毕业设计（论文）-卷染机控制系统设计.doc

目 录 1 绪论11.1卷染机结构及工作原理简介11.2 国内卷染机及控制系统的概况21.3 卷染机的恒线速控制系统的发展32 卷染机拖动系统的数学分析62.1可逆卷绕机构的调节特性62.2卷绕过程的数学分析72.3 织物卷染过程中的恒线速度控制分析92.4 变频调速电机控制特性102.5 变频调速系统102.5.1 变频器调速的意义112.5.2 变频调速的两种方式122.6 机电参数的选择123 变频器和异步电动机的控制硬件系统173.1变频器的控制模式183.2硬件线路部分设计193.2.1电源部分设计193.2.2输入与显示部分设计213.2.3信号采集与处理部分设计233.2.4 强电控制的电路设计243.2.5单片机选用及辅助电路部分设计254 控制功能及线路连接294.1 伸长补偿及自动循环控制原理和控制软件304.2织物卷染过程中的恒线速度控制和显示314.3线路连接325 仿真调试与运行345.1硬件电路的调试345.2软件的调试345.3硬件软件的联合调试355.4试验运行35结束语36参考文献37致谢3838 卷染机控制系统设计摘要：本文通过对卷染机工作原理的深入分析和研究，提出了利用交流电机变频调速技术实现恒定线速度控制的基本原理，并研制了单片微机，变频调速器，以及霍尔传感器组成的卷染机新型恒线速度控制系统。通过对可逆卷绕机构卷绕特性的分析,建立了织物卷绕过程的数学模型,并利用该模型分析了织物卷绕过程的恒线速度控制,对相关的机电参数进行了计算，研制了以单片机为主控元件，充分利用变频器的内在优势，使用开关量，通过交流变频技术达到恒线速度控制的目的。此外，充分利用了单片机的内含功能，采用双计数的方法，实现织物的伸长补偿和自动循环。整个控制系统结构简单、性能可靠、自动化程度高、调速性能好等优点，它对卷染机的机电一体化改造和新型卷染机的设计制造有着重要的指导意义。关键词：卷染机 恒线速度控制 单片机 变频调速THE CONTROL SYSTEM DESIGN OF DYEJIGGERABSTRACT：This paper proposes a basic principle that can attain constant facial speed control by use of the technology of AC motor variable frequency, which through researching and analysis of the working principle of the jigger, and develops a new type uniform speed control system of jigger consisting of microcomputer, inverter drive and Hall sensor.Though analyses winding characteristic of reversible winding machine,and erects a mathematical model, and detailed analyses constant facial speed control about winding textile, and calculates correlative parameter, this paper develops to obtain constant speed control by using microcomputer as main control componet, talking advantage of superiority of inverter, and using switching quanity of AC vairable frequency technology. In addition, using interior function of microcomputer to offset elongation of fabric by means of double count and accomplish cycling automatically. This system has the feature of simple mechanical structure, high precision of regulating velocity, liable function and high automation. It has important directive function to the mechatronical transformation of jigger and the design and manufacturing of new pattern of jigger.KEY WORDS：dyejigger; constant facial speed control; microcomputer variable-frequency regulation speed1 绪论 1.1卷染机结构及工作原理简介染布这一工业自古以来就有，随着科学技术的发展和经济水平的提高，染布的工艺和染布质量越来越得到了较大的提高。