（控制理论与控制工程专业论文）基于dsp的剑杆织机电子送经卷取控制系统.pdf

捅晏 电子送经和电子卷取是现代高档织机的一大显著特征。织机采用电送电卷既 能提高产品质量，解决织疵问题，又可任意调节纬密，快速变化织造品种，而且结 构简单，灵敏度高、操作方便，是当前纺织工业发展的重要方向。目前，国产高档 织机在电送电卷装置的关键控制部件上直接采用国外的产品。但系统价格昂贵，而 且维修不便，技术上受制于人。无法满足国内的大量需求。 针对这种情况，本文在前期调研及初步研究成果的基础上，设计开发了剑杆织 机电子送经和电子卷取控制系统。该系统以d s p ( 数字信号处理器) 为主控制器，应 用交流伺服技术，实现在送经和卷取过程中对经纱张力和纬密的控制。主要工作如 下： 第一，采用了基于增量式数字p i d 的张力补偿控制策略，可通过人机界面或上 位机组态软件实时设定各种控制量和调节参数，同时可对生产状态进行监控。从而 实现对经纱张力和纬密的精确控制。 第二，预设八种张力值和八种纬密值，可根据用户需要实时设定并调整，并在 预设值之间切换，还可实现无级调节。 第三，针对开车痕问题，采取了开车前和开车后补偿两种手段。开车前恢复上 机张力设定值，开车后对起始的若干纬进行张力补偿。补偿纬数和补偿量可根据生 产状况的实际情况来确定和调整。 该系统经过生产现场的多次调试，运行基本稳定，能以较低的成本达到生产工 艺要求。 关键词：电子送经；电子卷取；d s p ；交流伺服；张力控制 a b s t r a c t e l e c t r o n i cl e t - o f f ( e l o ) a n de l e c t r o n i ct a k e - u p ( e t u ) a r et h em a j o rs a l i e n tf e a t u r e s o fm o d e r na d v a n c e db o m s t h eu s eo fe l o & e t uc a ni m p r o v et h eq u a l i t yo fp r o d u c t s ， a v o i dt h ed e f e c to ff a b r i t s ，a n da c h i e v ea n yr e g u l a t i o no fw e f td e n s i t ya n df a s t - c h a n g i n g v a r i e t i e so fw e a v i n g , t h ee l o & e t u s y s t e mh a ss i m p l es t r u c t t w e ，h i g hs e n s i b i l i t ya n d e a s yo p e r a t i o n i tb e c o m e sa l li m p o r t a n td i r e c t i o no ft h et e x t i l ei n d u s t r y a tp r e s e n t , t h e p i v o t a lc o n t r o lu n i t so fe l o & e 1 1 jd e v i c e sa td o m e s t i ca d v a n c e db o r e sc o m ef r o m a b r o a dd i r e c t l y b u tt h e ya r ee x p e n s i v e ，d i f l i c u l tt om a i n t a i n ，a n de n s l a v e dt oo t h e r si n t e c h n o l o g y , u n a b l et om e e tt h el a r g en u m b e ro f d o m e s t i cr e q u i r e m e n t t h e r e f o r e ，a ne l o & e t uc o n t r o ls y s t e mo ft h er a p i e rl o o m sb a s e do ne a r l i e r r e s e a r c hi sp u tf o r w a r di nt h i sp a p e r ；, i tu s e sd s p ( d i g i t als i g n alp r o c e s s o r ) a si t sr mi n c o n t r o l l e r ，a n da c s e r v ot e c h n o l o g y , t or e a l i z et h ec o n t r o lo ft e n s i o na n dw e f td e m i t yi n t h el e t - o f fa n d t a k e u pp r o c e s s e s t h er m i nt a s k sa r ea sf o l l o w s ： f i r s t , t h eu s eo fd i g i t a lp i d - b a s e dc o n t r o ls t r a t e g yo ft e n s i o nc o m p e n s a t i o n p a r a m e t e r sc a nb ee s t a b l i s h e db yh m io rc o n f i g u r a t i o ns o f t w a r ei nh o s t - c o m p u t e ra tr e a l t i m ea n dt h ep r o d u c t i v es i t u a t i o nc a na l s ob em o n i t o r e d ，t h e nt h ep r e c i s ec o n t r o lo ft h e t e n s i o na n dw e f td e n s i t ya r er e a l i z e d s e c o n d ，e i g h tk i n d so ft e n s i o na n dw e f td e n s i t yc a l lb es e ta h e a do ft i m e a st h e d e f a u l tv a l u e so fs y s t e m a n dc a nb ea d j u s t e da c c o r d i n gt h eu s e r sr e q u i r e m e n ta tr e a l t i m e ，o rs w i t e hb e t w e e nt h ed e 伍此v a l u e s ，e v e nr e a l i z es t e p l e s sa d j u s t m e n t t h i r d ，t e n s i o ni sc o m p e n s a t e db e f o r ea n da f t e rt h es t a r t i n go f r m i nm o t o ri nt h eb o m t oa v o i ds t a r t i n gr m r k s l o o mt e n s i o ni sr e s t o r e db e f o r es t a r t i n go fw ai nm o t o ra n d t c m i o no fi sc o m p e n s a t e da c c o r d i n gt ot h en u m b e ro fw e f ta tt h eb e g i n n i n go fw e a v i n g p r o c e s s ，t h en u m b e ro f w e f ta n dt h eq u a n t i t yo f c o m p e t r - a t i o nc a nb es e ta n da d j u s t e db y p r a c t i c a la s p e c t so fp r o d u c t i v es i t u a t i o n t h r o u g hs e v e r a ls c e n ed e b u g g i n g si np r o d u c t i v es i t u a t i o n , t h es y s t e mr u n ss t a b l e c u r r e n t l y ；i tc a na c h i e v et h ep r o d u c t i o np r o c e s sr e q u i r e m e n t sa tab w e rc o s t k a y w o r d s ：e l o ；e t u ；d s p ；a cs e r v os y s t e m ；t e m i o nc o n t r o l 学位论文独创性声明、学位论文知识产权权属声明 学位论文独创性声明 本人声明，所呈交的学位论文系本人在导师指导下独立完成的研究成果。文中 依法引用他人的成果，均已做出明确标注或得到许可。论文内容未包含法律意义上 已属于他人的任何形式的研究成果，也不包含本人已用于其他学位申请的论文或成 果。 本人如违反上述声明，愿意承担由此引发的一切责任和后果。 论文作者签名： 材茬 学位论文知识产权权属声明 日期：加垆乡月石日 本人在导师指导下所完成的学位论文及相关的职务作品，知识产权归属学校。 学校享有以任何方式发表、复制、公开阅览、借阅以及申请专利等权利。本人离校 后发表或使用学位论文或与该论文直接相关的学术论文或成果时，署名单位仍然为 青岛大学。 本学位论文属于： 保密口，在年解密后适用于本声明。 不保密d 论文作者签名：村蓥日期：乙。口悔月6 日 导师签名：于缸一 吼驴唯角7 日 ( 本声明的版权归青岛大学所柯，未经许可，任何单位及任何个人不得擅自使用) 5 7 引言 引言 随着我国市场经济的不断发展。人民生活水平不断提高，各种高档织物也成为 普通老百姓的日常之需；特别是我国已经加入w t o ，对纺织企业的产品出口提供 了前所未有的良好机遇，也给高档织机市场的开拓创造了良好的条件。