（纺织工程专业论文）基于伺服控制的经编电子送经系统研究[纺织工程专业优秀论文].pdf

中文摘要 中文摘要 经编电子送经系统是通过伺服电机驱动经轴送出经纱来满足编织需要的系 统。它是经编机中最重要的组成部分之一。本课题主要进行了伺服控制的经编 电子送经系统的开发，为经编行业电子信息化的发展打下了基础。 论文详细介绍了伺服控制的经编电子送经系统的开发过程及送经反馈偏差 和停车横条与电子送经系统的关系。首先，论文把电子送经系统分为单速、双 速和多速三类，分别分析其控制原理，建立了物理模型，确定了系统结构，设 计了控制算法。接着是论文的核心部分，介绍了经编电子送经控制系统的实现 过程，系统采用基于单片机的现场总线技术，各经轴控制单元分散控制，由上 位机对其统一管理。入机界面负责输入输出工艺参数，基于单片机的控制板作 为经轴控制单元负责所有现场数据采集和实时监控。并在实验中验证了系统的 可靠性。随后，论文分析了送经反馈原理和送经反馈相关因素，从数学模型的 角度解释了送经反馈偏差对电子送经系统的影响，并得出罗拉直径与电子送经 偏差之间的关系公式。最后论文研究了停车横条的特征和形成原因，从送经的 角度分析了伺服控制经编电子送经系统对停车横条的影响，得出伺服电机的响 应时间和响应特性对停车横条的影响大小。 总之，本课题开发出了具有一定实用性的电子送经系统，并用试验验证了 测速罗拉直径变化对停车横条的影响大小；创造性地通过可控程序跟踪主轴与 经轴转速的变化来测定电子送经系统对停车横条的影响，为减轻经编停车横条 提供了新思路。 关键词：经编；电子送经；反馈偏差：停车横条 英文摘要 a b s t r a c ti ne n g lis h t h ew a r pk n i r m ge l e c t r o n i cy a mf e e ds y s t e mi sas y s t e mw h i c hs e n d sy a r nb y s e r v om o t o r , a n di so n eo f t h em o s ti m p o r t a n tp a r t si nt h ew a r pk n i t t i n gm a c h i n e t h i s t h e s i sm a i n l ys t u d i e st h ed e v e l o p m e n to f t h es e 0c o n t r o le l e c t r o n i cy a mf e e ds y s t e m a n dl a y sag o o df o u o d a f i o nf o rt h ed e v e l o p m e n to ft h ew a r pk n i t t m ge l e c t r o n i c i n f o r m a t i o n t h i sp a p e ri n 圩o d u c e st h ed e v e l o p m e n to ft h e $ e r v oc o n t r o le l e c t r o n i cy a r nf c e d s y s t e ma n da n a l y z e st h ew a r pk n i t t i n gm a c h i n e sl e t - o f ff e e d b kd e f l e c t i o na n dt h e c r o s ss t r i p e f i r s t l y , t h ep a p e rd i v i d e st h ew a r pk n i t t i n ge l e c t r o n i cb e a mc o n t r o ls y s t e m i n t ol i n e a r , 2 - s t e pa n ds e q u e n t i a lt h r e et y p e sa n da n a l y z e st h ed o m i n a t i o np r i n c i p l eo f e a c ht y p e s e c o n d l y , t h ep a p e rs t u d i e st h ep h y s i c a lm o d e lo f t h el e t - o f f s y s t e ma n dt h e f r a m e w o r ko ft h es y s t e m m e a n w h i l e ，t h ep a p e ra l s oi n t r o d u c e st h ed e s i g no ft h e c o n t r o la l g o r i t h m t h i r d l y , i td e s c r i b e st h ed e s i g na n dp i 枷o fe l e c t r o n i cb e a m c o n t r o ls y s t e mi nw a r pk n i t t i n g ，w h i c hi sa l s