（机械设计及理论专业论文）一种新颖的电子送经控制系统的研究.pdf

摘要 剑杆织机是目前使用最为广泛的无梭织机之一。电子送经系统作为剑杆织机 重要的组成部分近年来得到了飞速的发展，并凭借其性能上的优势逐渐取代了机 械式送经系统，目前几乎所有的进口织机都配置了电子送经系统。国外的电子送 经系统已经相当成熟，而国内对这方面的研究仍然处于起步阶段。因此，研究和 开发高性价比的电子送经系统，对缩短与国外同类产品的差距，提高我国纺织工 业的机电一体化水平，有着重要的意义。随着交流异步电机的磁通矢量控制技术 不断成熟，交流调速系统的性能进得到了大幅度的提高，其性能甚至已经超过直 流调速系统。针对进口电子送经系统价格昂贵的特点，本文提出了基于交流异步 电机矢量控制电子送经系统设计方案，该方案在保证了系统高性能的前提下，降 低了系统的成本。 本文主要介绍了基于交流电机矢量控制的电子送经控制系统的设计和实现， 主要的内容包括以下几个方面： 1 、分析了电子送经的特点，通过比较目前市场上常用的电子送经系统的形 式，提出本课题的研究目的、内容和方向； 2 、分析了经纱张力的分类，重点分析了织造五大运动对经纱张力的影响， 为控制系统的设计提供理论基础； 3 、介绍了交流电机多变量耦合数学模型，并通过坐标变换对模型进行简化， 由此引出了交流电机矢量控制的原理； 4 、进行控制系统的详细硬件设计，主要包括系统主控系统的设计、张力采 集板的设计、接口驱动电路和人机界面的设计； 5 、在控制算法上，针对经纱张力是个非线性、时变系统，没有采用传统的 p i d 控制，而是使用了对非线性环境适用性较好的模糊控制算法，设计了基本的 模糊控制器，并对其做出改进，使其能够适应环境参数的变化； 6 、进行控制系统的详细软件设计，主要包括控制程序、通信程序和张力采 集程序的设计； 7 、总结了所做的工作和系统中存在的不足，并指出了进一步改进和研究的 方向。 关键词剑杆织机电子送经张力控制模糊控制矢量控制 a b s t r a c t t h er a p i e rl o o mi so n eo ft h em o s te x t e n s i v es h u t t l e l e s sl o o mn o w a sa s i g n i f i c a n tc o m p o s i t i v ep a r t o ft h er a p i e r l o o m ，e l e c t r o n i c l e t o f fs y s t e mh a sb e e nd e v e l o p i n gf a s tr e c e n ty e a r s ，a n di ss u b s t i t u t i n g f o rm e c h a n i c a ll e t o f f s y s t e mf o ri t sa d v a n t a g e so fp e r f o r m a n c e a t p r e s e n t ，a l m o s ta 1 1t h ei m p o r t e dl o o mi se q u i p p e dw i t he l e c t r o n i cl e t o f f s y s t e m e l e c t r o n i cl e t o f fs y s t e mo v e r s e a si sw e l ld e v e l o p e d w h i l et h e r e s e a r c hi nc h i n ai so nt h eu n d e r w a ys t a g e s os t u d ya n de x p l o i t a t i o nt o t h ee l e c t r o n i cl e t o f fs y s t e mw i t hh i g h l yc o s te f f e c t i v eh a ss i g n i f i c a n t m e a n i n g so ns h o r t e n i n gt h eg a pb e t w e e nt h es i m i l a rp r o d u c t sa b r o a da n d d o m e s t i ca sw e l la so ni m p r o v i n gt h em e c h a t r o n i c sl e v e lo fn a t i o n a l t e x t i l ei n d u s t r y w i t ht h eg r o w i n gu po fm a g n e t i cf l o wv e c t o rc o n t r o l t e c h n i q u eo fa ca s y n c h r o n o u sm o t o r ，t h ep e r f o r m a n c eo fa cs p e e dg o v e r n o r s y s t e mh a sb e e ni m p r o v e dal o t i t sp e r f o r m a n c ee v e ne x c e e d