人们消费观念的不断增强，也需要我们采用新的技术、新的设备、新的生产方法以满足人们的需求，适应社会的发展适应历史的潮流。现在，变频器已越来越受到科学家们的喜爱，虽然它的发展历史不长，但它可以实现很好的对电动机的调速，应用中很方便。要达到染布质量的高要求即染布均匀颜色效果好就需要这样的设备。因此，本课题用变频器和异步电动机相结合与卷染机配合以达到很好的染布效果的目的。经实践和技术水平证明：变频器的恒线速度控制系统可以很好的实现染布过程均匀，染布质量效果好。卷染机在染布过程中的作用是勿容置疑的，从古到今，一直有不断的新技术引用在上面。卷染机俗称染缸，是较早使用的平幅染色机械。它大大提高了染布的效率，降低了劳动时间提高了企业效益。它适用于直接染料、活性染料、还原性染料及硫化染料的织物染色；也可供退浆、煮炼、漂白、洗涤和后处理等使用。由于它结构简单，操作灵活，检修方便，投资费用少和用途广泛等优点，特别适合于多品种，小批量的加工和生产。与连续染色相比，卷染机染色至今仍认为是质量最好的染色方法。虽然它使用较早，但至今用户不减，近几年来一直在发展提高。现在的染槽用不锈钢制造，传动由联动改为单独驱动并实现坯布的恒线速度卷绕。最吸引人的是带有微机的大型卷染机的出现，这些新的发展，不仅增加了布卷的尺寸，而且全过程由微机程序控制，染色质量非常稳定。卷染机适合于小批量，多品种织物染色，其基本工作过程是将一定长度和宽度的织物反复通过一定浓度和温度的染液，并根据工艺要求完成一定的往复次数，以使染料在布面上着色。因此，卷染产品的工艺简单。卷染机的工作原理是两个几何尺寸相同的卷辊，其中包括卷布辊和放布辊，带动织物在染液槽中往复染色，直至达到工艺要求。随着卷染的进行，卷布辊直径逐渐增大，放布辊直径逐渐减小，要实现织物的恒线速度卷染，卷布辊的转速要求逐渐降低，对卷布辊要求进行无级调速。织物的恒线速调整，经历了纯机械的差动机构式，液压马达调速，绕线电机和直流电机几种调速形式。直流电机虽然有起动转矩大，调速范围广等优点，但是在卷染高温，高湿环境下容易烧坏绕组。并且滑环和电刷也需经常维修，直流调速系统和计算机接口比较麻烦，实现自动控制也比较困难。本课题使用变频调速器带动普通三相异步电机，通过单片机和测速系统实现织物的恒线速卷染，并实现卷染过程的自动控制，减少了劳动力的使用。根据卷染工艺要求，织物的卷染张力F=常数，为此，卷染机的工作特点是两个完图1.1 卷染机工作原理图全相同的电机C,D,如图1.1，通过两个完全相同的齿轮箱，驱动A,B两个本身直径完全相同的卷辊。织物由B卷辊通过导布辊C,H在染缸内浸染后卷到A卷辊上。此时，电机C处于电动状态，而电机D处于被拖动状态，而且保证在卷染过程中，使织物保持一定的张力F。正向运行到即将全部将织物卷染到A卷辊上，通过电气自动控制系统是电机制动，停止，反转，织物再由A卷辊通过染缸浸染后卷到B卷辊上，如此循环往复，直到达到要求为止，电气自动控制系统设计就是依据此工艺要求来进行的。1.2 国内卷染机及控制系统的概况现代多功能恒线速，恒张力卷染机，能适应一般的织物，针织物及丝绸的煮炼，皂洗和水洗等工艺，并可对植物进行缩减，丝光工艺处理，特别适用于多品种，小批量的织物处理。随着时代变迁，卷染机的染液槽从木制发展到铸铁，不锈钢，减少了对织物的磨损，传动则由单机联动到单独传动，工作幅度从窄幅到宽幅，工作温度从常温常压发展到高温高压，由紧式发展到松式。目前，卷染机正朝着不锈钢、阔幅、松式、高温等多种结构相结合的方向发展。其中，最为显著的特点是其机电一体化程度越来越高，机电一体化是目前新型卷染机发展的必然趋势和目标。机电一体化是将传统的机械技术同新型的微电子技术及信息技术相结合，可以说机电一体化是现代机械的标志。在1996年的世界纺织机械展览会上，葡萄牙的NORFIL、意大利的MEZZERAINTELMCH及丹麦的HENRIKSE都选送机型参加展览。目前，在国内外，包括卷染机械在内的纺织机械设备的机电一体化设计具有以下几个方面的特点：1） 自动控制技术，计算机技术应用不断深入。 由于计算机硬件的大批量生产，成本的下降，使其在自动设计，自动控制，自动管理方面的应用越来越广泛。2）采用新的控制方法。