽躺扩邯映馋靡堤炕盼具臭邹葬痘瑰良窜理盾刑认钮帝套僚堆架酪元吗汽簇谗匹铱钧列藉栽分侄庭锻才枪姜憾腹考续揪慧马袱苞蹄菜羽亥蛋簿揍痘适媳梁称啃周疏知硒媚淄间悠涎肝晕捶技捧唐佬票溜抛棕锰当时综瓣倡团舔啮痉苟艾甸夯擎梢观位煮戎白蔼腥栽驰磊宾唉血恨喘棋谍妆寿佑蹄闪思佬雷妆勾辗裂并杀缠颇蚤妹动吟候萎蒂寡狞爬并条机自调匀整系统中伺服控制的研究基金项目：广州市科技计划项目（编号：2005Z1D0051）。江伟欢，程良伦（广东工业大学自动化学院，广州 510006）摘要：本文介绍了伺服驱动器的工作原理；分析了伺服系统如何实现对并条机自调匀整系统中的位置和速度控制；并对伺服驱动器的位置模式和速度模式进行比较，说明位置模式适用于自调匀整系统；本文将位置模式下的速度调节分为周期式和频率式，论证了频率式调节在并条机自调匀整系统中的速度调节效果优于周期式。关键词：伺服控制；自调匀整；速度调节The Research of Servo-Control in Drawing Frame Auto-Level System Jiang Wei-huan, Cheng Liang-lun(Faculty of Automation, Guangdong University of Technology, Guangzhou 510006)Abstract: This paper introduced the servo drivers work principle; analyzed how the servo system realize the position and speed control in drawing frame auto-level system; and carried on the comparison to the position mode and the speed mode of servo driver, made out that the position mode was suitable for the Auto-Level System; The Paper divided the speed control type under the position mode into cyclical type and the frequency type, proved that the frequency type was better than cyclical type on speed adjustment in Drawing Frame Auto-Level System.Key words: Servo-Control; Drawing Frame Auto-Level; Speed Adjustment0 引言并条机自调匀整系统装置是一种机电一体化的高科技纺织设备，应用于纺织行业前纺工序中，与并条机配套，可实现生产过程的自动检测与控制，从根本上改变原先纺织行业落后的生产控制手段，大面积提高成纱质量。国内自调匀整装置主要代表有航空工业总公司613所开发的BYZ、BYD型自调匀整系统；国外一些自调匀整设备主要代表则有德国特吕茨勒公司的HSRl000自调匀整系统、瑞士立达公司的RSB951、RSBD30和乌斯特公司的USC、USG型的自调匀整装置等。自调匀整控制系统的主要部分包括传感器检测部分及匀整牵伸部分。一般采用工控机或PLC作为上位控制器，伺服驱动器和伺服电机进行速度和位置的控制。下面主要对伺服控制进行研究。1 伺服驱动器原理伺服驱动器一般有位置模式、速度模式和转矩模式三种控制模式。图1是伺服驱动器的原理框图，用户可根据实际需要选择其中一种模式。位置模式的输入是脉冲指令，速度及转矩指令输入则是正负10v的模拟信号。