ot h ek e yp a r to ft h ep a p e r t h es y s t e m u s e sf c s ( f i e l dc o n t r o ls y s t e m ) t e c h n o l o g yb a s e do ns i n g l ec h i p , e a c hb e a mi s c o n t r o l l e ds e p a r a t e l yb yab e a mc o n t r o lu n i t , w h i l ee a c hc o n t r o lu n i ti sm a n a g e d c e n t r a l l yb yt h es u p e rc o n t r o l l e r t h ep r o c e s s i n gp a r a m e t e r s a r ei n p u ta n do u t p u t t h r o u g hh u m a n - c o m p u t e ri n t e r f a c e ，w h i l et h ef i e l dd a t aa c q u i s i t i o na n dr e a l - t i m e c o m p u t a t i o na r em a n a g e db yt h ec o n t r o l l e rw h i c hi sb a s e do n as i n g l ec h i p t h e nt h e p r i n c i p l eo ft h el e t t i n g - o f ff c c d b a c ks y s t e ma n dt h ec a u s eo ff e e d b ke r r o ri s a n a l y z e di nt h ep a p e r b a s e do nt h em a t h e m a t i cm o d e l ，t h ep a p e rd e s c r i b e st h el e t - o f f f e e d b ke r r o r ，sa f f e c t i o nt ot h ee l e c t r o n i cy a mf e e ds y s t e m sr u n - i nv a l u e i nt h ee n d , t h ep a p e rs t u d i e st h ec r o s ss t r i p ea n dp o i n t so u tt h es e r v oc o n t r o le l e c t r o n i cl e t t i n g - o f f s y s t e m sa f f e c t i o nt ot h ec r o s ss t r i p e t os 啪u nt h et h e s i sd e v e l o p sa5 e i v oc o n t r o le l e c t r o n i cy a mf e e ds y s t e mw h i c h c a nb ep u ti n t op r a c t i c e ，a n dv a l i d a t e st h er o l l e r sc h a n g ev a l u e sa f f e c t i o nt ot h ec r o s s s t r i p e c r e a t i v e l y , t h ea u t h o rm e a s u r e st h ee l e c t r o n i cy a r nf e e ds y s t e m sa f f e c t i o nt o t h ec r o s ss t r i p et h r o u g hc o n t r l l l e dp r o g r a m , a n dp u t sf o r w a r dan e ww a yt oc o n t r o lt h e w a r pk n i t t i n gc r o s ss t r i p e k e y w o r d s ：w a r pk n i t t i n g ；e l e c t r o n i cy a mf e e ds y s t e m ；f e e d b a c kd e f l e c t i o n ；c r o s s s t r i p e i i 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。尽我所知，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 本人为获得江南大学或其它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。 