意大利美塞拉公司的VGSO型卷染机的恒线速度，恒张力控制系统，驱动系统既不是直流电机，也不是交流电机，而采用了液压马达，它与交流电机，直流电机控制相比，其电气控制较为简单，但价格较为昂贵。3） 多种方式控制技术相结合。当一台机器需要控制多个参数时，一般不用一种控制方式，而采用多种方式结合来加以控制。4） 控制系统的数字化，计算机化。 随着数字化技术，计算机技术的发展，为了使控制更为精确，运行更为可靠，制造厂家普遍采用了数字化技术，并且，随着微电子技术的发展，当控制系统较为复杂时，采用微处理机作为主要控制装置，向控制的计算机化方向发展。从以上可以发现，利用变频器和单片机进行卷染的恒线速控制不仅适合机电一体化的发展方向，而且，目前这种控制方式在国内外较为少见，是一种新型的控制方式。其中恒线速度控制保证了卷染过程稳定可靠，染布质量高。1.3 卷染机的恒线速控制系统的发展卷染机在整个工作过程中，考虑其卷染工艺的要求，必须保证不了在染液中不存在时间差，亦即保证不了线速度的恒定。在卷染机的发展史上，布料的调速先后经历了纯机械差动式、液压马达式、绕线电机、直流电机、交流电机调速等多种调速方式。1） 机械差动式为了实现卷染织物的恒线速度控制，机械差动式使用圆锥齿轮差动式或圆柱齿轮差动式两种。 工作时，差动轮系带动卷布辊旋转，同时，通过布料带动放布辊旋转，随着卷布层数的增加，线速度加快，通过差动轮系中行星轮的自传使卷布辊降速。自动调头装置是计数器，到达预定层数时，使电机停转后又反向运转，起到往复卷染的目的。这种结构复杂，织物线速度在两卷辊层数接近时为最高，一般为换向时的两倍，因而调速范围差，且速度不宜改变，差动机构速度波动达到40%，纯机械式实现全过程自动化比较困难，零部件磨损较快，这些缺点阻碍了它的进一步推广和发展。2） 绕线使电机调速绕线式电机调速是利用转子附加电阻的改变来到到调速的目的，但这种电机制造困难，而且启动较为复杂，难以与计算机接口，不易于进行自动控制。3） 直流电机调速直流电机与交流电机相比，其主要优点是速度调节范围广，而且平滑，其次是它的起动转矩较大。但是直流电机调速也存在着种种弊端：(a)制造工艺复杂，消耗有色金属较多，生产成本较高。(b)直流电机在运行时由于电刷与换向器之间易产生火花，使用环境受限，特别是在易燃易爆场合难于应用。因而，可靠度较差，维修困难。(c)由于直流电机结构因素，使电机转速受到限制，单位功率重量指标较高，直流电机的单位功率重量指标一般在3kg/kw以上，而鼠笼式异步电机仅在（1.5-4）kg/kw之间。(d)直流电机的电枢电压和电流都受到换向器的限制，因而电机功率较低。(e)直流电机不易实现与计算机接口，实现自动控制较为困难。正是由于以上原因，限制了其进一步发展。4） 交流电机调速交流电机于直流电机相比，具有一些固有的优点：(a)交流电机不存在换向器圆周速度的限制，也不存在电枢元件中抗电势数值的限制，其转速设计可以比相同功率的直流电机的转速更高，因而单机功率比直流电机的单机功率更大，单机功率重量指标较低。(b)交流电机的结构简单，因而制造成本较低。(c)交流电机在高速时，仍可发挥较大功率，甚至能以额定功率作恒功率运行，而且交流电机无换向器之类需要经常保养维修部件。经过长约30年的发展，交流传动控制技术在电力电子器件（包括半控型和全控型器件）的制造技术。基于电力电子电路的电力变换技术，交流电机的矢量变换控制技术，PWM技术以及以微型计算机和大规模集成电路为基础的全数字化控制技术等理论方面取得了突破性进展。目前交流变频调速传动，指采用电子式电力变换器对交流电动机的变频调速传动，已上升为电气调速传动的主流，其性能已经可以和直流调速系统相匹敌，甚至可以超过直流系统。从以上论述可以发现，早期的卷染机是纯机械式的，速度波动大，后期又出现了双直流电机调速，由于卷染工作环境比较恶劣，直流电机难以适应。因而，在国际上并没有流行开来，现在国际上流行的是液压马达。它使用使电子控制可适应卷染机的工作环境，但要配备相应的液压系统，使卷染机的结构复杂化，而且成本高，维护保养两大。液压传动操作复杂，需要特殊的消防措施。国内卷染机使用磁粉调速器，磁粉作为中间离合传递介质，在无级调速时，相对位移磨损较快，且工作寿命低。2 卷染机拖动系统的数学分析2.1可逆卷绕机构的调节特性卷染机是可逆卷绕机构，图2.1为其示意图：图中，织物由卷辊B退出，上卷到A上，此时，B为退卷，A为上卷。待B的织物退完后，织物变换运动方向，再由卷辊B退出卷到卷辊B上，此时A为退卷B为上卷，如此往复进行，直到完成染色工艺为止。卷绕过程为一恒线速度、恒张力控制过程，由力学知道：线速度： V=nD 式中：n卷辊的转速，单位为r/min(转/分钟) ；D卷辊直径。 当卷辊A以转速作顺时针方向转动时，织物被卷绕到卷辊B上，为保证染色均匀，达到染色工艺要求，在整个工作过程中，织物张力F=常数。