sd cs p e e d g o v e r n o rs y s t e ma st h ei m p o r t e de l e c t r o n i cl e t o f f s y s t e mi sv e r y e x p e n s i v e ，t h i sd i s s e r t a t i o nt r i e sn e ws o l u t i o n st h a td e s i g ne l e c t r o n i c l e t o f fs y s t e mb a s e do na ca s y n c h r o n o u sm o t o r v e c t o rc o n t r o ls c h e m e ，w h i c h c a nr e d u c et h ec o s to nt h ep r e c o n d i t i o no fa s s u r i n gt h eh i g hp e r f o r m a n c e o fs y s t e n l t h i sd i s s e r t a t i o nm a i n l yi n t r o d u c e st h ed e s i g na n di m p l e m e n to f e l e c t r o n i cl e t o f fc o n t r o ls y s t e mb a s e do nt h ev e c t o rc o n t r o lo fa cm o t o r t h ec o n t e n ti sa sb e l l o w ： 1 a n a l y z i n gt h ec h a r a c t e r so fe l e c t r o n i cl e t o f fs y s t e m , c o m p a r e i n g e x i s t i n g e l e c t r o n i cl e t o f fs y s t e m ，t h e nb r i n g i n gu pt h ep u r p o s ea n d c o n t e n to ft h i ss u b j e c t 2 a n a l y z i n gd i f f e r e n ts o r t so fw a r pt e n s i o n ，e s p e c i a l l ya n a l y z i n g t h ea f f e c t i o no ft h ef i v em o v e m e n t so nw a r pt e n s i o n ，w h i c hp r o v i d e e l e m e n t a r yt h e o r yf o rd e s i g n i n gt h ec o n t r o ls y s t e m 3 i n t r o d u c i n gt h em u l t i v a r i a b l ec o u p l e dm a t h e m a t i c a lm o d e lo fa c m o t o r ，a n ds i m p l i f y i n gt h em o d e lb yc o n v e r s i o no fc o o r d i n a t e s ，a n df u r t h e r i n t r o d u c i n gt h ep r i n c i p l eo fa cm o t o rv e c t o rc o n t r 0 1 4 g i v i n gad e s c r i p t i o no ft h ed e s i g nt ot h eh a r d w a r eo fs y s t e mi n d e t a i l ，i n c l u d i n gt h em a i nc o n t r o ls y s t e m ，t e n s i o nc o l l e c t e db o a r d ， i n t e r f a c ed r i v e rc i r c u i ta n dt h em a n - m a c h i n ei n t e r f a c e 5 s i n c et h et e n s i o ns y s t e mi san o n 一1 i n e a r ，t i m e v a r y i n gs y s t e m ，t h i s d e s s e r t a t i o nu s e st h ef u z z yc o n t r o l l e rw h i c hi sm o r ea d a p t a b l et o n o n 一1 i n e a re n v i r o n m e n tr a t h e rt h a nt h et r a d i t i o n a lp i dc o n t r o l l e r t h i s d i s s e r t a t i o nf i r s td e s i g n st h ef