而目前国内 织机技术水平与发达国家相比，仍有较大的差距。 织机无梭化是纺织机械发展的必然趋势。我国无梭织机的占有率与世界发达国 家相比还比较低。当前全世界无梭织机的占有率平均为3 0 ，而我国无梭织机的占 有率还不到2 0 。国内纺织行业使用的大多还是陈旧落后的有梭织机，由于其速度 低，动作不灵敏，工作不可靠，自动化水平低，织物质量不稳定，而国外的织机制 造厂商生产的高档无梭织机存在价格高、售后服务不及时等问题，国内纺织行业难 以接受。 随着中国纺织品对外贸易的不断扩大，国际原材料价格上涨、制造成本提高等 因素的变化，国内对织造设备的需求正逐步向高速化高档化发展。为尽快实现由纺 织大国向纺织强国转变，国家提出在“十一五”期间要大力发展无梭织机，加快纺 织机械产品技术改造步伐，进一步提高我国纺织工业的技术水平。 目前，我国已初步建立起比较完整的无梭织机研发生产体系，主要机种齐全， 如剑杆、喷气、喷水、片梭织机等，并具备批量生产能力，但在性能上多属中低档 织机。在w t o 取消纺织配额的形势下，我国要从纺织大国发展到纺织强国，国内 纺织工业必须进行技术改造。拥有先进的纺织设备，才能应对新形势下的世界性市 场竞争。根据我国的国情和经济实力，依靠进口高档织机是不现实的。研制开发具 有自主知识产权的高档无梭织机已经成为我国纺织机械行业的当务之急。而设计先 进的织机电控系统，特别是电子送经和电子卷取系统，是高档织机国产化的关键所 在。 基于以上原因，本文设计并论述了一种以d s p 为主控制器，应用交流伺服技术 的剑杆织机电子送经和电子卷取系统。 第一章绪论 第一章绪论 1 1国内外研究及应用现状 国外无梭织机近期发展较快，尤其是微电子技术的广泛应用，使织机的运转性 能有了质的变化，自动化程度提高，可选择的功能机构扩大。 剑杆织机由于品种适应性强，在无梭织机中占有相当大的比例，其技术发展迅 猛。尤其近年来欧洲生产的剑杆织机，技术改进最快，完全实现了计算机技术、传 感技术、调速技术与织机的完善结合，使剑杆织机的性能、速度有了大幅度提高， 机构简化，能耗降低，织机的可靠性和操作维修的方便性增加，处于世界领先地 位。主要代表机型有：德国多尼尔的h t v s 8 s 的刚性剑杆织机，意大利范美特的 l e o n a r d o 、意大利舒美特的a l p h a 、瑞士苏尔寿的g 6 5 0 0 ，比利时必佳乐的 g a m m a x 、意大利斯密特的g s 9 2 0 等挠性剑杆织机。这些织机实际使用车速均可 在5 0 0 r m i n 以上，入纬率达到11 0 0 - 1 5 0 0 m m i n ，机电一体化程度高，织机适织范围 广，织造品质高。 中国是世界第一纺织大国，也是世界上重要的纺织机械生产基地与消费市场， 但也一直是纺织机械进口最多的国家之一。特别是一些速度高、智能化程度高的纺 织整机和零部件更是严重依赖进口。国内纺织机械企业的自主研发能力普遍较弱， 机械制造能力不强，先进装备的研发能力和自动控制系统的研发能力不足。国产纺 织机械与国外产品相比，可靠性方面的差距明显。有些国内的纺织机械产品虽技术 性能先进，但可靠性较差，市场占有率低。目前国产剑杆织机虽已形成产业化，但 多为中高档以下机型，速度大多在3 8 0 r r a i n 以下，适织品种窄，织造品质不高，技 术水平和整体质量不高，不能满足国内纺织工业技术改造的需要以及国内外市场对 高品质织物的需求。虽然有一些性能比较先进的国产织机，但如电子送经、电子卷 取等技术含量较高装置基本上仍然需要进口，国内研发的电送电卷系统大多仍处于 理论设计阶段，投入商业化应用的不多。这对于我国高档织机的发展是一个很大的 限制。 目前，国内纺织机械行业已充分认识到这一点，开始通过自主研发、引进技术 合作生产、合资独资生产等多种模式，进行高档织机的研制开发，而电子送经、电 子卷取系统的设计开发则是其中最重要的发展方向之一。 “十五 期间，国内纺织工业新增无梭织机约4 0 万台，其中国产2 9 万台，7 0 以上的新增数量是国产各类无梭织机。国内市场中，中低档无梭织机以国产为主； 国产高档无梭织机因正处于研制提高阶段，技术水平和整体质量与进口高档机尚有 一定差距，仍以进口机型为主。除进口高档无梭织机外，国内的外商独资或中外合 3 青岛大学硕七学位论文 资企业生产的剑杆织机，因技术性能优于国产中档机型，又占据地域和价格优势， 也正逐步占有国内市场。如苏州必佳乐的g t x p l u s ，实际使用转速在4 5 0 r m i n 以 上，上海意达的k 8 8 机型，实际使用转速也可在5 0 0 r m i n 以上。而少量国内自主研 发织机电控系统也初步实现了实际生产应用。比较有代表性的是浙江中控电气技术 有限公司的b a r y a 系列电送电卷控制系统，采用a r m 7 平台3 2 位微处理器作为控制 核心，是国内为数不多的拥有自主的知识产权的较先进的电送电卷控制系统。 当前，国际上的无梭织机正在向高速化、宽幅化、自动化方向发展，实际使用 转速在5 0 0 r m i n 以上的剑杆织机将成为织造行业的主导，机电一体化新型高档剑杆 织机的最新发展趋势表现在以下方面： ( 1 ) 多适用化。剑杆织机的品种适应性更广，变换品种更加灵活简便。