而织物张力是由相邻的两个传动点上的线速度差使得织物产生弹性伸长而形成的。所以保持线速度恒定和保持张力恒定是一致的。那么由公式P=FV可知功率是恒定的。也就是说卷绕机构有恒功率调节特性。其物理意义为：卷绕过程中，为了织物的张力保持恒定，则随着卷径D的增加，上卷辊的负载转矩M=FD/2将成比例的增加，上卷辊的负载转速=V/D，为保持线速度恒定，应该使上卷辊的转速与卷径成反比例,则传动上卷辊电机的输出功率也是常数。为了清楚起见，将卷绕过程中电机的转速n、织物的线速度V 、张力F等参数与直径D的关系表示如图2.2所示。反之，如果传动卷绕机的电机在运行的过程中保持不变，为一常数，则随着卷绕机直径D的增大，织物的线速度、张力都将成比例的增大，如图2.3所示，以致织物被拉断。显然这不符合生产要求的。所以，卷染机的机械特性为双曲线。2.2卷绕过程的数学分析由卷布辊、电机及传动装置组成的卷染机传动系统，其运动规律方程由下式来描述： 式中 电机产生的转矩（）； 折合到电动机轴上的静负载转矩（）； 折合到电机轴上的总的飞轮惯量（）； n电动机输出转速（）； T时间（s)； 375具有加速度量纲的系数。静负载转矩为摩擦力矩和张力力矩，摩擦力矩很小，可以忽略，则有： 式(2-1)式中: F-织物张力； D-上卷辊的直径； i-传动比； -机械效率；将（式2.2.1）写成如下形式： 式（2-2）式中：-动态转矩，的大小与旋转系统的和旋转系统的加速度的乘积成正比。包括： 式（2-3）式中 -折合到电机轴上的机械飞轮惯量； -为电机的飞轮惯量； -随直径D的变化而变化，且 。对于圆柱体，其转动惯量为：式中 -取dR增量时，相应的质量增量； dJ-相应于部分的薄壁圆筒的转动惯量。则整个卷绕部分的转动惯量是： 式（2-4）式中 -空滚筒的直径；D-最大卷径。又因为 式（2-5）式中 B-为卷筒的宽度，即卷绕物宽度；-为卷绕物的比重； z-为填充系数。将上式代入式2.2.4，得： 式（2-6）在式（2.2.2）中，电动机的转矩是由电动机的类型及其控制方式决定的，而生产机械的负载转矩是有生产机械的负载特性决定的。两者是相互独立的。如果人为的控制电动机的转矩使之于之间存在某种关系，则可以控制旋转系统的运转状态。如，则系统处于减速状态。为了按生产工艺要求控制生产机械必须根据生产机械的转矩特性和旋转系统的的具体情况，恰当的控制电动机的转矩。在卷布过程中，卷径D随时间t不断变化，必定引起线速度变化，要保持线速度恒定，就必须降低转速，转速的变化引起了和的变化。因此，卷绕过程是一个动态的时变过程，较为复杂。目前大多使用直流电机调速，有的利用变频器外控端子的模拟电压输入，通过改变加在该端的控制电压进行调速。硬件复杂，调速性能不太理想。本课题提出一种利用变频器所具有的特性有的特性，使用开关量进行控制，经过理论论证和实践证明该方法简单实用具有重要的推广实用价值。在设计变频区和异步电动机的卷染机控制系统中，考虑到卷径D和转速n的变化对动态品质的影响，优化频率曲线，一方面使变频器的输出频率能够跟踪卷径，保证变频器品率下降能够补偿由于卷径上升而引起的线速度的增加，同时，还应该考虑如何使频率变化缓慢，以保证动态转矩尽量小，张力扰动小，以便能更好的控制张力。2.3 织物卷染过程中的恒线速度控制分析卷染机在卷布过程中，随着布层的增加，卷辊的转速要求降低，以保证恒线速度卷饶，一般方法是通过检测卷绕直径的变化或者是张力辊的线位移进行调速，这需要附加的机械装置，检测信号也比较麻烦。本课题采取的控制系统如2.4图所示图2.4 恒速度控制系统框图这里测量卷布辊转速的方法是利用霍尔传感器和单片微机来测量导布辊旋转一周的时间并将其作为恒线速度控制的中间参数，按工艺要求设定一卷染线速度，设定线速度的上下限为VV测得线速度达到上限时，控制变频器频率输出下降，使电机降速；速度下降之下限时，停止变频器频率输出下降，卷布线速在卷径的影响下将上升，重复工作过程，便可使卷布线速维持于VV之间。从以上分析可知，为了保证恒线速度控制，输出频率的变化必须能够有效的跟踪卷径D以补偿布线速度的上升 。 2.4 变频调速电机控制特性交流电机可分为同步电机和异步电机。异步电机又分为鼠笼式异步电机和绕线式异步电机。三相鼠笼式异步电动机结构简单，坚固耐用，工作可靠，价格低廉，维护方便；其主要缺点是调速困难，功率因数较低，起动性能差。电机类型不同，调速方式也不同，这里就将交流异步电机的变频调速原理作一简单介绍。有电机学原理知道 式（2-7）式中:f供电频率； P极对数；s转差率。由该式可知改变频率f即可进行调速，变频调速就是通过均匀的调节电机定子的供电频率f，平滑的改变电机的转速n，而在调速的过程中，从高速到低速都可保持有限的转差率，因而具有高效率，宽范围和高精度的调速性能及足够的刚度的机械特性，这种改变定子供电频率的调速装置就称之为变频器，它已广泛应用于各种工业场合，变频器可分为交-交和交-直-交两种形式，比较通用的是交-直-交变频器。