u z z yc o n t r o l l e r ，a n dt h e no p t i m i z e si t t ow o r kb e t t e r 6 d e s i g n i n gt h ed e t a i l e ds o f t w a r eo fs y s t e m ，i n c l u d i n gt h ec o n t r o l p r o g r a m ，c o m m u n i c a t i o np r o g r a ma n dt h et e n s i o nc o l l e c t i n gp r o g r a m 7 s u m m a r i z i n gt h ei n s u f f i c i e n c yo ft h i ss y s t e m ，p o i n t i n go u tw h i c h a s p e c tc o u l db ei m p r o v e d k e y w o r d r a p i e rl o o m e l e c t r o n i cl e t o f ft e n s i o nc o n t r o l f u z z y c o n t r o lv e c t o rc o n t r o l 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取得的 研究成果。据我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其 他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得逝姿盘堂或其他教育机 构的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献 均已在论文中作了明确的说明并表示谢意。 学位论文作者签名： 签字日期：力船莎年6 月f 伞日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解迸婆盘堂有关保留、使用学位论文的规定， 有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘，允许论文被查阅和 借阅。本人授权迸姿盘鲎可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库 进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编学位论文。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权书) 学位论文作者签名：导师签名： f ，走事孜 签字日期：2 彤年6 月f 今日签字日期：弘弼年6 月乒日 学位论文作者毕业后去向： 工作单位： 通讯地址： 电话： 邮编： 浙江大学硕士学位论文 第一章绪论 第一章绪论 1 1 国内外剑杆织机的发展趋势 剑杆织机是无梭织机中应用数量最多的一种织机。在无梭织机中，剑杆织机 是制织小批量、中批量、品种翻改频繁的花色织物通用和最可靠的织机，价格比 片梭织机低廉。目前，国内进口的剑杆织机发展趋势是：机器速度继续向高速发 展，机械运转速度超过6 0 0 转分，工艺入纬率超过9 0 0 米分；普遍采用强大的 3 2 位电子计算机控制系统，快速采集、监测、设定、调整各种工艺参数，故障 诊断功能更强；通过英特网、工业以太网、现场总线，实现织机联网控制、诊断 和管理。主传动采用电机直接传动；开口系统普遍采用优质的积极式凸轮、电子 多臂和电子提花装置；电子送经、电子卷取已经成为标准配置：选纬系统采用高 性能储纬器，配用的选纬器除传统的电磁式外，有些厂商开始推广步进电机驱动 选纬指式选纬器；普遍配有自动寻纬机构、电子绞边装置、电子剪刀装置：优化 设计的剑杆头、带、综框、综丝等配套件，精良的制造工艺，保证了配套件的高 品质。最新的设计理念已经将独立伺服电机单独驱动的电子开口装置、织物在线 疵点检测装置等引入织机设计【”。 国内剑杆织机的年产超过3 万台，主要是普及型剑杆织机，工艺速度仅在 2 0 0 转份；国内产业化程度较高，有一定技术水平的剑杆织机转速可达4 0 0 转， 分，工艺入纬率约7 0 0 米，分。国产高档剑杆织机的工艺速度比国外同类产品种 低1 5 一2 0 ，运转效率低1 0 左右，这是不争的事实【l l 。我国剑杆织机研发制 造工作起步较晚，织机机电一体化产品数量较少且品种不多，总体设计水平不高， 特别是在自动化控制方面和国际先进水平还有相当大的差距，国内的高档剑杆织 机市场主要被国外织机所占有。国产剑杆织机如何加强电子技术的应用，提高产 品质量和竞争力，降低劳动强度，提高劳动生产率，是国产织机的一个主要问题 和发展方向。 1 2 国内剑杆织机控制系统现状 这几年国产剑杆织机在电气水平方面与国外相比仍有一定的差距，但从总 体上看，近几年有较大进步，如广泛采用了可编程控制器、单片机等微电脑技术， 对变频调速、电子寻纬、电子送经、电子卷取、电子选色、电子多臂、电子提花、 电子计长、伸缩箱自动横移等技术也已普遍采用。