（电力系统及其自动化专业论文）全自动恒张力控制系统的研制.pdf

浙江大学硕：t 学位论文 t e n s i o nc o n 呐l i saw i d eu s e dt e c h n o l o g yi n 也ea r e ao fs p i i m i n ga n dp a p e r m a k i n g i ti sc l o s e l yr e l a t c dw i 血t h ep m d u c t s p r o d u c t i o ne 衢c i 锄c y 锄dq u a l i t y e s p e c i a l l yi nt l l er e c e i l ty e a r s ，、i 血1 es 埘c td e m a i l dt l l ec u s t o m e r sh a v ed s e nt ot l l e p r o d u c t ，t e n s i o nc o n 仰lc a t c h e sm o r ea i l dm o r ca t t e n t i o n 肋me l e c t r i c a le n g i n e e r s t h em a j 硎母o fe a r l i e rp e r i o do ft c n s i o nc o l l 仃口1i sb a s e do nt 1 1 er c a l i z a t i o no f a n a l o gc o m p o n e m s g e n e r a l l y ，i th a sl o wa c c 啪c y ，b a ds 诅b i l i 饥a i l dn o tv e r yg o o d c o n n d lr e s l l l t t h ed e v e l o p m e n to fm o d e me l e c 砸cp o 、v c re l e c 廿_ 0 n i c st e c h i q u ea n d m ei n t e 留a t i o ne l e 咖o n i c st e c 埘q u e ，m 幽n g 丽g i n a lc o n t r o l l o 舀cr 印l a c e db y s i m p l i f i e dn u m 耐cc i r c u i t 姐dm i c mc o n 打o lc l l i p s na l s ot a ：k e st h et e n s i o nc o i l 仃_ 0 l s d e v e l o p m e n “n t o t 1 1 eo r b i to f m u l t i 缸l c 矗o n ，d i g i 埘，a n dh i 曲a c c l l r a c y t h i sa n i c l ed e s c r i b e sam l l l t i f 瑚c d o nt e n s i o nc o n 廿d ls y s t e mb a s e do nm c s 5l s i n g l ec h i pm i c m c o m p u 缸姐ds o i n er e l 砒e dd i 舀t a li m 删e dc i r c u i t s f i r s t l y ，i t i r l 仃o d u c e sm ew h o l es y s 胁sb a s i cp r i n c i p l c ，t h ew a yi nw i l i c hi tc a r r i e so u t ，m e p r e s e n td e v e l o p m e mi n 趾do u to fc h i n 如趾da l s ot l l en c c e s s i 哆a i l ds i g i l i f i c a n c eo f i n v e n ts u c h 趾i m p o n a mt e n s i o nc o r r b - o ls y s t e m s e c o n d l y ，t h ep d n c i p l ea n de l e c 打i c a l c h a r a c t 甜s t i co fm a 印e t i cp a n i c l ec l u t c hi sd i s c u s s e d t h e n ，m i sa r t i c l cg i v e sav i v i d d e s c r i p t i o no fh a r d w a r ea n ds o f t w 啪柚州a 蚰i n a c c o r d i n gt oi t st h r e ed i f f h e n t r e a l i z a t i o nw a y ：血l la u t om o d e ，h a l fa u t om o d e ，m a i l u a lm o d e f i m l l y ，i tg i v e ss o m e r e s e a r c ho nd i 西t a lp j dc o n 仃o