按直流电源性质分为直流型变频器和电压型变频器；按输出电压调节方式分为PAM方式、PWM方式和高载波频率PWM方式；按控制方式分为U/f方式、转差频率控制和矢量控制。 2.5 变频调速系统变频器的发展历史不长，但发展速度很快，到目前为止，在世界范围内大体有三代。第一代是普通功能型U/f控制通用变频器，不具有转矩功能；第二代具有转矩控制功能，有无跳闸能力，输出静态转矩特性较第一代有很大改进，机械特性硬度高于工频电网供电的异步电动机，并且具有挖土特性；第三代是动态性能型矢量控制通用变频器，具有较高的动态特性。2.5.1 变频器调速的意义就是在同一负载下能得到不同的转速,以满足生产过程的要求。各行各业的机械品种十分繁多，对调速的具体要求和目的也千差万别。但归结起来，调速的意义主要有以下三个方面：1) 提高产品质量 例如，各种切削机床的主轴运动随着工件与刀具的材料、工件直径、加工工艺的要求及走刀量的大小等的不同要求有不同的转速。在为提高工件的光洁程度而进行精加工时，需要提高切削速度；塑料薄膜在收卷与放卷过程中，随着卷径的变化，卷绕轴的转速应该作相应的变化，以保证薄膜的张力恒定。而本次封盖机的设计中，调速的主要目的是调节转台系统的转速，从而改变拨瓶系统的转速，以此来实现玻璃瓶能准确快速地被拨到拨瓶系统上，这样，可以解决在运输及封盖过程中瓶子有可能发生碰撞等意外。2) 提高工作效率 例如，龙门刨床在刨台返回时，是不进行切削的空行程，故返回时速度应该尽量快，以提高效率；电车奔驰在并不拥挤的宽阔的大道上时，应加大车速，以节省时间。3) 节约能源 对于鼓风机和泵类负载，用调节转速来调节流量（或风量）的方法，与通过调节阀门（或风门）的方法相比，节能效果是十分明显的。三相异步电动机工作在额定电压和额定频率下，电机按规定的接线方式，定子及转子电路不外接电路，或电抗时所获得的机械特性曲线极为三相异步电动机的固有特性。异步电动机改变定子的频率就可平滑的调节同步转速，但是随着频率的变化，电机的机械特性将随着改变，能否满足生产要求，都应加以研究，对于异步电动机，其感应电动势为：E=4.44NKf其中f:定子频率； N:定子每相绕组匝数； K：绕组系数； ：旋转磁场的每极磁通。2.5.2 变频调速的两种方式1) 在f f，即高于额定转速调速时，应保持U=U。这时磁通和转矩T都将减小。转速增大，转矩减小，将使功率近于不变。这是恒功率调速。如果把转速调高时U/f的比值不变，在增加f的同时U也要增加。U超过额定电压也是不允许的。频率调节范围一般为0.5320Hz。转矩T都将减小。2.6 机电参数的选择为了满足上述要求，必须正确选择有关的机电参数，包括电动机的额定频率，电机的类型，变频调速器的容量，传动比的计算，频率的变化范围等，恰当的选择这些参数对于整个控制系统的设计有着重要的意义。以M141型高温高压卷染机为例，根据卷染的工艺要求，卷染的线速度范围一般在30-60m/min，卷染张力在0-980N(0-100kgf),卷径则分布在300-600mm之间。参数的选择按以下步骤进行：1） 电动机形式与容量选择：鉴于车间的环境及恒功率负载，选择笼型电动机，结构牢固，可靠性高，适应恶劣环境，价格便宜。正确选择电机容量，可以使电力拖动系统可靠而经济的运行。若电机功率选择过大，则会造成设备投资过大，运行费用高，控制设备的投资也相应地增大。如果电机的功率选择过小，则会造成设备投资过大，运行费用高，控制设备的投资也相应地增大。如果电机的功率选择过小，则电机的负载力低，电机的寿命也会降低，电机的输出功率在额定功率左右时，运行效率高，轻载时，运行效率低。所以电机在能够胜任生产机械负载的情况下，最经济，最合理的确定电动机的功率是设计的一个重要环节。电动机容量应大于负载所需功率。从理论上，卷染机所需的最大功率为： 式（2-8）式中 F-织物最大张力（kgf） V-织物最大线速（m/min） 初选电机 ：机械传动效率 =0.850.95 K：卷染传动机构计算系数K=11.3所以，可以初选电机功率为P=2.2kW。2） 变频器形式及容量选择：卷染机的机械特性为恒功率负载，转速大体成反比。负载的恒功率性质是就一定的速度而言的，当速度很低时，受机械强度的限制，T不可能无限增大，在低速下则变为恒转矩性质，采用具有转矩控制功能型变频器，低速转矩大，静态机械特性硬度大，具有挖土机特性。目前，矢量控制型变频器已经通用化，对于要求精度高，快响应的卷染机来说，是一种很好的方案。 由于变频器的过载能力有限，选择电动机时，可按电动机在工作过程中的最大电流来进行选择。大部分情况下，变频器的容量应放大，在此取3.7kW。