2 ，稗弓月7 2 日 关于论文使用授权的说明 本学位论文作者完全了解江南大学有关保留、使用学位论文的规 定：江南大学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，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，并且本人电子文档的内容和纸质论文的内容相一致。 保密的学位论文在解密后也遵守此规定。 签名：导师签名： 日期： 第一章绪论 第一章绪论 本章主要介绍经编电子送经系统的发展概况和国内外研发现状，以及本课题 的目的、意义与任务。 1 f 经编电子送经系统的发展概况 经编送经系统是使经纱从经轴上退绕下来，按照一定的送经量送入成圈机 构的系统。它是经编机中最重要的组成部分之一，直接影响经编产品的质量和 花型品种。 经编机从诞生至今已有两百多年历史，在此期间，经编技术取得了明显进 步。尤其是在最近二十年，随着电力电子技术的进步，微机技术的应用和新型 控制策略的出现，经编技术有了飞速发展。就送经系统面言，也由最初的消极 式机械送经系统经过不断改进与完善，发展到如今功能完善、种类齐全、可适 用于不同场合的电子送经系统，为更高车速和生产更多花型品种提供了可能。 下文将对经编电子送经系统的发展作一简述【l 】o 1 1 1 模拟伺服控制送经系统 在数字电子控制技术迅猛发展之前，模拟电子技术发挥着巨大作用。为了 使经编机向更高车速和织物花型品种多样化方向发展，经编机器的开发研究人 员把模拟电子技术应用于经编送经系统中。第一台电子送经系统诞生于1 9 8 1 年，被称为e b c 多速电子送经系统，适应多种送经量的需要，并有相应的e a c 电子牵拉卷取与之配套。在此期间出现的电子送经系统是在线速感应机械式电 子送经系统的基础上开发出来的，在经轴表面装有线速测速发电机，以测得实 际的送纱线速度a 与之不同的是机械式表面测速采用机械传动链测得，因而避 免了机械传动造成的传动间隙。模拟式电子送经的基准信息取之于主轴上的直 流发电机，经过衰减器到达差动放大器。差动放大器有两个输入端和一个输出 端，相当于一个比较机构。当实测送经速度与预定送经速度相等时，差动放大 器输出为零，经过运算放大后，因而维持电机原速运转。当差动放大器的输入 信息不一致时，其输出端将不是零，经过运算或放大向电动机输出差值，从而 使电动机增速或减速【2 】。 1 1 2 数字伺服控爿送经系统 随着数字电路技术的发展，e b c 电子送经系统中的模拟控制电路逐步被数 字控制电路取代。最初仅把经轴和主轴的测速发电机换成了增量式光电编码器， 扛南大学硕士学位论文 控制经轴的直流伺服系统中的测速部分仍采用测速发电机，后来随着数字伺服 技术的发展，直流伺服系统中直流电机的测速部分采用了增量式光电编码器。 论文第二章将对成熟的数字式电子送经系统的控制原理作详细分析。 这种送经系统的代表产品有：k a r lm a y e r 公司( 德文e l e k t r o n i s c h e b a u m c o n t r 0 1 ) 和l i b a 的e b c 电子送经系统。系统采用计算机作为控制元件、 伺服放大器和伺服电动机组成伺服控制系统，控制经轴电动机的转速。这两个 公司的e b c 电子送经系统都采用伺服系统控制驱动经轴的角位移以准确控制 经轴的送经置。k a r lm a y e r 的e b c 送经系统可编制1 9 9 种不同序列，累计循环 可达8 0 0 万个线圈。可以同时和电子牵拉卷取e a c 配合使用。系统不仅具有操 作界面，还可以连接打印机。l i b a 的e b c 电子送经系统送经量可达 + 1 4 4 0 0 m m r a c k ，循环最多可达1 5 0 0 0 个线圈闭 1 1 3 控铡式电子送经系统 尽管f a g 定长积极送经系统可以获得较高的车速，但仍然避免不了机械调 接繁琐等一系列的问题。为了使经编机在单速下实现电子控制，8 0 年代国外出 现了电子控制机械驱动式的电子送经系统即m e c h a n i c a ly a r nl e t - o f f u n i tw i t h e l e c t r o n i cc o n t r o l 。这种电子送经系统在鼢旧型机械式送经装置和e b c 电子送 经系统的基础上研制开发，应用于某些送经量恒定的编织需要。把积极式机械 送经系统的测速反馈和比较部分由机械装置换为电子装置，微处理器通过控制 电机调整无级调速器的传动比，改变主轴与经轴之间的传动比，从而控制经轴 转速。主要代表产品有k a r lm a y e r 公司的e b a - 1 和l i b a 公司的e b ai1 3 。 1 1 41 3 a 电子送经系统 1 9 9 8 年，在原先的电子控制机械驱动经编送经系统上开发出了新一代电子 送经系统e b a ( 德文e l e k t r o n i s c h eb a u m - a n t r i e b ) 。经轴完全由经轴电机单独控 制，而并非由主轴经齿轮传动，经轴转速的变化由经轴电机转速的改变，而并 非经过改变齿轮传动比实现【4 1 。e b a 单速电子送经系统采用单片机作为控制元 件，交频器和电机组成驱动系统，控制经轴电动机转速。并可以与电子牵拉卷 取e w a 配合使用。