l 谢t h m e t i c ，a i l dm o d e l i n ga n ds i m u l a t i n go fw h o l e s y s t e m a c c o r d i n gt om ee x p e r i m e n tr e s l l l t ，m ef e a s i b i l i t yo ft h i st e n s i o nc o n t r o l s y s t e mi st e s t i f i e d c o m p a r e dw i t l lt r a d i t i o n a l t e n s i o nc o n t r o l l e r ，t l l i ss y s t e mm a k e sm ud i g i t a l i m p m v e m e n t i ta l s ou s e sp w m m o d ec o n 仃0 lm e m o da i l dh i 曲a c c u r a c ya ds 锄p l e c h i p ，m a l ( i n gt h eh i 曲p e r f o n n a n c ei n d e xo fi t sm r e ec o n t r o lm o d e s i th a sm u c h e a s i e ro p e r a t i o ni m e r f a c e ，h i g h e rp r i c er a t i o ，p e r f e c tc 印a c i t yo fa 1 1 t a m m i n s oi t c a na c c o m p l i s hr a t l l e rb e n e rc o n t r 0 1r e s l l l t ，s a t i s f yt b er c q u e s to fd i f 诧r e mc u s t o m e r s k e y w o r d s ：t e n s i o nc o n t r o l ，m a g n e t i cp a n i c l ec l u t c h ，a n t 蛐m i n g ，d i g i t a lp i d 浙江大学硕士学位论文 第一章前言 张力控制，比较通俗的讲，就是要控制卷取物体时保持物体相互拉长或者绷 紧的力。早期的工业应用中，张力控制并未引起人们足够的重视。直到人们对卷 取材料的质量和表面质量提出越来越严格要求的时候，张力控制技术才逐渐被各 国电气工程师重视起来，特别是张力应用最广泛的纤维、造纸、塑料薄膜、电线、 印刷品、磁带等轻工业中，带材或线材的收放卷张力对产品的质量起着至关重要 的作用【1 2 】【4 5 4 8 】： 在纤维缠绕工艺中，缠绕张力不仅关联到树脂含量的控制，更重要的是缠绕 张力的大小、各束纤维间张力的均匀性及各缠绕层间纤维张力的量级变化对制品 强度影响极大。大量研究证明，张力选择不当或张力控制不稳定，可使纤维缠绕 制品的强度损失2 0 3 0 咧。 在生产涤纶薄膜电容的过程中，要求被控制的张力小，稳定度高，而且卷绕 时速度变化大，经常呈现间隙运行状态。所以，需要对张力的变化情况进行在线 检测和实时控制，以实现对张力的有效控制，满足实际生产的要求。在此类电容 的生产过程中，应用张力控制系统能够起到保持张力动态平衡，保持电容器参数 一致，减少人为因数影响，提高产品质量；可以减少设备启动、制动时间，提高 卷绕速度，减少卷绕过程中的中断带次数，提高生产率；能够适应于自动化大批 量生产和微量化生产。 在许多包装机械设备上，如分切机、印刷机、复合机等在卷材的生产加工过 程中，即在收卷和放卷的过程中，卷简直径是变化的，直径的变化会引起卷材张 力的变化，张力太小，卷材容易松弛产生向漂移；张力太大，则又会导致卷材表 面起皱甚至断裂。因而在收卷和放卷的过程中，为保证生产的质量及效率，保持 恒定的张力是很重要的【4 。 1 1 张力控制系统的概念以及基本原理【6 8 】 在纺织、造纸等轻工业行业中，在加工过程中或者是加工完成之后，最后的 道工序一般就是将加工物卷绕成筒状。在这一过程中，卷绕的好坏将是决定产 浙江大学硕士学位论文 品质量的关键，卷的太紧，容易使织物变形，拉断，卷的太松又容易使卷取不紧 凑，不利于搬运和运输，因而为了达到使卷绕紧凑，保证产品的质量，都要求在 卷绕过程中，在织物上建立一定的张力，并保持张力为一恒定值，能够实现这一 功能的系统，就叫做张力控制系统。目前应用的张力控制系统，根据其测量控制 的原理结构，主要有以下三种： 1 间接法张力控制系统 2 直接法张力控制系统。 3 兼有间接法和直接法的复合张力控制系统。 1 1 1 间接法张力控制原理 间接法张力控制，比较通俗的讲，是一个开环扰动的控制系统，即按照现场 张力与实际设定值之间的偏差来迸行调节，通过间接地改变张力执行部件的激励 电流、磁场等电气参数来动态补偿现场的干扰量。图1 1 是一个典型的卷取传动 的示意图： 减速齿轮 v 厂、n r ( m 卜1 卜叫| d ) l uw 图1 1 卷取传动的示意图 电动机通过减速机构输出控制收卷轴的卷取速度：卷取速度快，相应地张力就大， 卷取速度慢，张力显示就小。