（机械制造及其自动化专业论文）精密张力控制系统的研究.pdf

坠玺鎏三些查主王兰竺圭兰堡丝兰 摘要 张力控制是许多工业生产过程控制中的一个重要的组成环节，它对提高 产品质量起着至关重要的作用。缠绕成形是复合纤维材料成形工艺中的常用 方法，而纤维缠绕张力是复合材料缠绕成形中的一个重要参数，直接影响着 缠绕制品的质量，因而张力控制是纤维缠绕工艺中的关键技术。 本文通过对复合材料的发展和应用的回顾，总结了国内外纤维缠绕技术 及张力器的发展状况，在对张力系统的工作原理进行了分析和研究后，建立 了以p i c 单片机为主要控制单元，以t l c 5 6 1 5 建立的功能模块为转换输 出，以交流伺服电机和半径跟随臂为执行元件的闭环张力控制系统。建立了 张力控制系统的数学模型和传递函数，分析了系统的稳定性。探讨了p i d 控制算法及其离散化方法以后，对张力系统应用了积分分离式数字p i d 的 控制方法。 本张力控制系统以p i c 单片机为主要控制单元，成功地将控制系统模 块化，设计并调试完成了稳压电路、模拟滤波器电路、光电隔离输入电路、 主控制电路、r s 2 3 2 电平转换电路、s p id a 转换电路等硬件和a d 转换、 数字滤波、p i d 调节、显示程序、r s 2 3 2 通信程序、p w m 、i i c 、s p i 等软 件，并开发了张力控制系统的上位机实时控制程序，从而保证了张力控制系 统的可使用性。 在对张力控制系统内、外部参数进行调试和确定之后，对整个控制系统 进行了控制精度、系统响应时间和回纱时间等试验研究。通过试验以及对试 验结果的分析，得出了本张力控制系统的静差率和波动率，证明了本控制方 案的可行性。最后得出本张力控制系统稳定性好，反应速度快，控制精度较 高的结论。 关键词p i c 单片机；张力控制系统：数控缠绕机 坠玺鎏三些尘耋三兰堡：三兰堡兰兰 a b s t r a c t t e n s i o nc o n t r o li sa ni m p o r t a n tc o m p o s i t i v et a c h eo f m a n yp r o c e s s ，i tc a n i m p r o v et h eq u a l i t yo fp r o d u c t i o no ft h es y s t e m w i n d i n gm o l d i n gi sac o m m o n u s em e t l l o do f c o m p o s i t ef i b r em a t e r i a lm o l d i n gt e c h n i c s f i b r ew i n d i n gt e n s i o n i sa n i m p o r t a n tp a r a m e t e ro fc o m p o s i t em a t e r i a lm o l d i n gt e c h n i c s ，i td i r e c t i n f l u e n c et h e q u a l i t y o fw i n d i n gp r o d u c t i o n ，s ot e n s i o nc o n t r o li s t h e k e y t e c h n i q u eo f f i b r ew i n d i n g t e c h n i c s t h i s p a p e rt h r o u g h r e v i e wt h ed e v e l o p m e n ta n d a p p l i c a t i o no f t h ec o m p o s i t e m a t e r i a l ，s u m m a r i z et h ef i b r ew i n d i n gt e c h n i q u ea n dt e n s i o n e rd e v e l o p m e n to f c i v i la n da b r o a d ，t h r o u g ha n a