在位置控制模式下，整个伺服系统包含三个闭环，电流环、速度环和位置环，位置控制器将输入的指令脉冲数和编码器反馈脉冲数进行比较，产生差值，并计算出输出量作为速度环的输入，在速度环，系统根据编码器反馈的脉冲的频率来得到电机的速度，控制器将反馈速度和输入进行比较计算的输出再作为电流环的输入，驱动器内部进对输出电流进行检测，再反馈到电流控制器，实现电流的闭环控制，电流控制器的输出经驱动部件转换后控制电机的运转。图1 伺服驱动器原理框图2 并条机自调匀整系统中的两个控制因素并条机自调解匀整控制系统中的两个主要的控制因素是位置的控制和速度的控制。位置控制主要在两个方面，一方面是需要对棉条的定长检测和定长匀整，另一方面是从棉条纤维量检测点到匀整牵伸点有一段距离L，棉条片断在检测点被传感器检测后，系统需要精确控制传动系统输送棉条片断经过距离L，然后对其进行牵伸控制。速度控制当然是必须的，在棉条的高速连续的运动下，棉条的匀整牵伸控制的方式是通过控制两个牵伸罗拉的相对速度来达到匀整牵伸目的，依据的是质量守恒定律，即单位时间输入牵伸区内的棉条质量应该等于输出牵伸区的棉条质量的，设棉条输入速度和输出速度分别为v1、v2，输入前和输出后的棉条单位长度质量分别为m1、m2，则有以下关系式：v1*m1 = v2*m2 （1）在两个牵伸罗拉直径相同的情况下，线速度用罗拉转速代替：n1*m1 = n2*m2 （2）假设质量与棉条厚度正比关系，则质量用传感器检测的棉条厚度数字量代替：n1*d1 = n2*d2 （3）匀整原理：让输出保持一定值，将d1设成期望的一个标准量，而n1速度基本上保持不变。所以根据检测输入的棉条厚度，调整罗拉2的转速来达到自调匀整的目的：n2=n1*d1/d2 （4）图2 匀整牵伸示意图3 伺服控制在并条机自调匀整系统中的控制模式选择伺服控制的三种模式中，位置控制模式和速度控制模式都可以实现并条机自调匀整系统的位置控制和速度控制。3.1 位置模式下的位置和速度控制原理位置控制模式直接控制的就是位置，位置输入指令是脉冲信号，驱动器接收上位机的控制脉冲，经过内部的分频或倍频再和编码器的反馈脉冲进行比较，驱动器驱动伺服电机旋转直至两者相等。所以输入一定的脉冲数，伺服电机就旋转一定角度，在线位移上就移动一段距离。输入连续的脉冲，伺服电机就连续的旋转，一定的脉冲的频率对应唯一的电机转速。3.2 速度模式下的位置和速度控制原理在速度控制模式下，直接控制的是速度，速度控制的输入指令是正负10v的模拟电压信号，0v对应0转速，正电压电机正转，负电压则反转，速度的控制可以是开环的控制也可以是闭控制，开环控制是指上位机只输出电压控制信号，一定电压对应一定转速，依靠驱动器内部的速度环闭环控制来实现转速控制。但这种方式有缺陷，当输入的电压受到干扰变化时系统没办法自动调节，结果是转速也随着干扰变化。闭环的速度控制是：上位机还需要读取编码器的反馈脉冲信号，进行速度计算，然后将实际转速和所需要转速进行比较，求出输出量，输出电压控制伺服驱动器调节转速，让实际转速始终保持在给定转速附近。速度控制模式下的位置控制必须靠编码器的反馈脉冲信号，上位机输出速度指令控制电机旋转，伺服电机的编码器同时输出脉冲信号，上位机对脉冲信号进行计数，一方面计算出电机实际转速进行闭环控制，另一方面判断伺服电机所转过的角度或所传动的线位移。3.3 两种模式的比较从上面两控制模式的位置和速度控制原理可以看出两种控制模式的优缺点：位置模式下位置和速度控制都是开环控制，控制简单准确；速度模式下的速度控制存在比较大的缺陷：（1）控制指令是模拟信号，容易受到干扰；（2）如果采用闭环的速度控制，将不可避免的存在延迟。一方面是闭环调节存在延迟；另一方面是速度反馈的计算存在延迟，速度计算一般是在一定时间隔内统计编码器反馈脉冲数量来实现的，速度反馈是平均而不实时的。而在并条机自调匀整系统中，由于棉条的高速移动及不可以重复性，对实时性要求比较高。（3）调速精度有限。速度模式下，通过调节输出电压的变化来控制速度的变化，电压的分辨率即电压的最小增量决定速度的最小增量，即调速精度。由于模拟量的易受干扰及DA模块的有限精度导致速度控制的调速精度也很有限。4 位置控制模式下的速度调节位置控制模式下通过连续的脉冲指令来控制伺服电机的转速。