假设现场应用的是直流电动机，由电机学原理，我 们知道，直流电动机的输出转矩为：m = c 0 科d ( 卜1 ) 电机转动过程中，考虑到电机的空载转矩，加速减速时候的动态转矩等，我们又 可以列出如下的式子： m = m f 七m q + md n 一曲 其中，尬为张力转矩； a 矗为电动机的空载转矩； 浙江大学硕士学位论文 吖。为电机加速减速时的动态转矩； 当电机旋转稳定时，力矩达到动态的平衡，此时，坞为一很小数值，近似接近 于零，m 电机的空载转矩一般也较小，所以可以忽略。 因而，由式( 卜1 ) ，( 卜2 ) 我们可以得出： m ，= c 0 ( 卜3 ) 由于m 。在卷取的过程中，是一个与卷绕速度和卷径相关的量。因而只要借 助于一定的检测设备，检测出现场的扭转角速度或者是卷径，在保证电机激励磁 通不变的情况下，动态修正激励电流即可以实现在卷径和速度变化情况下现场张 力的恒定。 由上述的分析，可以知道，控制精度的好坏取决于很多的因数。间接法张力 控制作出激励电流的补偿精度主要取决于现场卷径值和角速度值的测量精度，任 何对于系统的扰动也只有通过激励电流的调节环节进行补偿。但是，对于电机空 载损耗和动态转矩引起的扰动，却没有办法进行补偿，因而，限制了间接张力控 制在精度要求高，容量较大场合的应用。 1 1 2 直接法张力控镧原理 间接法张力控制系统，是通过针对现场的各种干扰因数，改变电动机的电气 参数来达到张力恒定的目的的。然而实际运行环境中，张力控制的现场是十分恶 劣的，各种干扰因数对系统的影响比较严重，因而就造成了间接法张力控制不能 对这些干扰要素动态的做出补偿，调整输出力矩，从而使控制精度不高，系统构 建也显得复杂，昂贵。相比之下，采用直接法进行控制，能够取得 e 较好的控制 效果。应用到张力控制中，就是通过张力检测元件，将现场织物的张力转化与之 相应的电信号，并作为反馈信号接入到输入端，与设定的张力信号进行比较，运 算，调节张力执行部件，从而构成张力闭环的控制系统，这样能够对现场总的干 扰因数做出电气上的补偿，因而这类张力控制系统能够运行稳定，控制精度高， 能显著提高织物产品的质量，在现实的工业生产中，此类控制系统得到了广泛的 应用。下图是直接法张力控制系统的典型框架，该系统利用张力传感器直接测量 浙江大学硕士学位论文 现场织物的承受张力，输入到控制器中，进行p i d 运算，直接输出控制信号，控 制磁粉制动器，调节转动力矩，从而实现张力的恒值控制。 导痂 图1 2 直接张力控制系统典型应用 系统总体的原理框图如下： 图1 3 直接张力控制系统的原理框图 1 2 传感器在压力检测中的应用 鼍 压力的精确检测是实现恒张力自动控制的关键，对于压力这种非电量测量的 基本思路就是将现场由压力引起的电气或者是物理参数的变化转变为与之对应 的电信号的输出，从而实现对现场压力值的测量。目前在纺织行业应用中，主要 有以下几种类型的压力传感器。 1 2 1 参数型压力传感器【9 叫】 参数型压力传感器主要包括电阻式压力传感器，电容式压力传感器，电感式 压力传感器等。 电阻式压力传感器是根据导体的压阻效应原理制成的。任何物体当它表面受 到一定的压力时，便会发生弹性形变，由弹性形变就会导致相应的电阻值发生变 化。具有良好压阻效应性能的材料在一定范围之内的电量值输出和现场感受的压 力是成f 比例的，因而根据测量的信号值就能准确的计算出现场的压力值。当然， 4 浙江人学硕士学位论文 在实际应用中，存在着温度以及应用工艺上的一些影响，输出信号与物体感受现 场压力值之间不可能做到很好的线性对应关系，因而在使用中，我们必须对温度， 其他干扰等引起的非线性干扰进行必要的补偿。物体的压阻效应的一个典型参数 就是应变系数。一般情况下，金属导体的应变系数比半导体应变系数要低很多， 因而金属导体做成的应变片输出信号很微弱，需要外加放大电路才可以输出，而 半导体应变片由于应变系数很大，故可以直接输出。 电容式压力传感器的测量原理与压阻式类似。我们知道，平行板电容器的电 容量c 是可以由下面式子得到： c ：苎-( 1 4 ) 4 丌磁 其中，s 为平行板电容器的正对面积； d 为两板之间的距离； 占为介电常数； 如果被测量的物理量引起了电容器介电常数或者是结构的变化，那么相应地 电容值也就发生变化。报据以上的式子，可以知道，如果保持覆盖面积和距离不 变，而单单根据介电常数变化来改变电容器值，就可以制作成介电常数可变型压 力传感器，同理，也可以制作成距离可变和正对面积可变的电容式压力传感器。 电感式压力传感器的压力检测原理类似与前两种，将被测物理量转化为相应 电感值的变化，从而建立起压力和电感量的对应关系。 1 2 2 压电式传感器 压电式压力传感器是基于压电效应原理制作成的。自然界中的某些电介质， 当沿着某一方向承受一定的作用力的时候，不仅仅在几何尺寸上发生变化，而且 还会引起电介质内部的电荷分布情况发生变化：施加一定的作用力，会在其两个 表面上出现极性相反的电荷，若所受压力反向，则电荷的极性也会产生反向变化。 而当外力撤销的情况下，又回到不带电状态。 在实际中，应用最多的压电效应介质有石英晶体和压电陶瓷等。