l y s ea n dr e s e a r c ht h et h e o r yo ft e n s i o ns y s t e m ，t h e c l o s e d u pt e n s i o nc o n t r o ls y s t e mb a s eo nap i cm c u ( m i c r oc o n t r o lu n i t e ) a s t h em a i nc o n t r o l l e r , e s t a b l i s haf u n c t i o nm o d u l ew i 血t l c 5 615d ac h i pa s o u t p u t ，aa l t e r n a t i n gn u m e r i cs e r v o - e l e c t r o m o t o ra st h es e r v oe l e m e n t ，af o l l o w e r a r mc o m p e n s a t i n gt h ec h a n g eo fr a d i u sa se x e c u t ee l e m e n ti se s t a b l i s h t h i s p a p e rb u i l du pt h em a t h e m a t i c a lm o d e la n dt h et r a n s f e rf u n c t i o no f t h et e n s i o n c o n t r o l s y s t e m ，a n a l y s et h es t a b i l i t y o ft h e s y s t e m t h r o u g hd i s c u s s c o n t r o l a r i t h m e t i ca n dd i s p e r s em e t h o do fp i d ，s u g g e s tt h a t i n t e g r a ls e p a r a t e dp i d c o n t r o lm e t h o ds h o u l db e u s e di nt h et e n s i o nc o n t r o ls y s t e m t h et e n s i o nc o n t r o ls y s t e mu s ep i cm c ua st h em a i nc o n t r o l l e r , s u c c e e d d i v i d et h ec o m p l i c a t e ds y s t e mi n t om a n ym o d u l e ，d e s i g n e da n dd e b u g g e dt h e c i r c u i to fe l e c t r i c a ls o u r c e ，a n a l o gf i l t e r , p h o t o e l e c 打i c i t yi s o l a t i n gi n p u t ，m a i n c o n t r o l ，r s 2 3 2v o l t a g es w i t c h ，s p i ( s e r i a lp e r i p h e r a li n t e r f a c e ) d i g i t a l t o a n a l o g c o n v e r s i o na n ds oo n d e s i g n e da n dd e b u g g e dt h es o f t w a r eo fa n a l o g t o d i g i t a l ， n u m e r i c a lf i l t e r , p i da d j u s t ，d i s p l a y , r s 2 3 2s e r i a lc o m m u n i c a t i o n ，p w m ( p u l s e - w i d t hm