但是相关模块采用的主要是从 国外进口的器件，如电子多臂、电子选纬和电子提花以及电子送经和电子卷取模 浙江大学硕士学位论文第一章绪论 块等i z j 。例如我国经纬纺织有限公司的j w g l 7 2 4 b ，j w g l 7 2 4 c 系列剑杆织机是采 用西门子p l c 控制系统来实现自动控制的，寻纬装置采用d a 4 0 自动寻纬，多种 程序控制选择；有6 列电子停经架：引纬和打纬采用整体共扼凸轮；开口机构为 电子大提花；连续式积极机械送经，经轴盘片直径8 0 0 m m ；选色采用电磁控制， 可进行单色、混纬或最多8 种颜色选纬。 衡量一台织机的性能，除了机械部分，电气控制部分也是一个重要的指标。 剑杆织机的电气控制部分可以分为检测和控制两块【3 1 。 控制系统根据检测元件提供的信号对织机进行控制，因此检测元件的作用至 关重要。织机常用接近开关作为检测元件，接近开关在长期高速运行中的可靠性 是个重要问题，偶尔一次失误，就导致织物次品的产生。解决这个问题的方法就 是改用旋转光电编码器，它可将机器运转的机械位置量化成角度，控制部分根据 这个角度值对织机进行控制。旋转光电编码器是个光电器件，抗干扰能力强，可 以在不同的环境中工作，寿命在1 0 0 亿次以上。另外，如果配置了电子送经卷取 系统，检测部分还应增加张力传感器，以实现对织造过程的恒张力控制。 国内剑杆织机的控制部分，主要有以下的一些形式 4 1 【5 1 1 6 1 ： l 、采用微型计算机进行控制。微机功能强大，计算能力强，可以支持良好 的人机界面，可以集成较多的控制软件和控制硬件。对于软件的调试，花纹图案 的选择，故障的诊断以及织机之间的通讯和联网控制等等都具有独特的优势。而 且系统的可扩展性，向上和向下的开发能力都较好，符合未来从数字式图案设计 到电子织造的趋势。从用户使用的角度看，用户使用的时候也就象使用自己的电 脑一样，只需进行稍微的说明，就能轻松上手。综合以上两点，可以说微机控制 是剑杆织机控制系统一个相当不错的选择。但是，微机价格昂贵，一台性能合适 的微机价格一般在2 0 0 0 , - 5 0 0 0 元左右，这样无形中就增加了系统的成本。同时， 微机也不适合在工厂相对恶劣的环境中运行。采用这种控制方式的企业相对的较 少。 2 、采用单片机进行控制。这里所说的单片机指的是相对低端的8 位或者1 6 位单片机。这种控制方案的特点是价格低廉，生产制造容易，能够大幅降低控制 系统的成本。然而，它的稳定性、可靠性和抗干扰能力差。同时，低端的单片机 的处理速度也有限，应用在中低速的剑杆织机控制系统中或许能够胜任，但在高 速的剑杆织机中就显得力不从心了。采用这种控制系统的有咸阳纺机、聊城纺机、 浙江泰坦、杭州纺机、引春机械、龙力机械、天津天申纺机等企业生产的一些织 机【1 6 1 。 3 、采用p l c 进行控制。目前国内大多数剑杆织机的控制系统都采用p l c 进 行控制。与单片机控制方式相反，p l c 最大的优点是稳定、抗干扰能力强，对运 行环境的要求低。它的许多功能是依靠软件技术来实现的，这样可以减少外围硬 2 浙江大学硕士学位论文 第一章绪论 件的使用，从而减少了故障发生的几率。通常p l c 都具有5 l o 万小时的正常运 行寿命即。目前国内p l c 市场基本由国外厂家垄断，价格较高。此外，p l c 的处 理速度有限，它的许多功能已不如当前不断涌现的嵌入式处理器。采用p l c 作为 控制核心的主要有高淳纺机、丰凯纺机、经纬纺机、苏州纺机、河南纺机等企业 生产的织机。 通过上面的分析，可以看出，目前存在的剑杆织机控制系统各有各的优缺点。 本文研究的对象是剑杆织机的电子送经系统，下面将主要讨论电子送经的现状、 特点及其控制形式。 1 3 剑杆织机电子送经的特点 织机的送经机构可以分为机械式和电子式两种。机械式送经机构由于在传动 件连接点的摩擦、间隙、构件的运动惯性等因素，调节系统的动态响应较缓慢， 经纱张力补偿不及时，调节难于精确。随着织机转速的提高和各部件问联动等自 动化要求的加强，机械式送经机构的不足之处日益明显，并逐渐被电子式送经机 构替代。 电子送经又可以分为连续式电子送经和间歇式电子送经【4 】。由于间歇式电子 送经机构其经纱张力自动控制主要是通过控制送经电机正向启动时间的长短来 实现的，是一种以前的织机上采用的简单的电子送经控制形式，满足不了目前提 高织机转速的要求，且长时间停车后，重新开车将会形成开车痕，影响织物质量， 无法满足对经纱张力均匀性要求较高的织物，因此现在较多的采用了连续式电子 送经机构。 电子送经机构简单、反应灵活、功能多样、容易操作，具有如下特点 f l s l t g l t o l ： ( 1 ) 有利于实现对织机的智能化控制，提高织机的自动化程度，同时电子送 经系统的响应速度比机械送经系统快： ( 2 ) 电子送经张力的控制精度高，可减少传动件的数量和传动链的累积误差， 使织造过程中经纱张力保持恒定，有利于提高织物布面质量； ( 3 ) 电子送经系统的动态经纱张力变化平稳，波动量小。经纱张力的调节实 现了自动化，送经量的调节范围变宽，可扩大织机的品种适应性； ( 4 ) 由于在织造过程中，可以利用微机控制技术及时地对织机的机械工作状 态及经纱张力等工艺参数进行检测和调整，在织机转速大大提高的同时，经纱断 头率不会增大，从而可提高织机的织造效率，且电子送经系统具有记忆功能； ( 5 ) 使用范围广。