主要产品有k a r lm a y e r 公司的e b a 和e b a - 2 s t e p 和l i b a 公司的e b a i i 。 1 2 国内外研究现状 1 2 1 国外研究现状 国外对经编电子送经系统的研究已经相当成熟，产品性能亦很稳定，停车 2 第一章绪论 横条的明显程度大大降低，但仍无法从根本上消除停车横条。目前国外的双速 电子送经系统主要是德国k a r lm a y e r 公司的e b a 2 s t e p 和l i b a 公司的e b a i i ， 两家公司所生产的多速电子送经系统均采用伺服控制系统。 1 2 2 国内研究现状 国内对经编送经理论的初步研究始于2 0 世纪5 0 年代，在7 0 年代进行了一 系列深入的研究，如经编机上纱线的消耗和运动、纱线张力对成圈运动的影响、 成圈过程中的送经运动规律等。另外还进行了大量的机械改造工作，包括对消 极式、积极式送经系统装置、弹性张力杆的改造工作、对经编停车横条的成因 以及消除方法进行了大量尝试，为经编送经的技术革新打下了基础【5 j 。从2 0 世 纪9 0 年代开始，国内也开始了对经编电子送经系统的研究开发工作，并取得了 一定成果，其中，常州步云工控自动化有限公司和和达机电有限公司相继开发 出了类似产品，但都存在一定的缺陷，譬如，步云工控的双速送经速度偏低， 最大速度仅能开到6 3 0 转分，而杭州和达的电子送经系统只能进行单速送经。 常德纺机厂也曾推出经编电子送经系统，但控制效果不够理想，开停车过程中 布面横条明显，表明经轴未能准确跟随主轴，控制效果不够完善。江南大学也 曾对经编电子送经系统进行了深入研究，并在实验室内试制出该系统，但在机 速较高的情况下，控制效果仍不够理想。目前国内还没有开发出性能优良，功 能完善的经编电子送经系统。 1 3 本课置的目的、任务与意义 经编送经系统从消极式机械送经发展到今天，已有两百多年历史，功能日 益完善。特别是f a g 稳定的送经，使经编机的车速大大提高。然而，机械式送 经系统仍然存在着无法克服的缺陷，系统内仍存在着许多传动间隙，致使控制 作用滞后于实际转速的变化，同时其反馈性能不足，在更高车速下( 大于2 5 0 0 转分) ，经轴转速控制不准确，并且随着车速的提高，传动和调速零件磨损严 重，不仅能量损耗大，而且带来噪音。特别是在停车与开车时易产生明显停车 横条。只能使用一种送经量，不能满足送经量变化的要求。此外由于技术上的 原因，停车换轴时，人工转动经轴非常困难，因此，操作舒适程度不高【2 】。 电子送经系统与传统的机械式送经相比具有如下突出优点：能实现更高的 车速( 最高3 6 0 0 辅，分) ，提高了生产效率；可以实现多速送经，送经量在按要 求在不同值之间切换，更改方便、迅速，无需更换送经变换齿轮：更换经轴时 不需要人工转动经轴，只需简单按键即可；不需要通过主轴电动机经齿轮传动 经轴，各经轴采用单独控制，减少了摩擦和能量损耗；减少了噪音，提高了操 作的舒适性h 江南大学硕士学位论文 当前，国内对高档经编电子送经系统的开发因为各种原因，都没有成功实 现产业化，经编生产车间除了从国外进口的电子送经系统外，就是机械式送经 系统。如今，在石油、化工、汽车制造业、纺织印染业，都提倡国际产品国产 化，所谓国产化，就是在消化吸收引进国外先进技术和设备的基础上，形成本 国的技术研发和制造能力。虽然国内已对经编送经技术做了大量实践工作，但 电子送经系统的开发仍未取得成功，高档电子送经系统仍然大量依赖进口，e b c 售价约5 0 多万，价格相当昂贵。目前国内经编企业存在大量二手经编机，大都 采用f _ a g 机械式送经系统，且即将损坏，迫切需要更换，因此迫切需要在吸收 国内外先进技术的基础上，自主开发技术先进、控制方便、价格低廉的经编电 子送经系统。 本课题的主要任务是开发出一种成本低廉、性能稳定并且具有自主知识产 权的经编电子送经系统。同时对送经反馈偏差对电子送经系统的影响和电子送 经系统对停车横条的影响两个方面进行研究。 本课题的意义在于：提高我国的经编机械机电一体化水平；推动我国经编 企业的产业升级；缩小与国外先进技术的差距；增强我国经编产品的国际竞争 力。同时开发该系统将有助于打破国外先进国家的技术垄断地位，有效的降低 该系统在国内市场的价格，并可迸一步提高国内经编机的自动化程度。提高我 国经编机的技术含量，提升我国经编机生产企业的强际竞争力。 4 第二章经编电子送经原理研究 第二章经编电子送经原理研究 2 1 经编电子送经控制原理 经编送经系统的种类很多，有关经编送经系统的分类方法也很多，为满足 不同的送经量需要采用不同的电子送经系统。以下分别详细说明。为满足不同 的工艺要求，送经系统可以自始至终保持恒定送经量( 如编织经平、经绒组织) ， 也可以在两种送经量之间切换( 如褶裥类缺垫组织) ，或者按一定规律在多种送 经量之间切换( 如花纹复杂的经编组织) 【6 】。椐此，电子送经系统分为单速送 经系统，双速电子送经系统和多速电子送经系统。用英文分别表示为l i n e a r 、 2 - s t e p 和s e q u e n t i a l 。下文分别就这三种电子送经系统的控制原理与算法作一分 析。 