对于一 些特殊织物完全有能力完成，如高密度防水布，产业用布，汽车安全气囊，夹层织 物，碳纤维及其它高模量纤维织造的基础织物等。重磅牛仔布用剑杆织机来织造也 已越来越多。对于细号织物及其它精细织物( 包括高密、稀疏织物) 也可用剑杆织 机来织造。 ( 2 ) 高速化。转速达到5 0 0 7 0 0 r m i n ，入纬率超过1 5 0 0 m m i n 。随着现代电子控 制技术的发展以及对引纬技术、高速凸轮、高速多臂的研制开发和新型材料的选 用，剑杆织机的速度会进一步提高。 ( 3 ) 智能化。计算机技术的成功应用，极大地推动了智能化的进程。智能化包 括自我诊断、自动控制、自动监控、自动设定参数和自动润滑等技术。电子卷取、 电子送经、电子选纬、电子绞边、电子多臂、电子提花、纬纱断头自动修补、储纬 器自动切换、自动对织口和自动防开车档装置等，这些技术的运用及智能的人机对 话，可大大提高织机的可靠性和易操作性，降低维修难度和操作劳动强度。 ( 4 ) 网络化。网络技术的充分应用，将带来管理上的极大便利。通过织机之 间，织机与电脑之间，电脑和网络之间的连接，可以方便地采集生产数据，监控织 机设定运行参数，对织机进行远程诊断或提供技术支持等。 1 2 项目的目的与意义 本项目是青岛大学与聊城海威电子有限公司的横向课题，与纺织机械厂、织布 厂借鉴国内外先进织机技术的基础上共同开发了剑杆织机电子送经电子卷取控制系 统，【1 】采用了先进的电子伺服控制，通过张力传感器存储并感应经纱张力，以高性 能的1 6 位d s p 州s 3 2 0 l f 2 4 0 7 a 为处理器，综合处理由于开口、打纬、经纱轴径 变化等因素引起的经纱张力改变，控制送经和卷取伺服系统工作。重要的机电执行 部件送经卷取伺服电机、张力传感器、编码器等均采用进口或国内优质品，确保经 4 第一章绪论 纱张力从满轴到空轴都保持恒定，织物纬密精确，使送经系统和卷取系统与织机保 持精确同步，有效消除密路横档，保证织物均匀平整。 先进的控制系统是现代高档织机的核心所在，送经、卷取系统是织机控制系统 的主要组成部分。研制和开发先进的织机控制系统，不仅是高档无梭织机国产化不 可缺少的关键环节，也是现有的中低档织机进行升级和改造所必须的技术保证，对 于提高我国纺织工业的整体技术水平具有十分重要的意义。 1 3 论文的主要内容与结构安排 首先，在绪论中介绍了研究及应用现状以及项目的目的与意义。在第二章“剑 杆织机与送经卷取系统中，首先简要介绍了剑杆织机及其特点，而后是送经与卷 取的基本构造和工作方式。在第三章“系统总体设计 中，首先对系统总体方案作 出说明，然后简要介绍了电子送经和电子卷取的基本原理。第四章“系统硬件设 计”首先给出总体硬件结构，然后对主控制器、驱动系统等重要的元件进行了选型 论证和简介。最后是硬件系统的连接与组合。第五章“系统的控制策略与算法”介 绍了经纱张力的变化规律、数据采集与滤波、控制算法以及纬密的控制。第六章 “系统的软件设计”详细地说明了系统软件的编程思想与程序各模块的功能，特 别是张力控制程序。并设计了基于组态王6 5 1 的上位机组态监控系统，可用于对电 送电卷系统的参数设定和实时监控。第七章“系统的调试改进与总结针对系统调 试中出现的张力发散和开车痕问题，进行了滤波算法的改进、张力补偿控制与位置 补偿控制相结合、开车前与开车后的张力与纬密补偿等措施，有效消除以上现象。 最后，针对本项目的研究成果和存在的问题进行了总结与展望。 第二章剑杆织机与送经卷取系统 第二章剑杆织机与送经卷取系统 2 1 剑杆织机简介 织机是一种将经纱与纬纱交织成织物的设备。按照结构的不同，可分为有梭织 机和无梭织机。【2 】有梭织机是指以梭子为引纬器将纬纱引入梭口的织机，无梭织机 则以其它的引纬方式替代了传统的梭子。与无梭织机相比，有梭织机具有震动大， 噪声大，机物料损耗多，产量低的缺点，因此，目前有梭织机正在逐渐淘汰。 用细长的剑杆作往复运动伸入梭口将纬纱引入织口的方法叫剑杆引纬，用剑杆 引纬的织机称为剑杆织机。剑杆织机是一种无梭织机。1 9 3 1 年，西班牙巴尔培公司 展出世界上第一台剑杆织机后，剑杆织机就在不断地发展进步。近年来，随着现代 科学技术的发展以及机电一体化和计算机技术的广泛应用，剑杆织机更加高速化、 自动化。 剑杆织机是目前应用最为广泛的无梭织机，它除了具有无梭织机高速、高自动 化程度、高效能生产的特点外，其积极引纬方式具有很强的品种适应性，能适应各 类纱线的引纬，加之剑杆织机在多色纬织造方面也有着明显的优势，可以生产多达 1 6 色纬纱的色织产品。随着无梭织机取代有梭织机，剑杆织机将成为机织物的主要 生产机种。据不完全统计，国内从事无梭织机生产涉及国有、民营、外资的企业已 有4 0 多家，其从事剑杆织机生产的企业居多。 2 2 送经与卷取系统 织物是由两组相互垂直的纱线交织而成的，沿织物纵向排列的纱线叫经纱，沿 织物横向排列的纱线叫纬纱。在织造过程中，织机为保证织造生产的连续进行，就 必须要不断地送出经纱与纬纱进行交织而形成织物，织物形成后，必须不断地将这 些织物引离织口，由卷布辊转动带动织物，最终将织物卷在织物轴上。【2 】 卷取、送经是织机上的两个重要的运动，与开口、引纬、打纬一道，统称为织 机的五大运动。