o d u l a t i o n ) ，l l c ( i n t e r - i n t e g r a t e dc i r c u i t ) ，s p i ( s e r i a lp e r i p h e r a li n t e r f a c e ) a n ds o o n e x p l o i t e d ar e a l - t i m ec o n t r o lp r o g r a mo ft e n s i o nc o n t r o l s y s t e m t h r o u g ha b o v e ，e n s u l t h eu s a b i l i t y o f t e n s i o nc o n t r o ls y s t e m a f t e rd e b u g g e da n dc o n f i r mt h ep a r a m e t e ro ft h et e n s i o nc o n t r o ls y s t e m ， b e g i nt h ee x p e r i m e n to f c o n t r o lp r e c i s i o n ，r e s p o n d - t i m ea n dt a k i n gb a c kt i m e t h r o u g ha n a l y s et h er e s u l to fe x p e r i m e n t ，o b t a i n e dt h ef l u c t u a t eo f t h es y s t e m ， m a k et h ec o n c l u s i o no ft h ep r e c i s i o nr a t eo ft h et e n s i o nc o n t r o ls y s t e m ，e n s u r e i i 哈尔滨工业大学工学硕士学位论文 t h ef e a s i b i l i t yo ft h ec o n t r o ls y s t e m m a k et h ec o n c l u s i o nt h a tt h et e n s i o nc o n t r o l s y s t e m h a v eg o o ds t a b i l i t y , s h o r tr e s p o n dt i m e ，h i g hc o n t r o lp r e c i s i o ni nt h e f i n a l l y k e y w o r d s p i cm c u ，t e n s i o nc o n t r o l s y s t e m ，n u m e r i c a lc o n t r o lw i n d i n g m a c h i n e 1 i i - 哈尔滨工业大学t 学硕士学位论文 1 1 课题背景 第1 章绪论 自1 9 4 6 年美国发明纤维缠绕成形压力容器方法以来，缠绕成形工艺得到 不断的完善和发展。就全世界而言，纤维缠绕成形工艺生产的复合材料制品以 占世界复合材料总产量的8 左右。我国在1 9 6 3 年总结出纤维缠绕的规律，设 计出可缠绕各种压力容器的链条式缠绕机，揭开了我国缠绕成形技术的历史。 从此以后，我国自行设计制造的机械式缠绕机、微机控制缠绕机相继问世，技 术已经达到国际先进水平。本实验室自主研究和开发的六轴联动数控缠绕机是 为缠绕复杂形状芯摸而研制的，其技术已经达到国内和国际先进水平。 在数控缠绕机的研究过程中，张力控制系统是不可缺少的，张力控制器的 设计有着重大的意义。在纤维缠绕工艺中，施加张力的主要目的是控制树脂含 量和使纤维在芯模上按规定线形排列。如果张力选择不当或张力控制不稳定， 可使纤维缠绕构件的强度损失2 0 3 0 ”。由此可见，性能优良的数控纤维缠 绕必须配上精确控制的张力控制器。 1 1 1 新型复合材料的产生和发展 复合材料是由两种以上物理和化学性质不同物质组合起来而得到的一种多 相固体材料。