具有压电效 应的材料当受到压力时，它的两端输出极化电压与施加的压力存在一定的线性对 应关系。通常有用电压灵敏度和电荷灵敏度来表示。电压灵敏度就是单位力的输 出电压，电荷灵敏度指的就是单位力的输出电荷。压电式传感器的输出电压信号 浙江大学硕士学位论文 十分微弱，需要进行放大处理才能接外加负载。 1 2 3 光电式压力传惑器【2 1 4 1 光电式传感器的基本原理是基于特定的一些物质在光能作用下的光电效应 原理制作而成。光电效应产生的光能通过光电器件就把光能转化为相应的电量输 出，因而能够被我们作为测量使用。 物质光电效应产生的光能转化为电能的形式一种是通过光能改变光电器件的 某些特性参数来实现；另外一种就是通过光敏器件直接输出电压信号。前者应用 最多的如光敏电阻，它的电阻特性与照射它的光就存在一定的对应关系。后者例 如我们应用最多的光电耦合器件，通过发光之后使二极管的导通的特性来传递开 关量，此外，由于该特性能够较好的进行干扰隔离，因而在控制系统中光电耦合 器件应用十分广泛。 应用光电效应做成的压力传感器，近些年来取得了长足的发展。光纤裂压力传 感器是我们比较熟悉的一种压力传感器，由于光纤压力传感器具有防燃防暴，抗 电磁干扰等优点，因而成为现代传感器的发展方向之一。一般地，光纤传感器调 制的形式有光强调制、光相位调制、光偏振调制和光频率调制四种。 光强调制是根据施加于压力膜上的压力大小与接受到的光强度大小成对应 比例关系的方式来获取压力。 光相位调制是根据单膜光纤在压力场中，压力变化会引起输入光相位变化， 在压力检测过程中，需要提供一定的参考光束，对压力敏感的光纤中的光信号与 压力场外光纤中的光信号进行相位的比较，产生一个相位差，根据相位差的大小 来检测现场的压力。 光偏振调制的基本原理是当外力作用于弹光晶体上时，弹光晶体的光学性质 会发生变化，呈现出应力双折射，通过晶体的线偏振光的偏振态就发生改变，其 改变量与所加的外力成线性关系，通过检测这一物理量就可以获得现场压力值的 变化。 此外，应用于压力检测的传感器还有热电式、磁电式和数字式等。未来的传 感器技术，将随着科技的进一步发展，向着更加小型化，智能化，系列化、标准 化的方向发展。 浙江大学硕上学位论文 1 2 4 张力控制系统中张力的检测 在目前的张力检测中，广泛应用的是一种三辊式的张力测量结构。其中一个 叫做测量辊，另外两个叫做辅助辊。被测量的织物绕于三个辊上，如图1 4 所示。 1 图1 4 三辊张力测量结构图 图中，g 为测量辊自重，t 为缠绕于测量辊上的织物张力，f 为施加于张力 测量期间上的总的合力。由图，我们可以得到 f = g + 2 r c o s 口 ( 1 5 ) 其中测量辊的自重g 我们可以通过调节压力传感器的调零功能加以消除，因而当 e = 6 0 度的时候f = r 。图中，将张力转化为压力，因而我们可以想到，只要能 够测量压力的传感器，一般都可以用来测量张力。 在本项目应用中，我们采用 深圳华兰海电子公司生产的c z l 6 1 8 d 压阻式压力传感器。其主要的技术参数如 下： 额定负荷：5 0 k g 灵敏度：1 o 0 1 m v v 非线性：o 0 5 0 f s 零点输出：o 3 f s 输出阻抗：1 0 0 0 1 0 q 输入阻抗：1 0 0 0 l o q 推荐激励电压：9 1 2 v 允许激励电压：5 1 8 v 安全过载范围：1 2 0 f s 极限过载范围：1 5 0 f s 温度补偿范围：一1 0 0 c + 4 0 0 c 允许使用范围：- 2 0 一+ 5 5 。c 浙江大学硕十学位论文 1 2 5 压阻式压力传感器典型应用电路俐7 】 压阻式压力传感器可以采用恒压和恒流两种供电方式，图l _ 5 为一般压阻式压力 传感器的测量原理图，一般通俗的称为惠斯通电桥。 图1 5 惠斯通电桥原理图 图中，e 为电桥的供电电压，电桥桥臂上的电阻在没有受到压力的情况下都 相等，因而电桥输出桥臂的电位相等，电压信号输出为0 v 。当受到压力时，其 中的两个电阻值增加，而另外的两个电阻值减小，减小值和增加值都为r 。由 于惠斯通电桥可以采用恒压和恒流两种不同的供电方式，因而我们可以得到： 恒压时y = e i 告，输出电压v 与温度有关且为非线性，所以当恒压源供 电的时候，不能消除温度的影响。 恒流时矿= r ，输出电压信号v 与温度无关，消除了温度对传感器的影响。 然而，一般的应用中，考虑到产品的生产成本的问题，在张力控制精度要求 不高的场合，一般都是使用恒电压供电。 1 3 张力控制的实现方式 从控制方式上分类，张力控制一般可以分为手动、半自动、全自动三类，它 们的共同之处，都是控制连接在卷筒上的制动器( 或者是离合器) 转距而得到合 适的张力。从张力控制方式来看，手动和半自动都是属于开环控制。特别是手动 式，靠人手动给定调节信号，以适应卷径的变化。而半自动可自动检测，但不是 闭环控制，所以控制精度不高，全自动是闭环控制，一般精度较高，有各种张力 检测装置和回路系统，能应用于相对高级的机械上。 8 浙江大学硕士学位论义 1 3 1 手动控制方式 机械卷进卷出一次就要进行几次的调节才能得到满意的张力。很多方面是利 用磁粉离合器的特性，由可变电阻器，调压器等可变电压调整器进行控制的，在 卷径比较小的卷迸卷出时，仅需要设定初始张力，多数是实现定转矩控制。 