3） 确定传动系统的传动比，并校核电机的容量：交流异步电动机。图2.5 不同是机械特性图（）4） 变频器调速后，其有效转矩和功率范围分别如图2.5所示：5） 异步电动机配用变频调速器，必须根据生产机械的特性以及对调速范围的要求，对传动系统进行优化设计。 图2.5 一般情况下，各种机械的强度、振动、以及耐磨性能等等，都是以电动机转速不超过3000r/min为前提进行设计的。因此在没有对机械重新进行设计的情况下。电机的最高运行频率不要超过额定功率太多。当异步电动机在额定功率以上运行时，由于电源电压是恒定的，其在调到f电磁转矩T近乎和频率调节比kf (=f/f)的平方成反比。即T/k(而T为额定频率是的转矩)。因此，一般说来，最高运行频率不宜超过额定频率的2倍。异步电动机在低频下运行时，为了获得足够的转矩，常常需要进行转矩补偿，而转矩补偿将使电机的磁路区域趋于饱和，从而增加附加损失，降低了效率。因此，只要情况许可，应尽可能的提高运行频率的上限。对恒功率负载，当调速范围较大时，尽量采用两档传动比，这样，频率范围与转速范围之间的关系为=。可见，在转速范围相同的情况下，频率范围将大为减小，从而可减小电机的容量，这一点通过机械特性曲线看得更为清楚。图2.7中，曲线是恒功率负载，故曲线上任意点的横坐标与纵坐标的乘积均相等，且与负载功率成正比，即P=KTn= KT n。曲线是全部转速都在额定频率以下调节时的有效转矩线，这是所需电机的容量P=KTn KT n=比负载功率的倍还要大，是很不经济的。图2.6中，最高运行频率为额定频率的两倍，传动比只由一档的情形，曲线是其有效转矩线，这是所需电机的容量P=KTn，只要大于负载功率的倍就可以了。图2.6 恒功率负载在2内调速图（传动比只一档） 图2.7 恒功率负载在2内调速图（传动比两档）图2.7中，最高运行频率为额定频率的两倍，传动比为两档的情形，曲线是其有效转矩线，这是所需电机的容量P，对于恒功率负载来说，当4时，这种方案是比较理想的。所以传动比的设计必须核实，传动比过大，会造成电机输出频率变化范围过大，可能导致电机不能正常工作，变频器处于不适当的工作条件。另外，传动比过大还会造成传动轴的尺寸不合理。传动比过小，会致使电机的输出转矩通过传动系统提升过小，导致不能带动负载，使电机可能发生堵转，损坏电机。卷辊上 V=nD n=设卷染传动比为j，这算到电机轴上 n= 因为，进一步 式（2-9） 通过计算，可以求得0.28jpf23.7/1.5=15.8，所以，传动比j=20，极对数p=4。通过以上计算，对选择电机参数提出以下要求：根据卷染工艺要求的卷染线速度、卷染张力、以及卷径范围来确定交流电机的功率P=2.2kW。选择电机的额定功率P=2.2kW可以保证交流电机能够胜任生产负载，还可保证交流电机运行效率高，运行更经济合理。在计算机械传动部分的传动比时，必须保证传动比设计合理，已能满足交流电机和变频器的正常工作要求，通过计算机械传动比设为j=20。根据交流电机的功率、卷染机的工作条件以及传动比的大小，我们选用电机的型号为YCJ132-2.2，它由同轴式齿轮减速器和一全封闭自扇冷式Y系列三相笼异步电动机组成，输出为70r/min，其特点是输出转速低，转矩大，体积小，噪声低，振动小，运行可靠，使用方便，维修简单，能够较好的适应生产环境。 3 变频器和异步电动机的控制硬件系统使用机电一体化思想来设计卷染机，可用交流电机变频调速技术来实现织物的恒线速度控制，整个卷染机的控制系统图如图3.1所示。图3.1 卷染机的传动结构及控制系统图在整个设计过程中，采用两个卷辊各自使用单独的交流电机传动，以简化卷染机的传动机械机构，电机在卷染过程中，只有一个开，另一个则处于无电状态，因此可以使用一台变频器进行切换控制。电机通过同步带带动卷辊旋转，A卷辊卷布时，A 电机逆时针方向旋转，织物带动卷辊B和电机B逆时针方向空转。B卷辊卷布时，整个过程与A卷辊卷布时相反。在整个过程中，变频器通过切换来控制A、B电机。在轴端装有超越离合器，其星形体2通过键和轴A相连。A卷辊卷布时，三个圆柱辊子外环1和星形体2之间的摩擦力。使辊子压缩弹簧5向楔形槽的宽端运动，从而使星形体2与外环1之间无传动联系。A辊在放布状态时，超越离合器中滚柱3移向楔形槽，星形体2通过辊子带动外环1顺时针方向旋转。在外环上装有韧带式制动器。通过弹簧调节其压紧力，产生一摩擦阻力矩。其作用是给放布状态以一定的张力，是布崩紧，避免布料再卷染过程中折叠和起皱。B超越离合器和A的方向相反，加工中为同一类的零件，装配时，反向安装即可。3.1变频器的控制模式 从前面系统的数学分析 式（2-7）可以知道异步电机的输出转速为n=，通过均匀调节定子的供电频率，即可平滑的改变电机的转速，为了达到对织物卷染过程恒线速控制的目的，必须保证频率能够跟踪卷径的变化，使变频器的频率输出能够补偿由于卷径增大而引起的线速度上升。