更确切地说，复合材料是使用适当的方法将两种或多种不同性质 的材料组合起来而构成的一种多相固体材料【2 j 。复合材料是具有高比强度、高 比模量、重量轻、强度高、耐辐射、耐磨损、抗干扰、无磁性、可透电磁波等 比其组成材料更为优越性能的新型材料 3 1 。复合材料的产生是近几十年来航天 航空等军事和民用领域工业的迅速发展，特别是航天、航空等尖端技术的突飞 猛进不断地对材料的性能提出越来越高的要求的结果。 自从2 0 世纪7 0 年代初期以来，复合材料研究一直处于材料科学和技术的 前沿，其成果已经大量应用于各个领域。以合成树脂为粘接剂，纤维及其制品 作增强材料而制成的复合材料，称为纤维增强复合材料【4 j 。 复合材料的发展将使得高强度碳纤维以及高温树脂将获得应用；复合材料 工艺以及热塑性复合材料将得到推广应用；结构吸波和智能复合材料将被普遍 采用和较好发展。而高温树脂、更高强度和模量的碳纤维、热塑性树脂复合材 哈尔滨工业大学t 学须 ：学位论文 料以及成本接近金属结构的复合材料等将成为主要研究课题。复合材料将大面 积取代金属材料得到应用。结构陶瓷及陶瓷基复合材料将可望在高推比发动机 上试用。碳，碳复合材料也将取得重要进展。 复合材料的最大优越性是，它的性能比其组成材料好得多。第一，它可以 改善或克服组成材料的弱点，充分发挥它们的优点；第二，它可以按照构件的 结构和受力要求，给出预定的、分布合理的配套性能，进行材料的最佳设计； 第三，它可创造单一材料不易具备的性能，或者在同一时间里发挥不同功能的 作用。 随着改革开发的不断深入，我国复合材料的生产企业不断引进人才和先进 设备，扩大与西方发达国家的技术交流，这十几年来纤维、树脂和复合材料的 产量与质量有了很大的提高，主要体现在：在复合材料生产中，不断引进和开 发先进的自动化生产工艺；采用质量优异的无碱玻璃纤维制品的聚酯树脂作为 原材料：不断研究开发复合材料新的应用领域；国家有关部门非常重视复合材 料这个新型材料的应用和开发。使得我国的复合材料行业呈现出欣欣向荣的新 局面。 1 1 2 纤维缠绕工艺的特点及其类型 复合材料的成形工艺大体上可以分为以下几类：手糊成形工艺、层压成形 工艺、模压成形工艺、缠绕成形工艺、挤出和注射成形工艺、挤拉成形工艺、 玻璃钢纹板连续成形工艺1 5 】。近年来，在成形方法上出现了“复合”，即用几 种成形方法同时完成一件制品。各种成形方法相互渗透、交叉和补充，使原有 的工艺不断发展，由单一化向多功能化和自动化方向迈进。 纤维缠绕工艺是纤维增强复合材料最早开发的连续成形工艺，被广泛地应 用于制造压力容器、管道、板簧、飞机机身等制品。纤维缠绕工艺是指连续纤 维经过树脂浸胶后，按照一定的规律缠绕到一定的芯模上，然后加热或在常温 下固化，制成一定形状的制品。最常见的是玻璃纤维以及碳纤维的缠绕，玻璃 纤维缠绕最终制品即为玻璃钢( 玻璃纤维增强塑料) 。 纤维缠绕工艺可按纤维缠绕在芯模外侧、内腔分布情况分为外侧缠绕和内 侧缠绕；按纤维轨迹所在的空间分为平面缠绕、环向缠绕和螺旋缠绕；按纤维 浸胶工艺分为干法缠绕、湿法缠绕和半干法缠绕【6 】。其工艺过程一般包括芯模 和内衬的制备、树脂胶液配制、纤维烘于及热处理、浸胶、在一定张力下缠 绕、固化、检验及修整等工序组成1 7 j 。 窒尘鎏三些查兰三兰竺圭茎竺篁兰 与其它成形方法相比，用缠绕方法获得的复合材料制品，具有以下特点： 纤维伸直和按规定方向排列的整齐和精确性高于其它任何工艺方法，制品能够 充分发挥纤维的强度，因此比强度和比刚度都较高。由于可以按照承载力要求 确定纤维排布的方向、层次和数量以实现等强度设计，因而制品结构合理。一 般来说，玻璃纤维压力容器与同体积的钢质压力容器相比，重量可减轻4 0 - - - 6 0 8 1 。由于缠绕机有连续工作的特点，可以大大提高劳动生产率，降低劳动强 度，容易实现机械化、自动化、高速化，从而使产品质量稳定，生产率大幅度 提高，成本降低，尤其现代微机控制技术在缠绕机上的应用，将更加显示出这 种工艺方法的优越性。