开口是按织物组织的要求，将经纱分层形成梭口；引纬是将纬纱引 入梭口；打纬是将纬纱纳入织口，形成织物。送经是从经纱轴上送出经纱，卷取是 将已经形成的引离织口并卷在布辊上。在织机的五大运动中，开口、引纬、打纬是 形成织物单元所必需的，而卷取和送经是织机上连续形成织物所必需的。 2 2 1 送经系统 在上世纪七十年代之前的织机上，送经系统是一个机械装置，称之为送经机 构。而目前先进的无梭织机上，送经已经全部是往往是机电一体化的电子送经装 置。因此，统称为送经装置更确切。送经装置的作用是从织轴上退绕经纱，补充给 7 青岛大学硕十学位论文 织物形成系统，并保持经纱张力的稳定。现代送经装置要求织轴从满轴到空轴的过 程中，经纱张力差异小，经纱织缩率差异小，以获得纬密均匀和布面平整的织物，具有 灵敏度高，调节范围大，而且能实现无级调节的特点。 织机上的送经方式按送经量有无调节装置分为非调节式、调节式两大形式。 非调节式送经方式可分为无传动送经和传动送经两种。无传动送经又称消极式 送经，织轴无动力传动，其上施加一制动力矩，织轴的回转需要通过经纱张力矩克 服织轴的制动力矩实现。传动送经又称积极式送经，经纱从织轴退出后，经一对送 纱辊以一定的线速度主动送出，送经量恒定。只适用于金属筛网织物织造。 调节式送经方式指织轴有动力传动，但每纬织轴的回转量的多少需根据当时的 经纱张力状态，由送经量调节部分确定。由于纱线有一定的弹性伸长，为保持经纱 张力恒定，一般织机上均采用此种方式送经。 调节式送经方式可分为机械式和电子式两种。机械式送经通过一系列的机械结 构进行经纱张力检测和张力自动调节，目前主要有：带有无级变速器的调节式送经 装置，也称之为h u n t 式送经装置，多用于剑杆织机上；摩擦离合器式送经机构， 主要用在片梭织机上。实践表明，机械送经控制系统使得织机结构复杂，滞后严 重，柔性差。织机高强度的工作易造成一些机械结构磨损，使控制精度降低。而 且，机械送经控制系统不能满足中高档织机的速度要求。电子送经控制系统以其优 良的性能正逐步代替机械送经控制系统。 在电子送经系统中，织轴的转动由送经执行部分的送经电机单独传动控制，它 受送经量控制部分的控制，送经量控制部分是根据纬密设定值和经纱张力检测的结 果由专门的处理器算出控制量并转换成相应的控制信号，经驱动电路放大去驱动送 经电动机进行控制的。通过对送经电机的转速和转向的控制，送出所需的经纱并维 持设定的经纱张力。在织轴传动部分中，送经电机通过齿轮、蜗杆轴、蜗轮、送经 齿轮、织轴边盘齿轮等一系列机械部件，带动经纱轴转动。送经电机一般为交流伺 服电机，它带有测速发电机，测速结果作为负反馈信号，通过闭环控制，保证送经 调节的准确性，克服机械特性软，线性区小的缺陷。 此外，现代电子送经系统的织轴传动部分还具有防惯性送经和防停车横档功 能。防惯性送经是指在蜗轮轴上装有一摩擦制动盘，通过制动带对蜗轮轴施加制动 阻力矩。这使得蜗轮轴跟随送经电机转动，不出现惯性回转，保证送经精度。防停 车横档功能是指，织机停车和开车使得正常的织造过程被中断，开车后织口位置发 生变化，且变化的量与停车时间长短有关，这种变化导致纬纱间距改变，形成横 档。而随着计算机和电子技术的进步，现代电子送经系统可根据停车时间长短设定 开车时的送经修正量( 送出或卷回) ，以达到调节经纱张力、调整织口的目的。对 于特定的织物品种，只要合理设置参数可达到比较理想的效果。 第二章剑杆织机与送经卷取系统 2 2 2 卷取系统 在上世纪八十年代之前的织机上，卷取是一个机械装置，称之为卷取机构。而 目前先进的无梭织机上，卷取往往是一个机电一体化的装置。因此，统称为卷取装 置更确切。卷取装置的作用是：将已织成的织物引离织口，卷绕到卷布辊上；确定 和控制纬纱在织物内部的排列密度，即纬密。 现代纺织工业要求卷取装置应保证按时，定长地将形成的织物引离织口，以获得 工艺规定的纬纱密度，同时将送经机构从织轴上放出的经纱牵引到织物形成区内( 卷 取均匀，有足够的牵引力) 。卷取装置的运动应平稳，纬密调节方便；能适应无级调 节。能随不同织物要求而变化纬密，并具有纬密在机可变功能。有能随意卷进或退 回织物的装置及因缺纬停车时的稀弄防止装置。卷装良好，并有一定的卷装容量。 织机上的卷取装置按卷取部件是否有动力直接驱动，分为消极式、积极式两大 形式。消极式卷取装置是利用打纬瞬时经纱张力和卷取机构对织物的拉力的差异卷 取织物的。打纬时，筘对纬纱和织口的压力愈大时，织物的张力愈大，织物的卷取 量愈大。当织进的纬纱较粗时，织口所受压力就比较大，卷取的织物就长些；若纬 纱较细，卷取的织物就短些。当织纬密小的织物时，若纬纱和织口所受的压力不能 满足上述条件时，卷取便不可能发生。因此，消极式卷取机构只适用于织纬密较大 的厚重织物。 积极式卷取装置是指在织机主轴一回转中，卷取过程中卷取辊受动力直接驱 动，按照纬密所规定的回转一定的量，卷取量可以根据工艺设计的纬密进行调节， 而与打纬时筘对织口和纬纱的压力无关。因此，可以根据需要织不同纬密的织物。 积极式卷取机构分为间隙式卷取机构和连续式卷取机构两种。积极连续式卷取机构 能在织机的整个工作周期中连续不断地卷取织物，具有卷取运动平稳、机件磨损 小、能适应织机高速运转要求的优点，当前织机上普遍采用的是积极式卷取装置。 