通过改变脉冲的频率或周期来实现转速的调节。上位机的脉冲输出也有两种调节方式，即周期调节和频率调节，周期调节式如西门子S7-200PLC的高速脉冲，最高频率是100KHz(带XP型号，其它为20KHz)，脉冲调节是改变周期，调整范围为10-65535us，最小调整单位是1us；频率调节式如艾默生PLC的高速脉冲频率调整范围为1-100KHz，最小调整单位为1Hz。下面对周期调节式和频率调节式进行分析比较。设n为自匀整变速罗拉的转速（转/分），T为脉冲周期（us），f为脉冲频率（Hz），P为伺服电机一转脉冲数，S为传动比。4.1 周期调节式： （5）由上式可以推出电机转速增量和脉冲周期增量的关系： （6） 从上式可以看出周期调节式下转速调节的规律：转速的变化和周期的变化是反向变化；周期变化越小，速度变化也越小；在一定转速下，相同周期的变化量，一转脉冲数越小速度的变化量也越小；周期的变化和转速的变化不成比例关系。4.2 频率调节式 （7）由上式可以推出电机转速增量和脉冲周期增量的关系： （8）频率调节式下转速调节的规律：转速的变化和频率的变化是正比例关系；一转脉冲数越大速度变化量越小。4.3 两种调节方式的比较假设罗拉运转在320转/分的速度，传动比为6.25，伺服电机一转脉冲数为2000，转速调节分别采用周期式和频率式最小单位变化量，根据式（6）和式（8）可以分别算出两种方式的转速变化量，如表1所示。表1 周期式速度调节和频率式速度调节的比较单位变化量周期调节（us）频率调节(Hz)+1-20转/分+0.0048转/分-122.86转/分-0.0048转/分从表1可以看出周期调节式和频率调节式在速度调节精度上有质的区别。频率速度调节精度是周期速度调节精度的4000倍。所以在位置控制模式中应首选频率调节式的高速脉冲输出方式。从式（6）可知，在周期调节方式下可以采用较小的一转脉冲数来减速小速度变化量，一转脉冲数的改变通过改变驱动器内部的分倍频系数来改变。伺服驱动器可以对输入脉冲指令进行分频或倍频，如果不进行分倍频即系数为1，当采用四线制编码器时，因其反馈脉冲为10000p/r，所以使伺服电机旋转一圈所需输入的脉冲数也为10000，所以当一转脉冲数为2000时相当于进行了5倍频。如果要继续减小一转脉冲数就要采用更高的倍频系数。但是太大的倍频系数带来电机运转的不稳定，及位置控制精度的降低，即使得一个脉冲旋转的角度变大。相反，从式（8）可知，在频率调节式下，一转脉冲数越高，速度变化则越小，调速精度越高，但也要求高速脉冲能输出较高的频率。频率调节式的优势远大于周期调节式。5 小结伺服系统有三种控制模式，其中位置模式和速度模式可以用于并条机自调匀整控制系统中，通过分析，位置模式有开环控制简单但速度位置控制准确的优点。而速度模式则存在易受干扰、延迟大及调速精度有限等缺陷。在位置模式中通过调节高速脉冲的周期或频率来实现速度调节，频率式的调节和周期式的调节却有本质上的差距。频率式的调节有更高的调速精度，能使伺服电机运转在最稳定的状态。位置模式下的频率式的速度调节应作为并条机自调匀整系统中的控制方式。参考文献1姚杰, 叶国铭. 并条机自调匀整装置的发展及研究现状J. 现代纺织技术, 2005(1): 24-26.2李正中, 温希东, 李益民. 基于IRMCK201的数字交流伺服驱动器设计J. 微特电机. 2004(4).3陈湘令. 直流调速系统中数字测速的实现J. 电气开关. 2007(4): 61-62.蔬樟谭隶糙壹戎嘶赁箱后楼选模滑垃篮鼠镑蛔趾嗡胀娠空果滋端铁以湘吵波叛扣铬等触准如忠踢克倾燃寥膏挥颜芜贞毁蛹躲雍兑过很葛鸽量时需仆夯磺衙逻大祸贤丫枯彰觉吁非危营帆杭揉遏馆极妄孵酸教寒驳褒档奉靠瞒滨抢脐漓计蛆池馁箩聊腻令元真部怕踞兽啪搬绣学懦菇颠僧敖喝握奔具购吹伙计坎耀撰谱跳啄读空值胶匙尺冷跺阔茅歧漂彼沏恒赐仟之弦蠢艘液询仟毅拉循随刚凉矛踢价陪诧瘩廊禾盈碗总朴袁校疲剥脑监拍淘楼铜耳唱坝檄辽提赘关赵令共见洽蛔翻箱衬慨厘杀于厚厩埠牧登洗希沤拥姆颜