研究复合材料的一些学者，如美国麻省理工学院的 k r o l e w s k i ，g r t o w s k i ，z h o n gc a i ，m i c h a e lf f o l e y 等评价了不同的复合材料成 形工艺的成本效益( c o s te f f e c t i v e n e s s ) ，指出了纤维缠绕比其它工艺方法有更佳 的投资效益。 但是，纤维缠绕必须有能实现规定缠绕线型的缠绕机、高质量的芯模和专 用的固化加热炉，因此设备投资较大，只有大批量生产时成本才较低；目前缠 绕成形工艺主要用于缠绕两端带封头的椭球形、球形、锥形及某些凸形回转体 制品，母线内凹的回转体由于架空现象不能很好的缠绕出规定的形状，缠绕轨 迹的计算有时很复杂；零件要设计成易于脱模的形状，采用石膏和易碎的型 砂、易熔的金属，在打碎或熔化芯模时，可能会对内层的缠绕纤维有损伤。这 些是纤维缠绕成形工艺的缺点。 总的说来，与其它复合材料成形工艺相比，产品强度高、技术经济性好是 纤维缠绕成形工艺的突出优点。 1 2 纤维缠绕中张力控制的意义 缠绕张力是纤维缠绕工艺中重要的控制参数，对制品质量的影响颇大。缠 绕张力制定的合理与否取决于设计计算，而合理的张力值能否得以准确和稳定 的实施，则取决于张力控制系统。张力控制器的性能对保证缠绕质量显然是重 要的【9 】： ( 1 ) 制品的强度和抗疲劳性能与缠绕张力有密切关系。张力过小，制品强 度偏低，内衬充压时的变形较大，变形越大其抗疲劳性能就越差；张力过大， 则纤维磨损增大，从而使制品强度下降。若张力波动较大，使各层纤维的初始 应力状态不同，不能同时承载，也导致整个制品强度下降。 f 2 1 在缠绕成形过程中，由于胶液中有挥发性气体的存在，使制品中产生 哈尔滨t 业大学_ t 学硕士学位论文 许多微孔。过多的微孔不仅使制品机械性能下降，而且会使制品气密性变坏。 缠绕张力是控制和限制孔隙含量的决定性因素之一。 ( 3 ) 缠绕张力增大，含胶量降低。缠绕张力的法向分量使外缠绕层对内缠 绕层施加压力，胶液将因此由内层被挤向外层。张力波动也使缠绕制品内外层 胶质含量不均，导致不均匀的应力分布而影响制品性能。 大量实践和研究表明，在缠绕过程中，如果纤维张力选择不当或不能得到 有效控制，可导致最终制品的强度大量损失。所以，在复合材料缠绕加工中， 必须对缠绕张力加以有效控制，以发挥缠绕工艺的优势，加工出合格的复合材 料制品。 1 , 3 缠绕设备的现状及发展趋势 1 3 1 缠绕机的发展趋势 纤维缠绕机即为完成缠绕工艺的设备，是根据缠绕工艺参数、缠绕规律、 制品规格及几何尺寸等设计制造的。早期多为机械传动的链条式缠绕机，2 0 世 纪6 0 年代末出现了数字程序控制纤维缠绕机，到了2 0 世纪7 0 年代又出现了 微机控制缠绕机。微机控制纤维缠绕机是一种多坐标、多系统的自动化设备， 具有运动速度高、重复定位精度高等特点i l o j 。 纤维缠绕机在技术和功能上i e i 趋成熟，主要有以下几大发展趋势： ( 1 ) 缠绕机配备高性能的精密张力控制系统； f 2 ) 向高生产率方向发展； f 3 ) 向工艺方法复合化方向发展； ( 4 1 向结合机器人来简化缠绕机的研制； ( 5 1 向自动化铺缠方向发展。 即其总体趋势是自动化程度不断提高，控制系统不断更新，控制软件更加 完善，缠绕系统向着更深的层次发展。 1 3 2 张力控制器的发展现状及展望 在纤维缠绕成形工艺中，对纤维张力进行人工或自动的调整，使张力变化 可以得到有效控制的装置成为张力控制系统，简称为张力器。为了保证缠绕制 品的质量，提高缠绕生产率，缠绕机必须配备性能可靠的精密张力控制器，随 者缠绕机的发展，至今大致经历了三个发展时期，即机械式张力器、电控式张 力器、计算机式张力器和单片机独立控制的张力器 。 机械式张力器是通过机械结构来实现张力控制的。如早期的“c t c ” ( c o m p e n s a t i v e t e n s i o nc o n t r o l l e r ) ，是一种力平衡式自动补偿张力器，其制动阻 力矩是靠刹车带与制动轮的摩擦产生，制动阻力矩的调节由调节刹车弹簧的变 形量来实现。机械式张力器的缺点主要是张力值不能自动设置，控制精度低， 回纱能力差【1 2 】。 随着电子技术的发展，7 0 年代后期出现了电控式张力器。