积极式卷取装置又分为连续式和间歇式，前者卷取过程只发生在主轴回转的某 一角度范围内。卷取辊间歇性回转。后者卷取辊匀速回转，卷取过程发生在主轴整 个一回转中。连续式卷取装置更适应高速，在中、高档无梭织机上普遍采用。 连续式卷取装置又分为机械式和电子式，机械卷取装置由织机主电机传动，有 变换齿轮式和无级调速器式两种。前者虽然调节比较可靠，不能满足无级调整需 要，往往与设计纬密存在偏差并且更改纬密时必须调换齿轮，生产管理不便。后者 相对调节便捷，但调节后要加以检验确认。 电子卷取系统中，卷取辊由专门的卷取电机经减速装置传动。卷取电机的设定 速度根据纬密和下机缩率确定。与机械卷取装置相比结构大大简化。电子卷取系统 在织造过程中不仅能实现定量卷取与停卷，还可根据要求随时改变卷取量，调整织 物的纬密，形成织物的各种外观特色，而这是机械卷取所不具备的。电子卷取具有 q 青岛大学硕士学位论文 设定方便快捷、纬动态可变等特点，从而增加了变化织物品种的手段，翻改品种十 分方便。 2 2 3 小结 将经纱的张力控制在一定范围内，即保持张力基本恒定，和按照织物的纬密要 求进行卷取辊转动速度的控制，是送经与卷取的两大技术关键。而现代织物质量要 求的不断提高，机械式的结构送经、卷取系统已经难以实现对张力、纬密的精确控 制。随着计算机和电子技术的进步，传统的机械装置正在逐步被电子送经和电子卷 取装置取代，而我国纺织行业目前在这一领域的技术水平还比较薄弱。因此，开发 设计先进的电子送经和电子卷取系统是很有必要的。 1 0 第三章系统总体设计 第三章系统总体设计 3 1 系统总体方案 电子送经和卷取控制系统的主要功能包括两个方面，一是对经纱张力进行精确 的控制，二是按照织物的要求实现对纬密的精确调节。此外，还应当对织机开车时 的张力变化进行补偿，避免开车痕，防止织疵的产生。 为达到技术要求，设计出高效、稳定的电子送经和卷取控制系统，一方面需要 先进硬件支持。主要是采用高性能的处理器和伺服驱动系统。另一方面，应当设计 良好的控制算法、编制高效、实用的程序。 由于送经和卷取是同步且密切配合的运动，二者的控制依赖于一系列共同的参 数，经纱张力、纬密、送经量、卷取量彼此间相互作用和影响。因此，电子送经和 电子卷取经常作为一个共同的系统来开发。 本系统采用模块化设计，主要包括主控模块( 以送经卷取处理器为核心) ，送 经伺服系统( 送经伺服驱动器和送经电机) ，卷取伺服系统( 卷取伺服驱动器和卷 取电机) 。织机主电机带动光电编码器旋转，为送经卷取控制器提供基准信号。系 统根据张力传感器的信号调整送经电机的位置使纱线的张力保持恒定【3 】，如图3 1 所 示。 3 2 电子送经与电子卷取的基本原理 3 2 1 电子送经 由于在织造过程中，经纱轴的直径是一直变化的，织机的一系列运动也对经纱 张力产生较大的影响，电子送经系统必须对经纱张力进行实时、精确的控制。而经 纱张力的控制是通过调节送经电机的转速实现的。 青岛大学硕士学位论文 电子送经系统由经纱张力信号采集部分、信号处理和控制系统、织轴传动三个 部分组成。按照控制方式的不同可分为张力全闭环控制和张力补偿控制两种。 在张力全闭环控制中，张力信号采集部分通过张力传感器存储并感应经纱张 力，信号处理和控制系统对张力传感器的输出信号采样后，经d 转换得到当前的 张力值，然后与设定的张力值进行比较，由控制器通过一定的算法得出当前应取的 送经速度，然后向驱动系统发出指令，调节送经电机转速。其基本原理如图3 2 所 示。 张力设定值 在张力补偿控制中，由主轴编码器发出的信号作为送经系统的主令信号，由此 决定送经电机的基准转速。在此之上由当前的张力值和设定的张力值进行比较，由 控制器通过一定的算法计算出位置修正量，并由此对当前的送经速度进行调整。其 基本原理如图3 3 所示。 士念信县i 弱墨日孽潲 1 i r 丰含信粤! - !- j 聪孙舆 i j 襻坯由加l l j l 引7l 惶j 丕pj 异 算 1 7 i 匏刎丽 l- l 匹红吧仉l叫经纱轴 ： t ： 。 。 张力设定值i 人1 i凶il 张力传感器 ： m 圈3 3 张力补售瞄舅斟原理图 张力全闭环控制和张力补偿控制的根本区别在于，前者的送经速度由张力值单 独决定，与织机转速无关。而后者由织机转速确定基准送经速度，在此之上以张力 调节作为附加给定，作为对基准转速的补偿。 张力全闭环控制在理论上效果较好，但也存在控制比较复杂，参数设定和调节 投入的时机不易把握等问题。而张力补偿控制原理简单，易于实现，控制精度同样 能够达到要求。目前的电子送经系统大多采用张力补偿控制。本系统也采用这种控 制方式。 1 2 第三章系统总体设计 3 2 2 电子卷取 电子卷取系统通过处理器根据纬密值计算出卷取量，再通过轴编码器获得卷取 电机转速，经卷取量换算，与设定的卷取量比较、反馈得到卷取电机转速的设定 值，然后将当前卷取电机转速与设定值比较、反馈得到实际执行值，并转换成相应 的控制信号，经驱动电路放大去驱动卷取电动机。 电子卷取系统实的基本原理如图3 4 所示。由于在卷取过程中卷布辊的直径是不 变的，只要保持卷取电机的转速恒定即可。因此，相对于送经系统来讲，卷取系统 的控制更容易一些。