2 1 1 单速电子送经系统 在对单速电子送经系统的调速原理进行详细分析前，首先分析f a g 机械式 送经系统的调速原理。通常更换新盘头，设定送经量后选定合适的a b 齿轮， 并将摩擦环调整到相应刻度，即确定了初始传动比t o o ；在以后的运行中，随着 经轴外周长的减小，经轴转速不变，则送经线速度将减小，反馈回来的线速度 通过感应杆与罗纹套管( 基准传动比x 当前主轴转速) 进行转速比较，它们的转 速差也即目标线速度与反馈线速度的差值，用此差值调整摩擦环位置，从而产 生传动比调整值m ，因此调整后的经轴转速总传动比为m o + m ，而每次调 整后的盘头送经线速度，均与盘头外周长为c o 时，传动比为m o 的送经线速度 趋于一致。在盘头开始生产后的每次启动，其初始传动比均以上次停车时的传 动比为初始值，在上一次的调整基结果上进行调整，实为一累加过程。 在分析f a g 送经机械式送经系统的调速原理的基础上，得出了单速电子送 经系统的调速方法。单速电子送经采用了速度闭环控制，由控制单元比较经辅 的目标转速与实际转速之间的差值，再由变频器调整电机的转速，使目标转速 与实际转速之间的差值趋于零。为了保证成圈过程的正常进行，主轴每转一转， 经轴必须送出一定长度的经纱；主轴按一定转速旋转，经轴必须按与主轴转速 成一定系数关系的送经线速度送出经纱。随着编织过程进行，经轴外周长会越 来越小，为了保证经轴的送经量为一常量，经轴的转速必须与主轴转速之比按 一定规律变化。因此，在目标速度控制模式下，从经轴电机与主轴电机之间跟 随的传动比的角度来考虑。 江南大学硕士学位论文 1 参数说明 n 。：主轴转速； n b ：经轴转速； m b ：经轴电机至经轴机械传动比( 通常选择1 2 0 ) ：， 1 0 蠲i 经轴电机目标转速； n i ：经轴电机转速操作值； f z l ：设定送经量l ； f z 2 ：设定送经量2 ； n i ：当前经轴电机即将使用的转速； n o ：根据设定送经量和盘头上机时的外周长c o 计算的经轴电机初始目标转速； n i ：由经轴表面线速度差计算得出的经轴电机转速补偿值； v - ：盘头表面线速度反馈； c i ：当前经轴盘头的外周长。 2 计算说明 ( 1 ) 经轴初始目标转速： 嚣! 竺：露，靠一撑，：f z x n 旦 ( 2 1 意2 白 一 2 j c ox 4 8 0 ( 2 _ 主轴转速信号由安装在主轴上的光电编码器采集。经轴电机的转速由与经 轴电机同轴安装的光电编码器获得，故经轴电机有初始目标转速： 玎。；刀j 堕( 2 2 ) 嘞一聊丽南懈矗 ( 2 ) 经轴外周长计算 若采用表面测速罗拉，盘头外周长可由盘头的实际送纱线速度与实际转速求 得，表达式如下： 皆l ：且( r a m s )( 2 。3 ) 、 押6 ( 安际) ( 1 - 1 ) 若不采用表面测速罗拉，经轴实际转速反馈和退绕总圈数由经轴电机上的 编码器获得，经轴外周长c i 的计算如下： c i = c o - z i ( c o - c o z ； ( 2 4 ) 式中 c i - 一经轴的现时周长( m m ) c 旷一经轴的满卷周长( 衄) c l 经轴的空轴周长( 眦) 6 一 疗舌i = 厅卫 第二章经编电子送经原理研究 厶一经轴满卷时的绕纱圈数； z i 经轴满卷至现时的退绕总圈数川 ( 3 ) 经轴电机转速操作值n i 的计算： 因为机械传动之间存在间隙，而且随着编织过程的进行经轴的外周长越来 越小，因此经轴控制单元发送到驱动器中的速度控制命令必须考虑到经轴的实 际表面线速度反馈与工艺设定的目标线速度之间的差异，并修正这种差异。所 以控制单元发送的速度控制命令是经轴电机转速的操作值，而并非上述的目标 值。在控制经轴电机的驱动器接收到下一周期的速度控制命令前，电机仍然按 照上一周期的速度控制命令运行，因此经轴表面线速度反馈值与经轴外周长之 比再乘以传动比。即为经轴电机上一周期的转速反馈。所以，控制单元向电机 发送的速度命令为目标转速与上周期经轴电机的目标转速之和。经轴电机的转 速操作值的计算式为： n l - - 本周期经轴电机目标转速值+ 上周期经轴电机转速修正量 u i = 刀盎动+ 疗隹正= 一麓动+ 一 ( 2 5 ) 一= 当雩鬃震豸黼传动比= 警2 。= 擎g 固 = 盖m 为上周期经轴转速反馈，弩为上周期经轴电机转速反馈，可由当 前经轴电机的编码器反馈获得。 电机的速度调节器( 变频器) 内部的速度闭环控制往往采用p d ( 比例积 分兹分) 控制算法，可通过对其各值的设置达到最优的控制效果嘲 3 总结 ( 1 ) 初始目标转速 n 。= n 鳓= 1 m b 丽x f z x n 月, ( 2 7 ) ( 2 ) 减小误差措施 n t 芷：垒兰掣兰坠( 2 8 ) i = o 时，坤l 与n i - 2 取与n i 取相同的初始值。 2 - 1 2 双速电子送经系统 7 江南大学硕士学位论文 与单速电子送经相同，双速电子送经系统同样采用速度闭环控制，由控制 单元比较经轴的目标转速与实际转速之间的差值，再由变频器调整电机的转速， 使目标转速与实际转速之间的差值趋于零。使经轴转速与主轴转速之比按一定 规律变化，因此，同样需要从经轴与主轴之间转速比的角度来考虑。