在本课题中，我们通过a d 采样模块a d 0 8 0 4 来采样读取手动设定的张力值。 通过手动调节电位器，就可以读入相应的一个电压值。读入5 v 时相应输出磁粉 制动器的最大电流，相应地力矩达到最大，为o v 时则输出电流为o a ，力矩降为0 。 因而在0 5 v 的电压区间上实现对磁粉制动器输出力矩的线性化。 1 3 2 卷径控制方式 卷径控制方式也称为半自动控制方式，卷径控制方式的突出特点就是省去了 价格相对昂贵的张力传感器，安装简单，而且能很方便的获得锥度张力控制。特 别适用于印刷、包装、印染等行业的分切及收卷机器设备，图1 6 为收放卷的原 理图。 图1 6 收卷和放卷的原理图 图中，r o 为放卷轴半径，r ，放卷材料半径，r 1 为收卷驱动轴半径，v 为卷材 运行的线速度。当卷料轴转速恒定时，张力产生的转矩f 丰r ，与磁粉制动器产生 的制动力矩相等。因此如维持f 恒定不变，则只需检测放卷轴与驱动主轴的转动 角速度，计算出足，通过控制磁粉制动器的制动电流，便可以实现放卷轴的恒 张力控制。其中，脉冲信号是通过安装于旋转轴上的接近开关或者是旋转编码器 获得，单片机通过计数这一脉冲信号的频率就可以准确的计算出需要检测轴的角 速度，出于两滚动轴上线速度的相等，因此可以求得： 9 浙江大学硕士学位论文 r ：竺盥 ，；旦墨 k 其中，m 为收卷驱动轴的角速度； 吼为放卷轴的角速度； k 为磁粉制动器的特性系数。 1 3 3 全自动控制方式 ( 1 6 ) ( 卜7 ) 全自动张力控制是采用张力传感器直接测定卷料的张力，根据实测张力与设 定目标张力的差值按照特定的算法运算之后自动改变磁粉离合器或者磁粉制动 器的激励电流，从而获得所需要的张力。 从查阅的资料来看，在全自动张力控制中，应用最多的算法主要有传统的p i d 无超调优化算法；模糊p i d 控制算法；基于遗传算法的p i d 控制参数优化等； 传统的p i d 控制算法简单，具有可以改善系统的动态特性和稳态特性的优 点，只要正确的设定其参数便可以实现其控制作用，因而被广泛的应用于张力控 制系统中。 结合模糊控制的模糊p i d 算法，在进行板带卷取张力控制时，由张力辊检测 出的板带张力往往很难达到精确，同时由于卷取过程中卷径的变化以及其他的一 些不可检测的因素的影响，相应的带来了系统参数的变化，传统p i d 控制器很难 保持张力的恒定。张力控制不稳定时，板带容易出现跑偏，从而导致卷取不整齐， 更严重时导致松套、断带等现象。因而可以考虑采用模糊p i d 控制方式。模糊控 制可以将人的经验、智慧总结提炼成模糊规则，模仿人的控制经验进行直接推理， 因此提出一种利用模糊逻辑推理对p i d 控制器的参数进行在线自调整的方法，把 模糊逻辑推理和p i d 控制结合成模糊自适应p i d 控制，使其具有自动辨识被控过程 参数，自动整定控制器参数的能力，能够适应被控制过程中对象的变化。 基于遗传算法的p i d 控制的参数优化，相比于传统的p i d 算法，不要求优化对 象的数学模型连续，而具有更宽的适用范围。并且遗传算法还具有较好的鲁棒性 和稳定性。 0 浙江人学硕士学位论文 1 4 恒张力控制系统的国内外发展现状 早期的张力控制系统，一般都是以模拟器件为主，系统复杂，调试困难，可 设置选项少系统的控制精度不高。随着电力电子技术，计算机实时控制技术，检 测技术的发展，全自动张力控制系统逐渐由模拟控制转向数字化控制，并从单纯 的单机单路控制转向一机多路控制，全面采用单板机、可编程序控制器( p l c ) 控制，目前以大规模集成电路，彩色液晶显示，多层菜单操作为主。 根据控制系统输出的控制对象分，目前市场上主要有以下两种张力控制系 统：一种是以磁粉制动器( 离合器) 为主要执行部件的张力控制设备，由于磁粉 制动器的输出转距与通过其电感线圈的电流具有优良的线性关系，因而只要通过 相应的压力检测器件检测现场的压力值，对应此输出相应的通过磁粉制动器的激 励电流就能实现动态控制，保持现场张力的恒定。这类张力控制系统主要用于低 张力控制的造纸，纺织等行业中；另外一种就是以变频电机为执行部件的张力控 制系统，其主要特点就是通过控制变频器的激励电流或者激励电压来实现电机转 速的控制，从而实现现场压力的恒定，该类系统只要应用于对速度和张力都有较 高要求的大规模工业系统中，如钢铁行业，电缆制造业等。 近年来，张力控制系统结合了最新的电力电子技术，检测技术，数字控制技 术于一身，向着多功能，一体化，产品系列化的方向发展。相对来说，国外张力 控制系统设备不仅对于卷取过程中张力有严格精确的控制，而且对于初始建立张 力、抛尾过程张力都有较好的控制，并且有友好的人机界面，完善的功能，如缓 冲启动，防松卷功能、手动自动控制、模式选取、控制参数的保存和调用、自 诊断模式、多种通讯接口等，但是价格却相对昂贵。国内的张力控制系统基本停 留在手动随机、随时控制的水平上，有部分采用模拟检测、模拟放大控制输出的 产品，可控性和人机界面差，控制精度不高，迫切需要更新换代。 