卷取运动由卷取电机单独控制而不由主电机协同控制，可容易 实现纬密的更改操作。 第四章系统的硬件设计 第四章系统的硬件设计 在本系统中，送经、卷取各自构成一个伺服系统，二者的驱动机构相对独立， 各有一台伺服驱动器和伺服电动机，通过主控制器的控制实现协调运行。这样可以 更有效地实现送经和卷取两大运动的精密、协调配合，更有利于地消除稀密路并织 出特定纬密的产品。如图4 1 所示。 后梁 织口 4 1 控制器 4 1 1常见的主控制器与选择 4 】 目前，电送电卷系统常见的主控制器有单片机系统、可编程控制器( p l c ) 、 数字信号处理器( d s p ) 、以及专用的数控系统等。它们有各自不同的技术特点。 在开发设计时应当根据实际情况选择合适的控制器。 单片机系统的成本较低，但由于一般单片机i o 口产生的脉冲频率不高，对于 分辨率高的执行机构尤其是对于控制伺服电机来说，存在速度达不到，控制精度受 限等缺点。 可编程控制器( p l c ) 具有开发和调试简单、界面友好、操作和使用方便等优 点。但一般输出口驱动电流不大，需要添加中间放大电路或转换模块。而且受制于 l s 青岛大学硕士学位论文 其循环扫描的限制，其控制的实时性能不是很高。而且相对于高速高精度的运动控 制来讲频率仍然有限。目前虽有专用于运动控制高性能p l c ，但价格仍然过高。 专用的数控系统多见于从国外引进的高档织机上，作为国际一流厂商生产的专 门配套的先进设备，它拥有强大而丰富的功能、稳定而可靠的性能。然而其成本也 是极其高昂的。 本系统选用了t m s 3 2 0 l f 2 4 0 7 a 数字信号处理器( d s p ) 作为主控制器。与其 它常见的控制器相比，d s p 不仅运算速度快、效率高，而且其内部的结构设计更适 合于运动控制和算法的处理。此外，相对于其强大的处理能力，d s p 的价格相对较 低，有较高的性价比。而限制我国纺织业电送电卷推广的一个重要因素就是成本过 高。因此，采用d s p 作为电送电卷系统的主控制器，可以有效地降低开发难度和资 金投入，不仅能够很好的满足技术上的需求，也是从当前国内市场形势出发的比较 现实和合理的选择。 4 1 2t m s 3 2 0 l f 2 4 0 7 a 简介 5 】 6 】 刑s 3 2 0 l 也4 0 x a 系列器件是t m s 3 2 0 系列数字信号处理器( d i g i t a ls i g n a l p r o c e s s o r s ，d s p s ) 的成员。它是为了满足广泛需要的电动机控制和其他嵌入式控 制应用而设计的。这个系列以c 2 x l p1 6 位、定点、低功耗d s pc p u 为核心，配置了 丰富的片内外设和片内r o m 或闪速程序存储器，还有片内双口r a m ( d u a l - a c c e s s r a m ，d a r a m ) 。而l f 2 4 0 7 l f 2 4 0 7 a 是其中最具革命性产品，是当今世界上集成 度最高、性能最强的运动控制d s p 芯片之一。 l f 2 4 0 7 l f 2 4 0 7 a 具有以下技术特点： 采用了高性能静态c m o s 技术，运行速度达4 0 m i p s ( m i l l i o ni n s t r u c t i o n sp e r s e c o n d ，每秒百万条指令) 。采用低功耗技术，电源电压为3 3 v 。 具有良好的兼容性，源码与目标码可与f 2 4 3 f 2 4 1 c 2 4 2 系y l jd s p 兼容，源码还 可兼容c 2 x 系列和c 5 x 系列d s p 。 具有1 6 位地址总线，片内拥有3 2 k 字节的1 6 位f l a s h 存储器，2 5 k 字节的1 6 位数 据程序存储器，5 4 4 字节的双口r a m ( d a r a m ) 和2 k 字节的单口 r a m ( s a r a m ) 。通过片内总线访问这些存储空间，不存在总线竞争和速度匹配 问题，大大提高数据的读写速度。 具有外部存储器接口，地址映像为1 9 2 k 字节，其中程序存储器、数据存储 器、 i o 空间各6 4 k ，可以同时独立操作访问而不互相冲突。 有2 个两个事件管理器模块e v a 、e v b ，每个模块各有：2 个1 6 位通用定时器； 3 个具有死区功能的全比较单元；8 个1 6 位脉宽调制( p w m ) 通道，可实现三相反相器 1 6 第四章系统的硬件没计 控制、产生非对称和对称p w m 波形和空间矢量p w m 波形；3 个外部事件捕获单 元；1 个正交编码脉冲( q e p ) 电路，可连接光电编码器获得机械位置和转速信息。可 用于各种交流和直流电机、步进系统、伺服系统以及多轴运动系统的控制。 双l o 位a d 转换器，转换时间为5 0 0 n s 。可进行双8 路或单1 6 路转换，由2 个时 间管理器触发。 此外还有：4 0 个可独立编程的多路复用i o 引脚，带锁相环p l l 的时钟模块，串 行通信接口s c i 与串行外设接口s p i ，看门狗定时器模块，5 个外部中断( 两个驱动 保护、复位、两个可屏蔽中断) ，c a n2 0 b 模块，j t e g 仿真接口，等等。 