这种装置可以应用在剑杆织机、喷气织机、喷水织机以及 帘子布织机等其他新型织机上。 浙江大学硕士学 奇论文第一章绪论 4 4 电予送经的驱动形式比较 电子送经系统结构简单、品种适应范围广、调节灵敏、操作方便，因此，电 子送经在无梭织机上得到普遍地应用。电子送经替代机械送经器既能提高产品质 量，解决织疵问题，是当前发展的方向之一。国外无梭织机上电子送经系统与配 用的电子卷取已经作为主机的标准配置，通过电子联轴器同步控制，而国产的无 梭织机对电子送经和电子卷取装置的使用和开发才刚刚起步。 电子送经系统一般由三部分组成，分别是张力检测系统、送经控制系统和电 机驱动系统弘j 。根据使用的驱动电机的不同，当前常用的电子送经系统主要有以 下几种：直流电机伺服系统、交流伺服电机系统、步进电机系统和直流无刷电机 系统1 5 1 1 6 1 。 直流伺服电机，其机械特性较硬，线性调速范围大，易控制、效率高，比较 适用于作送经电机。但直流伺服电机因为有电刷的存在，长时间运转将产生磨损， 需要经常维护，在低速时，电刷和换向器易产生死角，电刷产生电火花将干扰控 制部分正常工作，并且直流放大器体积较大，故一些厂家多采用交流伺服电机。 交流伺服电机因无电刷和换向器，较适宜在对电磁干扰有要求的电子控制系 统中，低速性能好。为了弥补其机械特性软、线性调速区小的缺点，一般都使用 测速装置，形成速度反馈，构成闭环控制，保证送经的线性特性。多尼尔公司的 p t v 8 型、苏尔寿公司的6 3 0 0 型剑杆织机、日本丰田公司的j a t 6 1 0 型、j a t 7 1 0 型和津田驹公司的z a x - e 型喷气织机采用了交流伺服电机控制的电子送经、电 子卷取。国内采用此种方式的有丰凯纺机的k t 5 6 6 型、聊城纺机的g a 7 3 1 型、 经纬纺机的j w g l 7 2 6 型等剑杆织机。 近年来，德国百格拉公司推出了用步进电机驱动的电子送经装置。与交流伺 服电机和直流伺服电机相比，步进电机具有以下特点： ( 1 ) 输入脉冲与步进电机的角位移量有严格的对应关系，步距误差不会积 累； ( 2 ) 步进电机的转速只与控制脉冲的频率有关，在负载功能范围内不会因电 流、电压、负载的大小和环境条件的波动而发生变化； ( 3 ) 在一定的频率范围内，能按脉冲的要求快速启动、停止和反转； ( 4 ) 具有自锁功能，定位精度高。 尽管步进电机拥有如此多的优点，以下的几个不足却限制了它的进一步使 用： ( 1 ) 步进电机在低速时易出现低频振动现象。振动频率与负载情况和驱动器 性能有关，一般认为振动频率为电机空载起跳频率的一半。这种由步进电机的工 作原理所决定的低频振动现象对于机器的正常运转非常不利； 4 浙江大学硕士学位论文 第一章绪论 ( 2 ) 步进电机的输出力矩随转速升高而下降，且在较高转速时会急剧下降， 所以其最高工作转速一般在3 0 0 6 0 0 r p m 。这个转速相对偏低点； ( 3 ) 过载能力差，可以说，步进电机几乎没有过载能力； ( 4 ) 步进电机启动频率过高或负载过大易出现丢步或堵转的现象，停止时转 速过高易出现过冲的现象，所以为保证其控制精度，应处理好升、降速问题【l3 1 。 直流无刷电机是最近几年发展起来的新型调速电机。直流无刷电机的特殊之 处在于用电子换向装置代替了机械换向装置，既克服了一般直流电机由于机械换 向带来的缺点，又保持了其调速方便的优点，因而获得广泛的应用【1 4 l 。直流无 刷电机电子送经系统保持了直流伺服电机系统的优点，同时又抛弃了其缺点，可 以说是一种很有前途的控制形式。意大利舒美特公司的天马超优秀型剑杆织机和 美达驰型喷气织机就采用了直流无刷电机控制的电子送经。 1 5 本课题的研究目的和主要工作 通过上面的论述和比较，可以看出，几种主要的控制形式各有各的特点，使 用上述任一种控制方式都能到达理想的控制效果。然而，在设计电子送经系统的 时候，除了性能上的考虑，成本造价也是一个值得考虑的因素。以交流伺服电子 送经卷取系统为例，如果送经和卷取都采用交流伺服，则电子送卷系统中光是电 机和伺服放大器的成本就已经占到整台织机成本的十分之一左右。使用步进电机 的话，成本比交流伺服电机大概低三分之一左右。如果能在实现相同控制功能的 情况下降低成本，则将极大的提高产品的竞争优势。 交流异步电动机具有体积小、寿命长、无电刷、可靠性高、换向容易、无需 维修、设备成本低的特点。随着电力电子技术的发展，使得采用电力电子变换器 的交流拖动得以实现，特别是大规模集成电路和计算机控制的出现，使高性能交 流调速系统应用而生l ”】。2 0 世纪7 0 年代初出现了矢量控制技术后，交流调速 技术取得了突破性进展。交流电动机是个多变量、非线性、强耦合的被控对象， 采用参数重构和状态重构的现代控制理论概念可以实现交流电动机定子电流的 励磁分量和转矩分量之间的解耦，实现了将交流电动机的控制过程等效为直流电 动机的控制过程，使交流调速系统的动态特性能得到显著的改善和提高，从而使 交流调速最终取代直流调速成为可能。目前对调速特性要求较高的生产工艺己较 多地采用了矢量控制型的变频调速装置。实践证明，采用矢量控制的交流调速系 统的优越性高于直流调速系统。 