1 5 本课题研究的必要性、重要性以及意义 我国的纺织工业规模宏大，以被誉为“中国轻纺城”的绍兴为例，到2 0 0 3 年底，绍兴全市有纺织单位5 6 6 万家，从业人员5 9 2 万人，其中纺织企业3 2 0 0 余家，从业人员3 8 2 万人；个体纺织单位5 3 4 万家，从业人员2 l 万人。按统 浙江大学硕士学位论文 计部门统计，全市国有及年销售5 0 0 万元以上的纺织工业企业( 以下简称“纺织 规模企业”) 共有1 0 9 9 家，占全市国有及年销售5 0 0 万元以上的工业企业总数的 4 4 9 。纺织规模企业2 0 0 3 年完成工业总产值9 1 9 2 亿元，比上年增长2 1 3 ： 完成销售收入9 0 6 亿元，比上年增长2 3 3 ；实现利润4 4 5 亿元，比上年增长 1 7 4 ；出口交货值3 1 3 2 亿元，比上年增长3 9 9 。产、销、利、出口交货值 实绩分别占全市规模以上工业企业总量的4 8 5 、4 9 o 、3 8 1 和6 2 6 。 如此庞大的产业群体，对纺织设备的需求无疑是巨大的，据不完全统计，绍 兴现有的织造前道设备在1 0 0 0 套以上，这些老的织造前道设备( 整经机、并轴 机等) 均生产于上世纪九十年代，其机械性能尚且良好，但张力控制系统较落后。 由于没有张力控制系统或虽有但采用手动调节等落后的方式，控制精度不高，无 法实现并丝的恒张力控制，造成并丝张力不均匀，布面起皱，不平整，印染后有 色差等影响产品质量的问题。 目前，只有德国、日本、韩国产的并轴机上配有全自动张力控制系统，全套 流水线价格在人民币3 0 卜5 0 0 万元之间，而张力控制系统部分约在1 5 2 0 万元 之间，而本项目开发的全自动张力控制系统性如能达到上述进口设备的指标要 求，则预计售价只有进口的三分之一，即五万元左右。此外，绍兴现有的织造前 道设备预计有1 0 0 0 余台，这些产品均为上世纪九十年代生产，机械部分性能已 完全能和进口的相媲美，只要对张力控制系统加以改造，就能达到提高设备性能， 提升产品质量的目的。如果保守估计，3 0 进行张力控制系统改造，则预计产值 将达到1 5 0 0 万元( 1 0 0 0 3 0 5 万元) ，另外，如每年新增2 0 0 台的市场销售 量，则年产值可达1 0 0 0 万元( 2 0 0 x 5 万元) ，合计年新增产值2 5 0 0 万元，利 税可达7 5 0 万元。为适应项目产品的生产，可年新增就业岗位近1 0 0 人，由于本 项目产品对生产人员的素质要求较高，基本学历需在中专以上，这也为大中专毕 业生提供了就业机会。 总之，本项目的开发和项目产品的生产，社会效益明显。从上面分析可以看 出，仅在绍兴织造前道应用项目产品，年产值可达2 5 0 0 万元以上，如果扩大应 用范围和应用地区，项目产品应用于本地或者全国其他地区的并轴机以外的印 刷、包装、橡胶制带等行业，市场容量更大，具有明显的社会效益。 浙江大学硕上学位论文 第二章张力控制的执行部件磁粉制动器 制动器是具有使运动部件( 机械部件) 减速、停止或保持停止状态功能的装 置，集工作装置和安全装置于一体，是保证机器安全正常工作的重要部件。 制动器按照驱动部件分类可以分为机械制动器、气压制动器、液压制动器、 电动制动器和气动制动器；按照功能分类可以分为离合制动器、防暴制动器、防 风制动器；按照工作状态可以分为常开式和常闭式制动器：按照制动部件可以分 为外抱块式制动器、内抱蹄式制动器、带式制动器、盘式制动器、涡流制动器和 磁粉制动器等。在张力控制系统中，磁粉制动器由于其体积小，重量轻，激磁功 率小且具有良好的控制特性，因而得到了广泛的应用。下面就具体的我们项目应 用的磁粉制动器作一个全面的介绍。 2 1 磁粉制动器的基本结构和工作原型1 8 - 2 1 】 磁粉制动器的结构框图如图2 1 所示。磁粉制动器主要由主动转子、从动转 子、固定支撑三部分组成。在主动转子和从动转子之间有工作间隙，其中填充着 一定数量的软磁性磁粉。磁粉制动器设有励磁线圈，软磁材料和气隙周围线圈组 成磁路。在制动器线圈不通电的情况下( 无激磁状态) ，当圆柱体旋转时，由于 离心力的作用，磁粉被压在圆柱体的内壁，磁粉与转子之间产生间隙，离合器几 乎不产生空转转矩，因而也几乎不产生热量。当线圈通电的时候，线圈中就产生 了电流，随后在磁路中就建立了磁场。主动件和从动件之间的磁粉就连接成链状， 这时由于存在磁粉间的连接力及主动件、从动件和磁粉之间的摩擦等，就可以传 递转距。主动件旋转的时候，磁粉链倾斜成一个角度，电磁吸力分成法向力和切 向力两个分力，各磁路链切向力之和形成了总切向力，该切向力作用于从动转子 的半径上就产生了传递的转矩。激励电流越大，则工作间隙中的磁感应强度增大， 电磁吸力加大，传递的转矩变大：反之，激励电流减小，则传递的转矩变小。调 节激磁电流的大小，则能调节传递转距的大小。当激励电流断开时，则磁粉迅速 恢复为无激磁状态，解脱对制动器的控制。 浙江大学硕士学位论文 图2 1 磁粉制动器的结构框图 在磁粉制动器中，决定其特性好坏的一个很关键的要素就是磁粉性能的好 坏。磁粉的导磁率越高并且剩磁越少，磁粉制动器的控制特性越好。磁粉导磁率 越高，则通电时候磁通建立的越迅速，主动旋转部件和从动旋转部件之间的力矩 传递也更加完全。