4 1 3 主控板的开发设计 以d s p 为核心，扩展而成为电子送经卷取系统的主控板。扩展的各个模块与电 源、张力传感器、送经和卷取驱动器、织机主电机、光电编码器、人机界面的连 接。其基本结构及与外部设备的连接如图4 2 所示。 在主控板中，电源接口电路将电送电卷系统的+ 5 v 电源转换为+ 3 3 v ，作为 d s p 的内核、模数转换器( a d c ) 以及锁相环( p l l ) 的供电电源。 通信接口电路由d s p 的串行通信接口( s c i ) 扩展，以m a x 2 3 2 作为r s 2 3 2 的 接口芯片。用于实现主控单元和人机界面的通信。 编码器接口电路是d s p 正交编码脉冲( q e p ) 的扩展，接收织机主轴编码器的 信号，作为基准信号。它包括抗编码器抖动电路，可克服因织机停止时引起的编码 器抖动。 主机接口电路连接d s p 的通用i o 接口，接收主机运行状态和设定信号，通过 光耦送入主控板中，由主机的运行状态信号来决定送经、卷取系统的运行状态。当 主机启动前向主控板发送准备好信号，送经卷取系统准备启动。主机启动时发出开 车信号，送经卷取系统启动。织机控制面板设定的信号，如手动送经和卷取、手动 正向、反向、点动，纬密选择等，也经主机接口送入d s p 。 工作状态指示电路通过主机接口电路与接入系统，通过一组指示灯显示当前启 动信号，纬密序号等重要参数的正常或异常状态。 主控板存储接口与外部存储器连接。由于d s p 的内部的存储空间有限，外扩了2 个 6 4 k 的i s 6 1 l v 6 4 1 6 存储芯片分别作为程序存储器和数据存储器。 送经伺服和卷取伺服接口电路是d s p 的p w m 电路的扩展，把d s p 发出的脉冲经 转换后发送到到伺服驱动系统，驱动送经电机和卷取电机转动。 张力信号接口电路接收张力张力传感器输出的张力信号，再传送到d s p 的模数 转换器( a d c ) 进行a d 转换和滤波处理。由于t m s 3 2 0 l f 2 4 0 7 a 引脚的耐压值为 1 7 青岛大学硕士学位论文 3 6 v ，因此在电路中设置了电压跟随器，将张力传感器输出的电压值转换为3 6 v 以 内的信号。 墨 i 嚣 人机 + 5 v 界面 电源 介l介| 1 u 、步u 盟 电l 麓h 嚣ji 嚣i 引矧 誉uonu l g u e l 1 5 1 5 1十j jv 卷1 删加lj 1 2 4 l r 7 a 主 r a m p w m p w ma u c 蓑 l 主譬il 送墨服i l 卷黑服ll 张墨1 介介 一 今介 一 l i l 外部i 誊i 卷取l 幽 l 存储器i 取j 驱动器l 伺l 一 兰豳 服生 系l 卷取l 统l 电机l 4 2 驱动系统 4 2 1 常见的驱动系统与选择 目前，电子送经大多采用步进式伺服系统和闭环交流伺服系统两种类型，而电 子卷取则有步进式伺服系统、闭环交流伺服系统、变频调速系统三种。 1 8 第四章系统的硬件设计 步进式系统和闭环交流系统的差别主要体现在控制精度、低频特性、矩频特 性、过载能力、运行性能、速度响应性能上，由于后者采取了闭环控制，其性能明 显优于前者，但成本也相对高一些。 闭环交流伺服系统按照反馈方式的不同又可分为半闭环和闭环两种。通常把安 装在电机轴端的检测元件组成的伺服系统称为半闭环系统；把安装在被控对象上的 检测元件组成的伺服系统称为半闭环系统。由于电机轴端和被控对象之间传动误差 的存在，半闭环伺服系统的精度要比闭环伺服系统的精度低一些。 变频调速是异步电动机实现转速调节的主要方法之一，变频调速式卷取系统采 用交流变频电机驱动卷布辊以达到卷取目的。由于卷取运动是一个低速平稳的运 动，而异步电动机调速性能相对较差且比较复杂，因此采用交流同步伺服系统的控 制效果更好。 综合考虑控制性能、开发成本、系统的模块化与统一设计等因素，本文的送经 与卷取系统均采用了p y 2 系列伺服驱动器和配套的永磁同步型交流伺服电机，构成 位置和速度的闭环控制系统，充分发挥d s p 的高速运算能力，自动完成伺服系统内 部的调节。 4 2 2p y 2 系列伺服系统简介【7 】 p y 2 系列伺服系统，包括p y 2 伺服驱动器和伺服电机，是日本三洋公司在p y 系列 伺服系统的基础上开发的新型伺服系统，具有多功能、高性能、小型化、易连接的 特点，因而得到了比较广泛的应用。 p y 2 伺服驱动器内置了一系列具有特色的功能，主要有： ( 1 ) 位置、速度和转矩控制。上述三种类型可作为一个组件来控制，可用手 操器来进行选择。在运行时，控制模式可以切换。 ( 2 ) 动态制动功能。当切断主回路电源时或出现报警时，制动将起作用。 ( 3 ) 振动抑制功能。可用手操器设定相应参数，来实现抑制振动。 ( 4 ) 控制电源和主回路电源是分开的。当出现报警或急停时，为了确保安 全，切断主回路电源，而控制电源仍能起作用。该功能能使报警保持输出状态，便 于分析和维修。 ( 5 ) 伺服调整功能。用手操器设定调整方法，可自动估计负载惯量并设定合 适的参数。有两种不同的调整方法：一种为脱机时在测试模式上执行“脱机自动调 整”，另一种为“在线自动调整”，能估计合适的增益和实时操作时改变增益。 ( 6