唯一不同 的是经轴目标线速度在两个值之间进行切换，因此经轴与主轴之间转速比的计 算比单速送经条件下复杂。 1 参数说明 其他参数与单速下相同，这里不再重复叙述。花型循环总的横列数a ，两 种送经量的值f z l 和f z 2 ，对应的循环序列以及起始横列数b 。 序列号送经量 横列数 f 0 1f z la l f 0 2f z 2a 2 f 0 3f z la 3 f 0 4f 2 2a 4 f if 五a i ( i 为奇数时，送经量为f z l ；i 为偶数时，送经量为f 吐) 花型总的横列数a = a 1 + a 2 + 4 3 + a i 起始横列数确定花型的起始位置，确定方法如下： 若a 1 + a 2 + a 3 + a i i b p m j j i 2 i ij _ 减速箱传动比的选择需要满足如下条件： ( 3 1 4 ) p 量经轴电机功率( 聃) ( 3 1 5 )i 传动比；q 传动效率；j i 经轴转子惯量( k g m 2 ) ( 3 1 6 ) n t 一经轴电机最高转速；f 一经轴最高转速。 江南大学硕士学位论文 3 3 2 1 伺服电机确定 伺服电机功率计算： t i l 两+ t f = - - - 1 8 9 1 0 1 - - 6 3 2 1 2 6 = - - 2 5 2 3 1 4 n m p m 4 ( 1 5 - - 2 0 1 t u , o u g l 0 2 0 t 1 = 2 0 x 2 5 2 3 1 4 3 1 4 ( 1 0 2 0 x 0 8 ) = 1 9 4 2 k w = 1 9 4 2 w 式中； p m 一电动机功率( 1 w ) ： t l p 一负载峰值转矩科m ) ； 负载最高角速度( t a d s ) , q 一传动效率； 根据计算结果，我们初步决定选用日本三菱公司h c - l f s l 5 k 2 ( b ) 型伺服 电机。该电机技术参数如下所示： 电源设备功率：2 2 k v a , 额定输出功率：1 5 w ；额定 毽 转矩：7 1 6 n m , 最大转矩：2 0 0 n m , 额定转速： 矗) 2 0 0 0 r m i n ；最大转速：2 0 0 0 r m i n ；允许瞬间速度： 2 3 0 0 r n f i n ；连续额定转矩时的功率变化率：2 3 3 k w s , 第三章伺服控制的经编电子送经系统始实现 空轴时：j i m = j , i 2 r l = l o 8 9 ( 9 0 2 0 8 ) = o 0 0 1 6 8 n m 满轴时； t s - - 2 ；r n m ( j m + l ) 6 0 t l = 2 ；r n m ( j m - 4 - j l m ) 6 0 t i = 2 x 3 1 4 1 0 1 5 ( 0 0 0 3 8 3 + 0 0 0 8 3 ) ( 6 0 1 ) = 1 2 8 9 n m 空轴时： t s = 27 r n m ( j m + j l ) 6 0 t 1 = 2 r n r , f ( j m + j l m ) 6 0 h = 2 x 3 1 4 x 2 7 0 0 ( o 0 0 3 8 3 + 0 ，0 0 1 6 8 ) ( 6 0 1 ) = 1 5 5 7 n m 必须转矩 当系统有减速装置时，需作负载转矩折算。折算到电机轴上的转动惯量为1 k 则满轴时：t i 。i - t 簟伽= ( 6 3 2 1 3 + 1 8 9 1 0 1 ) ( 9 0 x o 8 ) - 3 5 0 4 n - m 空轴时：n 。= t 2 i n = ( 2 9 4 8 5 + 1 8 9 1 0 1 ) ( 9 0 x o 8 ) - 3 0 3 6 n m 则满轴时：珩( 1 - l + 1 r s ) s ；( 3 5 0 4 + 1 2 8 9 ) 2 - - 9 5 8 6n m 空轴时：t n f t l + t s ) x s = ( 3 0 3 6 + 1 5 5 7 ) x 2 - - 9 1 8 6 n - m 其中，s 为安全系数；t l 负荷转矩，从上述计算参考力矩速度曲线图可以看出， 电机输出符合要求。 3 3 2 2 减速器选择 按照经验选择减速比为6 0 ，验算转矩： 由j 。 f =：竺：里 ：5 5 2 2 、而丽五砧心 j l 为负载转动惯量； j m 为电动机转子转动惯量； 由以上验算可知，减速箱的传动比选择6 0 符合要求，所选伺服电机也满足使用 要求。 3 4 系统硬件结构 经编电子送经系统采用上位工控机和下位单片微机作为系统硬件，每根经 轴被由单片微机作为核心控制单元的控制板控制。主要包括伺服驱动器，伺服 电机、经轴表面脉冲编码器和减速器等。 3 4 1 - - 菱伺服驱动器功能筒述o ” 三菱伺服驱动器具有全数字化的速度和位置控制功能，并提供位置、速度 和转矩的限制功能。可监控电机短路和温度过高、编码器信号错误、位置跟踪 江南大学硕士学位论文 误差及电流过大等故障。伺服电机编码器采用了分辨率为1 3 1 0 7 2 脉冲转的绝 对位置编码器，控制精度更高。在伺服放大器上加装电池，就能构成绝对位置 系统。