剩磁越少，则相应的断电瞬间力矩释放越快，更能实现快速的 控制效果。此外，由于磁粉制动器的主动部分是做高速运转的，必将产生很大的 热量，因而要求磁粉要有较好的耐热性和耐磨性能。 2 2 磁粉制动器的典型分类 磁粉制动器的结构大致可以按照供电方式、气隙形式和励磁线圈的位置来进 行分类。 其中按照供电方式来分类是基本的分类方法，可以分成线圈回转型和线圈静 止型两类。线圈回转型是用电刷、集电环方式来供电的。这种结构不适寅使用于 周围有油或者水的工作环境中。由于主动部分转动惯量大，起惯性飞轮作用，而 从动部分转动惯量很小，快速性能好。它的主动、支撑、从动三部分同轴套装， 结构紧凑。磁路部分因为没有工作间隙，所以体积小，重量轻，用料省，装卸磁 粉方便。其工作间隙部分和线圈都接近壳体表面，而壳体一直旋转，所以对散热 有利。此类磁粉制动器一般应用于航空工业中。线圈静止型磁粉制动器一般广泛 应用于工业中，它通过接线柱直接通电，供电可靠。线圈在外部固定，容易实现 强迫通风，水冷，油冷。它的转动惯量一般比较大，转动性能差，工作间隙在其 内部，所以散热性能不好。线圈静止型的优点就是供电方式简单，虽然其他方面 还存在一些缺点，但考虑周围环境条件因数，目前绝大多数还是采用线圈静止型 结构。 浙江大学硕士学位论文 按照粉末气隙形式分，可以分为单隙式和复隙式两种。单隙式结构简单，目 前的产品几乎全部都是这一种，这种方式也有上述线圈回转型和线圈静止型两 种。复隙式离合器是有双层粉末气隙的结构，相当于多片型摩擦离合器。复隙式 的特点就是能以较小的外形尺寸获得较大的传递力矩，并且可以使输出轴的惯性 力矩设计得小一些，提高制动器的反应快速性。 按照励磁线圈的位茕分类，磁粉制动器又可以分为外置线圈型、内置线圈型 和侧置线圈型三种。 2 3 磁粉制动器的电气工作特性【2 2 2 4 】 为了迸一步的掌握和了解磁粉制动器的特性，很有必要就磁粉制动器的电气 工作特性展开一定的讨论。 2 3 1 转矩和激励电流的关系 磁粉制动器转矩和激励电流的关系一般都称作为静特性。它是磁粉制动器主 动端转速n 恒定，从动端制动时，磁粉制动器的激励电流和输出转矩之间的关系。 当磁粉制动器激励线圈没有通电流的时候，由于主动旋转部件和静止部件之间不 存在磁的耦合，故只有一个初始的空载转矩t n 。当磁粉线圈通以激励电流，这 就在主动部件和静止部件之间很快的形成一种磁的耦合，因而产生转矩。其转矩 电流特性鳆线如图2 2 所示。 图2 2 磁粉制动器的电流转矩曲线 从图中，我们可以看到，磁粉制动器的转矩曲线可以分为三个部分：非线性 1 5 浙江大学硕l 学位论文 段，线性段和饱和段。非线性段就是自口述的当磁粉制动器励磁线圈未通电时候， 存在一个初始的空载转矩l ，这是由于轴承，密封摩擦以及剩磁等综合作用的 结果。线性段是最好的工作区，由于此区间的转矩和激励电流近似的成线性关系， 利用此特性就可以控制电流来控制转矩，其调节范围较宽，因而很容易应用于工 个 业控制当中，由图中，我们可以看到线性区间的斜率七= 等。饱和段的出现是 由于当激励电流施加过大的时候，激励电流i i 。时，可以看到磁粉制动器力矩的 输出不再随励磁电流的增大而线性增加，这是由于磁性材料的饱和而形成的饱和 段；当激励电流下降的时候，转矩则沿着略高于初始上升曲线的另一条曲线下降， 这是由于导磁材料有剩磁和磁滞特性引起的缘故。 图2 3 所示为磁粉制动器的机械特性曲线 图2 3 磁粉制动器的机械特性曲线 这是在磁粉制动器的主动端转速n 。和激励电流i 为常数时，制动器从动端转 速和传递的扭矩t 之间的关系。当负载转矩r 瓦的时候，n ：= n 。，主动件与 从动件同步运行；当乃 丁 瓦时，n 。随t 的增加而下降，即慢 啊，这时呈滑 差运行；当丁瓦时，n 。= 0 ，呈制动状态。 2 3 3 滑差工作特性 如图2 4 所示，当激励电流i 为某一常数的时候，在一定范围之内，制动器 的转矩基本上与滑差的转速”= 一 ：无关。这就是制动器的恒转矩特性。磁粉 制动器在滑差运行中，扭矩主要是靠磁粉之间的摩擦力所产生的剪切力来传递 1 6 浙江大学硕上学位论文 的。 滑差工作状态是应用最多的一种特性，由滑差我们也可以设想到磁粉制动器 另外两种工作形式，即“同步”工作状态和“全滑差”工作状态。 图2 4 磁粉制动器的力矩一滑差特性 所谓的“同步”就是指当磁粉制动器的激励电流到达足够大数值的时候，其 主动件和从动件通过强大的磁链紧密结合在一起，从而转动的时候就能够实现主 动件和从动件的同步。 当激励电流过于弱小时，磁粉制动器传递的扭矩小于负载转矩，此时即使主 动件高速转动，从动件转速为零，实现“全滑差”运行。 2 3 4 动特性 磁粉制动器的动特性主要是指励磁线圈加阶跃电压之后的激励电流，磁通以 及转矩等的过渡过程。激励电流的过渡过程是由于激磁回路中存在着线圈电阻， 电源的内阻以及线圈本身的电感量。当磁粉线圈加一阶跃的电压之后，由于本身 电感的存在，激励电流不可能一下予发生突变，所以有一个逐渐增大的过程。一 般的，电流增大的越快，制动器的快速性就越好。快速上升时间t 由磁粉线圈电 感量和串联电阻共同决定。并满足关系式：f = ；磁通的过渡过程是指当激磁 ，l 线圈加以电流之后，在磁粉线圈的周围也随之建立起磁场，磁通通过工作间隙产 生电磁吸引力来传递力矩。