交流异步电机在高性能调速方面的应用口趋成熟，为它在电子送经系统中的 应用提供了前提。如果再考虑它的价格优势，使用交流异步电机的电子送经系统 将具有较高的性价比。作者通过查阅文献和各高校的论文发现，现在大部分电子 浙江大学硕士学位论文 第章绪论 送经系统设计的时候都采用交流伺服电机、步进电机或者直流无刷电机，鲜有使 用交流异步电机的。同时，通过多年的连续开发，实验室的剑杆织机已经完成了 剑杆织机的自动控制和数据统计等功能，对于织机的电子送经功能则有待开发。 本课题正是基于这点，在将交流异步电机应用在电子送经方面作出了一些尝 试和研究，希望能够开发出一套具有高性价比的电子送经系统。电子送经系统完 成后，将作为剑杆织机控制系统的一部分，集成进剑杆织机控制系统中，为此， 需要跟原有系统进行通信，以协调整台织机的控制。在本课题中，作者主要作了 如下的一些工作： 1 、分析了织造过程中影响经纱张力的因素以及减少张力波动的措施： 2 、介绍了交流调速系统中电机的动态模型，进而通过坐标变换对模型进行 简化，引出了矢量控制的原理； 3 、进行电子送经系统的硬件设计，包括主控系统、张力采集电路板、接口 驱动电路和人机界面； 4 、设计了张力模糊控制器，并对模糊控制算法进行改进，提高控制系统对 环境的适应性； 5 、进行了电子送经系统的软件设计，包括控制程序、通信程序和张力采集 程序的设计。 6 浙江大学硕士学付论文 第二章织造过程中经纱张力分析 第二章织造过程中经纱张力分析 2 1 经纱张力的分类 织造过程中，经纱张力可以分为静态张力和动态张力。静态张力即是经纱的 上机张力，指的是在综平时经纱的张力，它是织造工艺的重要参数之一。动态张 力是指在织造过程中由开口运动、打纬运动、送经卷取等因素引起的张力波动。 织机在织造过程中，希望保持经纱张力恒定，指的是保持上机张力或者平均张力 稳定川。下面将分别分析静态张力和动态张力。 2 2 静态张力 正如前面所说，静态张力指的是经纱上机张力，是织造工艺的重要参数。适 当的上机张力是织造所必须的，它不仅是开清梭口的条件之一，也是打紧纬纱、 均匀经纱张力、形成良好的织物结构的条件。确定上机张力的主要依据是有利于 降低经纱断头率、有利于形成清晰的梭口、有利打纬和使织物具有较好的外观。 太大和太小的张力都是不合适的1 4 】。 如果上机张力太小，那么打纬的时候纬纱将不能相对经纱运动，纬纱跟经纱 粘连在一起，不仅使打纬失败，还使钢筘后面的经纱张力增大，容易使经纱断头。 当钢筘后退时，经纱与纬纱也会一起后退，从而无法得到预期的纬向紧度。此外， 上机张力太小，还会造成开口不清，影响引纬，容易造成跳花织疵。上机张力太 小还会使得织物中纱线排列不匀整、布面不丰满、条影显著。如果上机张力太大， 则纱线容易疲劳，因伸长量太大而容易断裂。上机张力对织物的物理机械性能也 有很大的影响，在一般情况，上机张力大，则经织缩率小，纬织缩率大，布长增 加而布幅减小，经密增加而纬密减小，布面匀整而纹路不清晰，耐摩性和经向强 度都有所增加。 另外，确定上机张力的时候，也应该充分考虑织物的性质。一般情况下，在 制织经纬密度小的织物时，应该采用较小的上机张力；反之，制织经纬密度大的 织物时，应该采用较大的上机张力，以利于开清梭口和打紧纬纱嗍。制织轻薄织 物的时候，在保证梭口清晰度的前提下，经纱张力以小为宜。 2 3 动态张力 动态张力受到多方面因素的影响，这些因素主要包括织机工作的几个主要运 7 浙江大学硕士学位论文 第二章织造过程中经纱张力分析 动如开口、打纬、送经卷取等，同时后梁的位置也对动态张力有重要影响! 下面 详细分析影响动态张力的各个因素，分析之后总结出减少张力波动的拮施。 2 3 1 开口运动对经纱张力的影响及消除措施 图2 1 是开1 ：3 运动的简图( 只画出了半个梭口) 。图中h 是梭1 ：3 高度，l 是 综平时经纱的长度，也即是梭口深度，l i 为前梭口深度，l 2 为后梭口深度，l i 是前半部分经纱伸长后的长度，l 2 是后半部分经纱伸长后的长度。 图2 - 1 织机开口运动简图【1 6 l 开口运动对经纱的作用主要是拉伸作用。这个作用通过梭口高度、梭口深度、 梭口对称度和后梁位置等几个因素来共同对经纱张力造成影响。经纱的张力跟经 纱的伸长变形成正比。经纱的伸长变形可以用经纱的相对伸长率来表示，由文献 【1 5 1 0 0 的推导可知，经纱相对伸长率跟梭口高度的平方成正比，梭口高度越高， 经纱的相对伸长率也就越高，相应的张力也就越大。因此，减少梭口的高度，可 以大幅度减少经纱开口时受到的张力。但是，梭口高度不能任意降低，高度太低 会影响引纬。 梭1 ：3 的对称度可以用m = 导来表示。当梭1 3 高度、梭i = l 长度以及虎克系数 l 2 一g g 争l ，经纱的张力为：f = 笔手( 2 + m + 寺。分析f 的表达式可知，n m = 吉 即m = 1 ，寻= l 时，f 能够取得最小值。这表示，当梭口完全对称时，这个时 l 2 候的经纱张力是最小的。然而，在实际的织造过程中，并不使用这种对称梭口， 对称梭口使前梭1 3 的高度偏低，严重时会影响入纬，一般织造时都使? - 1 l 。 8 浙江大学硕士学位论文 第一二章织造过秤中经纱张力分析 由图2 - l 可知，当梭口高度不变的情况下，梭口深度l 越大，经纱的拉伸变 形越小，经纱的张力也就越小。