当电源重新投入使用或发生报警时，不需再次原点复归即可工作。 这种伺服驱动器有r s 2 3 2 c 和r s 4 2 2 串行通讯功能，通过安装有伺服设置 软件和个人计算机可以进行参数设定、试运行、状态显示和增益调整等操作。 控制模式有位置控制，速度控制和转矩控制三种模式。还有位置速度控制、 速度转矩控制这些切换方式可供选择 通过现场总线进行位置控制功能：运动控制命令可通过c a n 、r s 2 3 2 c 或者r s 4 2 2 通 讯接口输入；运动速度的曲线可编程设定于驱动器内部；可通过c a n 总线接口实现多轴 之间协同运动 3 4 2 控钭板 尽管m r - j 2 s 1 5 k a 驱动器具有智能控制功能，但是对电子送经系统的控制 还是远远不够的，因此课题考虑采用自制伺服控制板对驱动器进行实时控制。 伺服控制板的结构如图所示： ，基期1 1 1 7 , z 图3 - 5 基于单片机的伺服控制板结构图 系统采用a t m e l 公司的a t 8 9 c 5 2 单片机作为伺服控制板的核心控制单 元，a t 8 9 c 5 2 是一个低电压，高性能c m o s8 位单片机，片内含8 kb y t e s 的可 反复擦写的只读程序存储器( e p r o m ) 和2 5 6b y t e s 的随机存取数据存储器 ( r a m ) ，器件采用a t m e l 公司的高密度、非易失性存储技术生产，兼容标准 m c s 5 1 指令系统，片内置通用8 位中央处理器和f l a s h 存储单元，功能强大的 第三章伺撮控制的经编电子送经系统地实现 a t 8 9 c 5 2 单片机可为您提供多种复杂系统控制应用场合。a t 8 9 c 5 2 有4 0 个引 脚，3 2 个外部双向输入，输出( i o ) 端1 2 1 ，同时内含2 个外中断1 ：3 ，3 个1 6 位 可编程定时计数器，2 个全双工串行通信口，2 个读写口线，a t 8 9 c 5 2 可以按 照常规方法进行编程，也可以在线编程。其将通用的微处理器和f l a s h 存储器 结合在一起，特别是可反复擦写的f l a s h 存储器可有效地降低开发成本。 图3 - 6 电子送经系统操作界面 3 4 4 电子送经控制界面 如图3 6 所示为伺服控制的经编电子送经系统的人机操作界面，通过该界 面可以实现经轴参数的设定，生产数据的记录，错误信息的显示等。 3 4 ，5 主轴和经轴编码嚣 主轴和经轴表面编码器按照三菱伺服驱动器的编码器接口要求，主轴编码 器电源供应：5 vd c ( m a x 0 2 a ) ，微分r r l 线性驱动，输入频率最大为2 m h z ， 信号最小0 1 t t s ，脉冲宽度最小o 1 2 5 p s 。采用5 0 0 个脉冲臻。 江南大学硕士学位论文 3 5 1 主从层次结构 经编电子送经系统的软件设计着重考虑的是实时性和控制精度的特点。本 系统采用基于单片机的f c s 现场总线结构。最上层的人机界面作为输入输出平 台，负责无实时要求的数据存储。其次为伺服控制板，单片机作为控制核心， 所有现场数据采集和实时控制均由伺服控制板完成。这种主从层次结构系统的 控制思想是：统一管理，分散控制。各经轴控制单元由主控单元统一管理，各 经轴分别由各经轴伺服控制单元分散控制。 下面主要说明伺服控制板的作用。控制板上的主程序主要完成如下功能： 接受来自上位机的工艺参数；计算经轴目标线位移量：计算经轴实际线位移量 与经轴实际线速度；计算经轴电机实际转速；计算经轴外周长；比较目标线位 移量与实际线位移量，并计算电子齿轮比；向驱动器发送电子齿轮比数值。伺 服控制板上的计数器主要完成如下工作：主轴脉冲计数器接受来自主轴的脉冲 信号，并把计数器的溢出中断作为系统的定时时钟。经轴电机编码器的可编程 脉冲计数器，通过对脉冲定时计数获得经轴电机的转速值。经轴表面测速编码 器的可编程计数器，通过对脉冲定时计数获得经轴实际线位移增量和实际线速 度。 最底层为伺服驱动器，伺服驱动器通过c a n 总线，接受来自伺服控制板的 电子齿轮比调整命令。同时伺服驱动器内部的c p u 根据接入的主轴脉冲信号， 按电子齿轮比对主轴进行位置跟随。 3 5 2 中膏i 驱动和程序驱动 本系统对电子齿轮比的刷新采用中断驱动控制，主轴每1 1 0 转，主轴脉冲 信号计数器溢出调用中断程序，控制命令刷新一次。经轴电机的转速反馈、经 轴表面线位移和线速度反馈子程序的执行采用程序驱动方式控制，可编程计数 器不断计算脉冲个数。来自主轴编码器的脉冲信号经过差分单端转换、滤波、 倍频等处理后送入可编程计数器，作为系统的定时时钟。经轴脉冲的输入也采 用中断方式控制，每一次中断发生，经轴中断处理程序执行如下命令：c p u 向 经轴控制单元发送主轴在一个周期内检测到的脉冲数目；接收经轴表面线位移 反馈脉冲并计算线速反馈值；比较并计算出经轴电机的电子齿轮比；通过c a n 总线向驱动器发送齿轮比控制命令。 第三章伺服控制的经编电子送经系统地实现 3 5 3 编码器测速计算方法 光电编码器测速计算方法目前主要有三种；即m 法测速，t 法测速和m 玎 法测速三种。