根据卷染的工艺参数，如线速度，布料的种类便可求出相应的频率输出。以VFD型变频器为例，见设计图，图中R，S，T为主回路三相交流电源输入端，U，V，W为变频器输出端子，接入三相异步电机。变频器接地端必须保证其良好接地。端子为多功能输入选择端子，主要应用于控制频率的上升和下降的加减速时间。端子为正反转运转/停止控制端子，可由此确定执行输入信号。主频率既可由变频器面板输入，也可端子输入，它们是类比信号输入端，以电压或电流的模拟量形式来实现变频器频率上升或下降的切换控制。本课题通过设置变频器的功能参数，来保证变频器的加减速时间，达到恒线速度卷染的目的。在变频器的功能参数中Pr10，Pr11，Pr12，Pr13位加减速置参数。Pr10设定为第一加速时间，自OHZ加速至基准周波数Pr03设定值所需时间大小，Pr11设定为第一减速时间，为自基准周波数Pr03设定值减速至OHZ所需时间大小。其频率设定值可参考图3.3。因此，由加速至设定频率所需时间，右上图及设定值计算出。同理，可以计算实际输出频率减速值所需时间大小。第一，第二加减速可选择多功能端子加以控制，如下图3.4所示：图3.3变频器频率设定示意图图3.4 加减速控制信号图这样，通过控制端子，便可使变频器的频率输出以设定的加减速时间上升或下降，所设定的值应满足以维持线速度恒定所需的频率变化条件。在通过控制端子来控制频率上升或下降的切换。 3.2硬件线路部分设计根据变频器运行的控制模式以及卷染工艺过程对系统的要求来设计硬件线路。整个硬件部分大体上可以分为电源部分、输入与显示部分、信号采集与处理部分、输出强电控制部分。3.2.1电源部分设计在单片机系统中，一切设计的目的均是为了保证所设计的系统或设备能满足用户所规定的要求，其中包括对电源供给的要求。从某种意义上讲，电源供给系统设计的好坏将直接影响整个单片机系统工作的稳定性。对一个单片机系统来说，需要给整个控制系统提供稳定的供电电源。一方面，现场的电压和频率波动范围大；另一方面，系统要求供电电源的度高，波纹小，这些均属于对电源本身性能的要求。根据卷染机的工作情况，对卷染机恒线速度控制系统采用DC-DC变换方式给系统供电，整个控制系统对电源提出了以下要求：1)电源输出必须提供高稳定的低压输出。单片机系统中采用的单片机是8051，数字集成电路等一般对电源要求范围比较宽，通常为520%。但对于某些器件，则对电源要求较高，必须给其提供较为稳定的基准电压源，因此，电源电压的稳定性要求是设计时首要考虑的问题。2)防止外界干扰从电源串入系统。单片机系统中最重要，危害最大的干扰来源于电网的污染。从一般技术因素上分析，通过电源引入的电网干扰是造成系统受损或工作不可靠，而导致系统失效的各种干扰，以切断通过电源供给而串入的各种干扰，是电源设计的重要标志。3)过流、过压保护。电源在加电时可能会产生极高的浪涌电流，必须在电源电压的输入端采取一些限流措施，有效的将浪涌电流减小到允许的范围之内，如果不采取任何措施，浪涌电流可能拉近几百安培，会损坏器件，在一般情况下交流电网的电压在220伏左右，有时会产生尖峰高电压，尖峰高压持续的时间很短，但确有足够的能量能使形状电源的器件损坏，因此必须采取必要的措施加以避免。 4）电源供给需配多端输出。由于整个控制系统除主控系统以外还有检测部分，检测部分对电源供给的要求与主控系统不同，这就要求电源供给提供多端输出，以满足系统的需要。电源系统设计原理图如图3.5所示。220伏交流电压经变压器变压后，分为两路：一路经整流滤波，开关源稳压后，供给单片机。另一路是经整流滤波稳压输出直流12伏，供给变频器用。针对控制系统对电源供给的要求，采用开关电压5219，一方面开关电压体积小，重量轻，但主要考虑到电源供给的稳定性及抗供电网系统干扰能力，开关电源5291供电电源的稳定长高，波纹小，这些均属于对电源本身性能的要求。5291是由一个还温度补偿的参考电压源（1.25伏），比较器，能有效限制电流及控制工作周期的振荡器，驱动器及大电流输出开关等组成。电路输入工作电压范围为30到40伏，输出电压可以调整，输出开关电流可以达到1.5A。该系统电路工作频率可以达到100kHz，其内部电压参考精度为2%，且有电流限制功能。5291的2脚输出后，接二极管5891和稳压管SA5.0以及LC滤波器，主要进一步减小波纹和噪音，电路的效率可达82.5%。7812为一个三端稳压集成块，能够将含有脉动成分大的直流稳压成稳定的12伏直流电。图3.5 电源系统原理图3.2.2输入与显示部分设计这一部分采用控制面板和数码管以及发光二极管显示，操作简单，直观，灵活性大，便于控制，编程和调整工艺参数，面板如设计图所示。单片机应用系统中是一个关键的部件，它向实现向计算机输入数据，传送命令等功能，是人工干预计算机的主要手段。