因此，织造时应该尽量使梭口深度变长。 在实际生产中，一般梭口上半部高度与下半部高度是不对称的，使得梭口上 下层经纱的张力也不相等。合理调节梭口上下层经纱张力差异，可起到改善织物 结构、提高织物质量的作用。开口时经纱上下层的张力差主要取决于后粱的高低， 因此在工艺上，可通过调整织机后梁位置的高低来达到调整梭口上下层经纱张力 的差异的目的。 综合以上所述，开口运动对织机张力波动的影响主要体现在梭口高度、梭口 对称度、梭口深度和后梁位置等几个方面。因此，要尽量减少开口运功对张力的 影响，应该从这几个方面入手采取措施。主要措施可以有以下几点： ( 1 ) 梭口高度的轻微变化会急剧影响经纱张力( 平方正比关系) ，所以在满 足引纬条件的前提下，梭口高度应该越小越好； ( 2 ) 梭口深度的增加，将使经纱张力波动减小，有利于经纱张力的恒定，因 此应该使梭口深度尽量的长； ( 3 ) 梭口在对称分布时，经纱张力有最小值。因此，应该在引纬允许的条件 下，使梭口对称度m 尽量接近于l ； ( 4 ) 织机主轴回转一周，织机开口闭合一次。通常织机的开口曲线都近似于 正弦曲线，比如史陶比尔的p 系列开口曲线就是如此【1 9 1 。因此，在织机的高速运 转中，开口运动对经纱张力的影响可以看成是高频振动【1 0 i 1 1 5 1 。合理的布置后梁 的位置，在调整经纱上下层张力的同时，还可以对这种高频振动进行补偿。 2 3 2 打纬运动对经纱张力的影响及消除措施 在打纬的过程中，钢筘把纬纱推向织口，由于纬纱跟经纱的相互作用，产生 了阻碍钢筘前进的打纬阻力。下面通过图2 - 2 的打纬模型来分析打纬阻力和经纱 张力间的关系。 图2 - 2 打纬力学模型 图2 - 2 中，瓦为经纱张力，f 为打纬力，p 为打纬阻力，t z 为织物张力。以经 纱和纬纱的接触点来分析打纬过程中各力的变化，在接觚点上共受到3 个力的作 用，一个是织物的张力t z ，一个是经纱张力l 在水平方向上的分量，还有是打纬 9 浙江大学硕士学位论文 第二章织造过程中经纱张力分析 阻力p 。 在打纬之前，p = - o ，此时有： lc o s 8 = 在打纬过程中，钢筘推动纬纱前进，p o ，此时三个力的平衡条件为： p = lc o s o - t , ( 成立的条件是织口不发生移动) 下面根据上式对打纬过程进行分析： ( 1 ) 打纬开始的时候，p 较小，此时有， 乃c o s 9 一关系成立，这个时候会发生经纱纬纱一起 移动的现象。这个运动是经纱弯曲所必须的，它的效果使经纱张力增大，织物张 力减小，又会出现，一c o s 0 一的情况。上面三个情况循环出现，直到打纬完 成。 由上面的分析可知，在打纬期间，经纱一段时期内变形伸长，另段时期内 又弛缓收缩，经纱呈现一种纵向张弛振动的现象，或者称为“粘滑振动”。打纬 期间经纱张力的变化曲线可以从图2 3 中看出。 ( t a d ) 图2 - 3 打纬过程中经纱，织物张力示意图【1 7 l ， 图2 - 3 中，上k 是经纱的上机张力，a b c d e f 为打纬过程中经纱张力变化曲线， a b c d e f 为打纬过程中织物张力的变化曲线。由图2 - 3 并结合打纬过程的分析， 可知打纬过程中随着角2 目的不断增大以及钢筘推动新纬纱不断向前移向织口， 使得1 ：j 、t z 、p 都发生了变化。即在打纬过程中t j 和p 逐渐增大，而对应的t z i o 浙江大学硕士学位论文 第二章织造过程中经纱张力分析 则逐渐减i x ；但在打纬终了之后则相反。变化的总趋势是：p 达到最大值，新纬 纱被钢筘推到最前位置，经纱张力上升，织物的张力下降。文献【1 8 】中的测试结 果进一步论证了这个过程。 姗1 0 0 0 1 5 0 02 0 0 0 t , m s 图2 4 经纱动态张力测试曲线i l s l 图2 4 中线段a b 为经纱同时处于开口、卷取、打纬时期，由于织口在钢筘 推动下向机前方向移动，所以经纱张力迅速增加。b 点为打纬终了点，此时经纱 张力达到最大值。线段b - c 为织口随钢筘向机后方向移动，经纱张力突然下降； 并且由于梭口处于开口时期，曲线下端略有波动。线段d d 为梭口处于开口时期， 经纱张力增加。线段d e 是综框处于静止时期，由于经纱的放松，张力略有波动。 线段b 下是梭口处于闭合时期，经纱张力逐渐减小，并且由于织物的卷取，曲线 下端略有波动l i 飘。 综合上面的分析，打纬的时候会引起经纱张力的强烈波动。织机主轴回转一 次，打纬一次。在织机高速回转中，打纬可以看作是影响经纱张力波动的高频因 素，这个高频因素将引起织机后梁的高频振动。因此，在织机工作的时候，应该 合理的布置后梁的位置，使后梁能对经纱张力的波动进行补偿。 2 3 3 送经卷取运动对经纱张力的影响及消除措施 电子送经的基本原理是：卷取电机的速度由纬密决定，织造过程中卷取电机 保持恒速运转，即每纬卷取量为恒值。送经电机根据纬密，每纬送出适当的经纱， 保证织造过程中张力的恒定。随着织造过程的进行，经轴的直径不断变小，送经 电机针对这个情况，应该相应的调节转速，以达到恒张力控制。送经电机的速度 与织造参数的关系，可以由下面的式子来表示。 