本系统采用m 法测速，即在规定的检测时间t c ( s ) 内，对光栅 输出的脉冲个数m a 进行记数。转速为： 6 0m 2 ( 3 1 7 ) p t 式中p 为光栅转一周发出的脉冲数。实际上在一个记数周期内的脉冲个数 一般不是整数，而用微机中的定时记数器测得的脉冲个数只是整数部分，因而 存在着量化误差。故而m 法测速适合于测量高转速。因为在p 及t c 相同条件 下，高转速时m l 较大，量化误差较小m 3 6 结论与性能测试 3 6 1 结论 课题开发出的经编电子送经系统如图3 7 所示： 图3 7 电子送经系统实物图 ” 江南大学硕士学位论文 3 6 2 性能测试 系统的性能测试包括对送经误差和停车横条两个方面的测试。 3 6 2 1 送经 吴差 送经性能指标计算式： r = 型蒙擎0 0 1 ，= 一x _ 实际送经量 设定送经量为1 8 1 0 r a m r a c k ，测量实际送经量。在经轴盘头上纱线与盘头 交点处做一标记，以记录送纱长度。因为纱线在成圈区域出现伸长，并且与成 圈机件的相互配置有关，实际送经误差这一定量指标仅作为送经系统性能的参 考。开快车并记录主轴脉冲个数，以记录主轴转数。经编机主轴编码器的分辨 率为2 0 0 0 i n c r ，则可以按如下公式计算实际送经量，单位r a m r a c k 。 则： 实际送经量= 耋筹蓦蚤x 4 8 0f f i 瓣4 s 。 每转脉冲数 实际送经量= 丢茜蔷4 8 0 = 1 7 7 6 1 删 2 0 0 0 3 6 2 2 停车横条 r ；! ! ! 壁二! ! ! 盟1 0 0 ：1 8 9 1 8 l o 停车横条的宽度对坯布质量没有明显影响，我们关心的是这种横条在坯布表 面的明显性。有研究表明停车横条的明显性取决于机器的车速，以及其他因素1 。 在采用机械式送经的k s 4 经编机上编织经平绒时，即使在4 0 0 5 0 0 转分的转速下 运转，正常开车停车过程中均会出现非常明显的停车横条，横条宽度8 l o 横列。 采用本课题开发的电子送经装置，机器在低于1 3 0 0 转分时，一次停车、开车过 程中，停车横条难以看出。车速开到1 5 0 0 转分时，停车横条隐约可见，这表明 电子送经系统明显地改善了布面停车横条。 第三章伺服控制的经编电子送经系统地实现 3 。7 本章小结 本章主要介绍了伺服控制经编电子送经系统的实现过程，首先介绍了伺服 技术，接着分析了经编电子送经系统的伺服控制算法，随后通过数学计算确定 了电子送经系统的硬件，然后介绍了控制板与软件模块结构。最后分析了电子 送经系统的性能测试情况。 江南大学硕士学位论文 第四章送经反馈偏差对电子送经系统的影响研究 4 1 送经反馈原理 送经反馈装置是经编机上用来准确 反馈实际送经值的系统，它的准确与否， 直接影响着经编产品的质量。在实际的经 编生产过程中，操作人员往往认为送经反 馈值就是实际送经值。然而，在实验中， 我们发现当经编机使用一定的年限后，往 往产生送经反馈偏差现象。当出现送经反 馈偏差问题时，如何能够及时灼找出原因 图4 1 经编机送经反馈系统 并合理的解决它是每一个工程技术人员首先面对的问题。 图4 1 所示为高速经编机的送经反馈系统，感测罗拉通过加压弹簧紧压在经轴 上，当经轴转动送出经纱时，罗拉和经轴表面纱线以相同的线速度运动，此时， 罗拉表面线速度通过罗拉臂内的棘轮装置传递到罗拉头端的编码器，线速度信 号经编码器处理后传递到控制箱内的微机。 当前在经编机上广泛应用的电子送经反馈控制方式主要有两种：一种是不 采用测速罗拉，面是剩用反馈经轴退绕圈数，采用数学模型进行推导计算的方 式得出当前外周长，从而计算出当前经轴电机的转速给定值；另一种是采用测 速罗拉直接测量送经线速度，再转换成当前外周长，从而计算出当前经轴目标 转速，如图4 1 所示。我们把这两种方法分别称为间接计算法和直接测量法， 现对这两种送经反馈方法作出如下分析【i 埘。 4 1 。1 问接计算法 由一定的主轴速度下需要消耗的经纱长度与经轴速度相等可得如下推导： 鲇黔崤 托， 式中i 为周期编号，1 1 0 横列为一个周期；n 砌为第i 周期时经轴电机的转 速设定值；p 为经轴驱动电机与经轴间机械传动比；f z i 为第i 周期时系统设定 送经量；n m 为主轴转速；c i 为第i 周期时经轴绕纱外周长。 由式( 1 ) 可知，设定第i 周期送经量f z i 后，主轴转速n m 可以通过测量主 第四章送经反馈偏差对电子送经系统的影响研究 轴脉冲频率得到，只要知道当前外周长c i 就可以计算转速给定值n b m l 。间接计 算法假设纱线均匀缠绕在经轴上，则经轴当前纱绕外周长与经轴退绕圈数成线 性关系即有下式： ，1 q - - - c 猷鱼雩蜜乙 w ( 4 2 ) 式中c i i l 。为经轴满卷时纱绕外周长：c l l i i 。为空绕时外周长；w 为经轴满卷 时纱绕总圈数；z i 为经轴满卷至第i 周期的退绕总圈数，z o - - o 。 综合式4 1 和4 2 可见，利用新经轴上机时输入的c l 。、c m i n 、w 值和经轴 电机z 相脉冲累计值的v p 倍，即在每一周期内经轴的退绕总圈数，从而完成 经轴电机当前转速设定值的计算