键盘实际上一组按键开关的组合。在整个恒线速控制系统中，键盘部分的各个按键互相独立，采用独立式键盘输入，每个按键各接一根线到8051，通过软件来查询输入口的电平状态，进而判断是哪一个键被按下，然后系统执行相应的功能。变频器的工作状态：当磁钢经过传感器时，指示灯就亮，否则就灭，便于检查变频器是否正常工作。织物运行状态显示的是的是设置的工作状态是参数输入还是手动上布或是自动状态，变频器的工作状态显示变频器的运行频率上升、下降以及变频器故障显示。数码管显示电路原理图如设计图所示，有两片MAX7219驱动16个数码管。从目前的LED显示电路来看，美国MAXIM公司MAX7219的串行LED显示驱动器避免了CPU直接定时对LED服务，CPU让出更多的时间对LED服务，适合实时性强的工控系统。1) MAX7219的引脚功能和电路特点：MAX7219采用24脚双列直插封装，其引脚如图3.6。各引脚功能如下：DIN为串行数据输入端；DIG0DIG7为8根驱动连线端。GND为接地端。CLR为时钟输入端，最大频率为10MHZ，时钟上升沿把DIN数据移入内部16位移位寄存器，时钟下降沿把数据移向DOUT端口。SEGASEGG和SEGDP为七段驱动和小数点驱动连线端。ISET端线通过一个SET电阻和电源端相连，以提供段电流。V为电源端LOAD为装入数据控制端，在LOAD上升沿锁存最后移入的16位串行数。DOUT为串行数据输出，进入DIN端数据在16.5个时钟后送到DOUT端，数据入出的关系如设计图所示。图3.6 MAX7219引脚图2）位寄存器和控制寄存器片内寄存器分为8个位寄存器和6个控制寄存器，每个位寄存器用来存放点亮对应LED的具体内容。控制寄存器决定LED的工作方式，六个寄存器分别为：译码方式寄存器、亮度调节寄存器、扫描个数寄存器、关闭寄存器、显示测试寄存器、不工作方式寄存器，用户只需对他们编程，就可以选择译码方式、LED个数、显示亮度、关闭等一些功能。由图数码管显示原理图可见，两片MAX7219串联时，不仅与单片机8051连接简单，且多个驱动器串接也方便。TXD作为MAX7219的时钟CLR，16位一组数据从RXD端输出给DIN输入端，DOUT输出端传给下一片的DIN输入端，这样就可以控制16个LED数码管。3.2.3信号采集与处理部分设计在以单片机为核心的信息处理与过程控制相结合的过程中，信号传感及测电路是整个控制系统一个重要的组成部分。为了适应卷染的环境，采用霍尔传感器进行线速度信息、道数信息的检测与采集，并将采集到的信息转化为相应的电信号，送入单片机8051处理，进而去控制变频器，实现恒线速控制的目的。其原理框图如下图8051传感器整形光电耦合器 卷染机恒线速度控制系统中采用HKZ8002D型霍尔传感器，此类传感响应频率宽（50100KHz），回差复位，无开关瞬态抖动；工作电压宽（8-30V）；负载能力强；高可靠性，长寿命；具有工作状态指示灯和极性、浪涌保护等功能，可与微机直接借口。 脉冲被捕获，然后将其转化为单片机可以处理的电信号。线路中采用测量导布辊线速的方法是使用霍尔传感器和单片机来测量导布辊旋转一周的时间，以该时间作为线速的中间参量，通过时间参量来间接反映线速度的快慢。另外两个需要检测的参数为A，B卷辊的卷染层数，主要用于织物的伸长补偿和自动循环控制，其主要原理见第四章软件部分。下面结合具体的线路图来加以分析。INTA，INTB，INTC分别为安装于A，B两个卷辊和导布辊的三个霍尔传感器，卷辊A，B和导布辊每旋转一周，则霍尔传感器输出一个低电平。这个低电平由霍尔传感器输入光电耦合器，光电耦合器的LED发光二极管便导通发光，相应的光敏三极管感光后导通，于是在施密特触发器的输入端便会产生一个高电平信号，这个高电平信号通过施密特触发整形，放大，反相后送入单片机8051进行处理。施密特触发器的输出端接至单片机的三个中断口INT0，INT1，T0，利用中断服务程序对采集的信号进行判断，运算等处理。线路中的电阻和电容构成了RC滤波网络，用于对光电耦合器的输出信号进行滤波。检测信号线路采用+12V电源进行单独供电，其地线与单片机控制统的地线向隔离，以防止检测部分与单片机之间通过电源和地相互干扰。检测部分和单片机控制部分除了在电源和地上进行隔离以外，还对信号的传递通过光电耦合器进行隔离，使检测部分和单片机控制部分电器隔离，进一步提高了整个恒线速控制系统的抗干扰能力。3.2.4 强电控制的电路设计强电控制电路部分实际上是整个恒速控制系统的执行部分，包括电机的切换控制，变频器调整控制两个部分。输入信息经8051处理后，通过7407来提高带负载能力。因为8051每个端口电流驱动能力只有10mA，经过7407提高到50mA。按照整个卷染控制过程要求，控制系统必须能够自动切换电机，进行往复卷染。在这一部分设计中，采用