在磁粉制动器中的磁路中建立磁场的过程就是从电能 转化为磁能的过程。磁路中的磁通不能突变，并且如果磁路基本上是线性的，不 饱和的，可以想象，磁路的过渡过程是和激励电流的过渡过程极为的相似，是伴 随着电流的增大而慢慢增长；转矩的过渡过程虽然在磁通建立初始，由于漏磁以 及静特性的非灵敏区的影响，有一段时间增长缓慢，但是其后就随着电流、磁通 的增长近似于指数规律增长。此外，动特性还包括从磁粉填充的过渡过程，动转 矩的过渡过程，温升的过渡过程等。 浙江大学硕士学位论文 2 4 优点及其应用 1 ) 制动力矩控制的范围宽，线性度好，控制精度高，能较好的控制传递转矩； 2 ) 在某一恒定的激励电流下，具有良好的恒转矩特性，与主动旋转部件和从动 部件的转速无关； 3 ) 体积小，重量轻，消耗电能小，断开激励电流时的剩余力矩小，运行启动平 稳快速，无控制和运行噪音，可靠性高。 磁粉制动器由于具有了以上的优良的力矩控制特性，因而在许多的工业场合 得到应用。 磁粉制动器作为张力控制系统的执行部件。在纺织，印刷，造纸等行业中， 都需要在完成一定工序的过程中保持材料表面张力的恒定，并且要求启动平缓， 无冲击。磁粉制动器具有良好的恒转矩特性，并且磁粉制动器输出转矩与磁粉线 圈激励电流优良的线性关系，只要线性调节激励电流，便能实现对现场张力的动 态控制，并且磁粉制动器在转速很低的情况下性能也十分稳定。 磁粉制动器可作为电机启动时显著改善启动性能的速度控制部件。由于电动 机在启动惯性较大的负载的时候，需要很大的启动转矩和启动电流，并且启动时 间也比较长，一方面造成对电网的不利影响，另一方面由于启动电流过大，电机 有被烧坏的危险，因而为了缩短启动时问和延长电机的使用寿命，经常使用大容 量的电机，这不仅仅增大了设备成本，也使电机的功率因数低下，造成电能的浪 费。在实际应用中，在负载与电机之间增加一磁粉制动器。由于磁粉制动器具有 良好的允许滑差功率，启动完成之后可实现主、从动部件的同步运行，无功率损 失，而且可以通过改变激励电流来调整输出转矩，从而调节启动时间。这一方法 一方面可以减少电机启动电流，减小电机容量，节约成本，另一方面也可以减少 启动瞬间对电网的影响，减小了启动过程中的冲击，延长了电机的使用寿命。 磁粉制动器也可以作为过载保护的安全器件使用。当磁粉制动器激励电流一 定的情况下，输出力矩与负载之间达到一定的平衡，它不向负载方面传递过高的 输出力矩，也不向电机方面传递异常的负载。当负载转矩小于制动器输出转矩时， 实现同步运行，当负载转矩大于制动器转矩时，磁粉制动器的转速呈现滑差特性， 自然的吸收过载功率，实现保护现场机械的功能。 此外，磁粉制动器在速度和位罨控制系统中也得到广泛的应用。 浙江大学硕七学位论文 第三章l c d 液晶显示与驱动的实现 3 1 点阵式l _ h g l 2 8 斛简介 该类液晶显示模块均是使用k s 0 1 0 8 b 及其兼容控制驱动器( 例如 h d 6 1 2 0 2 ) 作为列驱动器，同时使用k s o l 0 7 b 及其兼容驱动器( 例如h d 6 1 2 0 3 ) 作为行驱动器的液晶模块。由于k s 0 1 0 7 b ( 或h d 6 1 2 0 3 ) 不与m p u 发生联系， 只要提供电源就能产生行驱动信号和各种同步信号，比较简单，在此就不作介 绍。下面主要介绍一下1 2 8 6 4 模块的逻辑电路图。图3 1 是1 2 8 6 4 的逻辑电路 图，共有两片k s o l 0 8 b 或兼容控制驱动器和一片h d 6 1 2 0 3 或兼容驱动器。 图3 11 2 8 6 4 的逻辑电路图 在1 2 8 6 4 中，两片k s 0 1 0 8 b 或兼容控制驱动器的a d c 均接高电平，r s t 也 接高电平，这样在使用1 2 8 6 4 时就不必再考虑这两个引脚的作用。c s a 跟 k s 0 1 0 8 b ( 1 ) 的c s l 相连；c s b 跟k s 0 1 0 8 b ( 2 ) 的c s l 相连，因此c s a 、c s b 选 通组合信号如表3 1 所示。 表3 11 2 8 6 4 片选组合图 ，c s a，c s b1 2 8 “ o o 禁用 o 1 左 l0 矗 11 禁止 1 9 浙江大学硕士学位论文 3 2 液晶模块的供电电源 1 模块应用一般有三种电源：逻辑电源，液晶驱动电源，背光电源。 2 液晶模块一般是单电源供电，如果所选用的液晶模块是双电源( v d d v o ) 供 电，就需要提供一个负电压( 即液晶驱动电压v o v e e ) ，用以调节对比度， 接在液晶模块的v 0 引脚上。因为液晶材料的物理特性，液晶的对比度会随着 温度的变化而相应变化，所以，所加负电压值应该随温度作相应的调整，大 致是温度变化1 0 ，电压变化o 5 伏。为满足这一要求，我们需要选择较大 值的负电源，然后做一个温度补偿电路，或者安排一个电位器，调整负电压 值。 3 常用负电源产生办法： 1 ) 用7 9 系列的三端集成稳压器，可产生一1 8 v ( 7 9 1 8 ) 等电源； 2 ) 用d c d c 模块，市场上常见的5 d 术女系列型号可选择使用：