对于送经，每纬送出的经纱量为：l j2 瓦百= 1 瓦刃，其中4 ，是经纱的缩率 若送经电机减速箱传动比为，经轴半径为r ，根据文献 1 9 1 ，可以推出送经电 浙江大学硕士学位论文 第章织造过程中经纱张力分析 机转速为：一= 丢k 万j 忑x 万v ，其中足，= i = i 1 x ，v 为织机主轴转速，i j 为传动比。 可以看出，送经电机的转速跟纬密成反比。织轴半径五随着织造的进行是不断 减小的，为了使张力恒定，必须相应的提高送经电机转速。 由于在每个织造循环中，送经卷取运动一直在进行，因此送经卷取运动造成 的经纱张力波动可以看成是影响经纱张力的低频因素，送经系统必须对这一低频 因素进行控制和补偿，以达到恒张力的目的。 浙江大学硕士学位论文 第三章交流电机矢晕控制原理分析 第三章交流电机矢量控制原理分析 交流电机的调速方式多种多样，目前应用最广的是基于磁场定向的变频调速 系统，通过磁场矢量控制，可以达到跟直流调速系统相当的性能。本章中，在介 绍交流异步电机动态模型的基础上，引出了矢量控制变频调速系统的实现原理。 3 1 交流异步电机的动态数学模型 高性能的交流电机变频调速系统，是基于矢量控制的，要了解矢量控制、磁 场定向的原理，就必须认真研究交流电机的动态数学模型。下面将对交流电机的 动态数学模型进行介绍。 3 1 1 交流电机动态数学模型的特点 直流电动机的磁通由励磁绕组产生，可以在电枢合上电源以前建立起来而不 参与系统的动态过程，因此它的动态模型是一个单输入单输出系统，输入为电枢 电压，输出为转速。交流异步电机在工作原理上跟直流电机有着本质的区别，因 此其动态模型也有着完全不一样的特性1 ”i t 2 0 l ： ( 1 ) 异步电动机变压变频调速的时候需要进行电压跟频率的协调控制，有电 压跟频率两种输入。在输出变量中，除转速外，磁通也是一个独立的输出变量。 电机工作的时候，磁通的建立跟转速的变化是同时进行的，电压、频率、磁通、 转速之间会相互影响，因此，交流电机的数学模型是一个多变量强耦合系统； ( 2 ) 在异步电机中，转矩可以表示为电流与磁通的乘积，转速乘磁通得到感 应电动势，由于他们都是同时变化的，因此，交流电机的动态模型是个非线性模 型； ( 3 ) 三相交流电机定子有三个绕组，转子也可以等效成三个绕组，每个绕组 产生磁通时都有自己的电磁惯性，再算上运动系统的机电惯性和转速转角的积分 关系，可见交流电机模型是个高阶模型。 综合上面的分析，异步电机的动态数学模型是一个高阶、非线性、强耦合的 多变量系统。 3 1 2 交流电机动态数学模型 交流电机动态数学模型太过复杂，为简单起见，在建立模型的时候常作如下 浙扛丈学硕士学位论文 第i 章交流电机矢基控制原珲分析 的几个假设【1 1 2 1 1 2 2 ： 1 、忽略空间谐波，设三相绕组对称，在空间中互差1 2 0 。电角度，所产生 的磁动势沿气隙周围按正弦规例分布： 2 、忽略磁路饱和，认为各绕组的自感和互感都是恒定的； 3 、忽略铁心损耗： 4 、不考虑频率变化和温度变化对绕组电阻的影响。 交流电机的物理模型如下图3 - 1 所示 图3 - 1 三相交流电机的物理模型f 2 l 】 图3 一i 中，定子三相绕组a 、b 、c 在空间是固定的，以a 轴为参考坐标轴； 转子轴线a 、b 、c 随转子旋转，转子a 轴和定子a 轴间的电角度口为空间角位移 变量。 根据上面的假设和交流电机物理模型，异步电动机的动态数学模型主要有电 压方程、磁连方程、转矩方程和运动方程组成1 1 1 j 1 2 ”。 1 、电压方程： r ，0 0 0 r ，0 0 0 疋 000 000 oo0 00 00 00 r ，0 0 r ， oo熏+ 楼 ( 3 一1 ) 或者写成 , = r i + ( 3 - i a ) 式中 u ，, 口，砧。，6 ，”。定子和转子相电压的瞬时值； 1 4 以咖灯如如以 浙江大学硕士学位论文 第j 章交流电机矢学垃制原理分析 i ，i c ，i o ，乇，定子和转子相电流的瞬时值； 钆，纯，仍，纯各相绕组的全磁链； r o ，r ，定子和转子的绕组电阻； p 微分算子丢 2 、磁链方程： 阱眨乏 ；： 仔z ， 其中：一= 阮1 9 0 c r v = 阮纯】r i i = 。i 8i 蠢i r - - kki 蠢 l = 工，r = l m + l h 一三k 一三k l m + l b 一吾k 一三k 17 一i l w + l h 1 ， 一i l r i l 。l + l b 1 r i k 一丢k l + l b 一扛 一扛 l 。s + l h ( 3 3 ) ( 3 4 ) f c o s o c o s ( o - 1 2 0 。) c o s ( 8 + 1 2 0 。) l 。= 上，7 = k le o s ( a + 1 2 0 。) c o s o c o s ( o 一1 2 0 。) i ( 3 - 5 ) 【c o s ( 0 - 1 2 0 。) c o s ( 0 + 1 2 0 。) c o s o j 其中，k 为定子各相漏磁通所对应的定子漏感，厶转子各相漏磁通对应于 的转子漏感。工。定子一相绕组交链的最大互感磁通所对应的定子互感，工。为 转子互感。厶和t ，两个分块矩阵互为转置，且与转子位置角口有关，它们的各 个元素是时变参数，这是数学模型非线性的一个源。 3 、转矩方程： 浙江大学硕士学位论文第三章交流电机矢量控制原理分析