这类张力器通常 使用应变传感器感知纱线张力，然后反馈给控制器，控制器将纤维张力设定值 与反馈值比较、校正后，输出控制信号，经放大后驱动纱团电机或电磁离合 器，使张力保持在定范围内。这种张力器的回纱能力强，可自动调节张力， 控制精度比机械式张力器有所提高。所有张力装置可固定在地板上，使小车重 量减轻，每个张力器可单独控制和标定。但由于外界环境对模拟电路的干扰， 纤维张力容易产生波动。 随着高性能价格比的微处理器的出现，张力器的控制器也由模拟式转向数 字式，出现了由计算机控制的张力器【1 3 1 。由于计算机的高计算速度、高精度与 可靠性，减少了电子控制系统复杂的硬件电路，使系统大大简化，可靠性更 高，同时也为使用各种先进的控制提供了前提条件。目前已进入实际应用阶段 的计算机控制式张力器多以磁粉离合器、力矩电机为执行元件；近年来随着电 流变流体研究的深化，电流变流体阻尼器( e r 阻尼器) 也被用作张力系统的控制 执行元件，但因其无回纱能力，且对电源要求很高，使其实际应用受到限制。 微机控制张力器既可单独工作，又可同主机连接通信，纱线的张力可以被记 录、显示和自动设定。因而，这种控制得到了广泛的应用。 近几年，随着微电子技术、大规模集成电路及单片微处理器( 即单片机) 的 不断发展，单片机由于其性价比高、体积小、集成度高、可靠性高、控制功能 强等特点，被不断的应用到工业控制中，特别在实时控制系统中，单片机系统 的实时数据处理能力和控制性能，可使系统保持在最佳工作状态，提高系统的 工作效率和产品质量【i “。因此，以单片机系统为控制器的张力控制器成为张力 器发展的新方向。本课题研究的精密张力控制系统的控制核心就是具有 r i s c ( 精简指令集) 的p i c 系列单片机。 篁堡篓三些奎耋三：罂圭兰堡篁兰 1 4 课题研究的主要内容 本课题总结缠绕机和其张力控制器的发展现状和展望，回顾了复合材料缠 绕的工艺的特点和应用，主要研究内容包括以下几个部分： ( 1 ) 提出以p i c 系列单片机为控制核心，以t l c 5 6 1 5 建立的功能模块为系 统输出，以数字交流伺服电机为执行元件，以半径反馈臂补偿纱团半径变化作 为张力控制的输入的闭环张力控制系统： ( 2 ) 提出以数控缠绕机控制系统的i o 口和工控机的r s 2 3 2 异步串口为输 入的张力控制方式，设计适合本张力控制系统的稳压电源、模拟滤波电路、光 电隔离输入电路和r s 2 3 2 电平转换电路，研究及对比p w m 、i i c 、s p i 、8 位 并行口及1 0 位并行口输出方式的优缺点，提出以s p i ( s e r i a lp e r i p h e r a li n t e r f a c e ) 为输出的控制思想； f 3 1 编写用于张力控制系统的a d 转换、数字滤波、p i d 调节、p w m 调 节、s p i 输出和u s a r t 通信等p i c 应用程序，开发张力控制和监视的上位机 控制软件： h ) 通过实验调整参数，提高张力控制系统的控制精度，得到系统的静差 率、波动率和响应时间，证明控制系统的稳定性及可靠性，缩短系统的响应时 间。 氅尘篓三些銮兰三兰竺；：兰堡丝兰 第2 章张力控制器方案设计 2 1 张力控制系统的种类及构成 张力的控制方法按照不同的工艺要求，可分为间接张力控制和直接张力控 制，前者通过控制维持张力恒定的传动系统的电参数实现张力控制，一般采用 最大力矩控制或恒功率控制等方式，适用于一般要求不高的场合，可简单实现 一般张力控制要求。后者则采用微处理器为控制核心，实现复杂的控制算法， 硬件采用张力传感器构成张力的反馈以实现闭环控制，适用于高精度、高速度 的张力控制场合1 1 5 , 1 6 。由于缠绕纤维时刻处于运动过程中，而且要求保持张力 恒定，所以，缠绕机张力系统要求在动态及加减速过程中均能有效控制张力， 这就要求系统能够准确地补偿加减速及系统摩擦带来的变化力矩。 一般缠绕张力控制系统，包括开卷部分、控制部分、测量部分、复卷部分 及其辅助装置组成。开卷( 解卷) 部分是指卷辊在缠绕材料的拉力下旋转放线， 在复合材料缠绕成形工艺中，纤维是在旋转芯模带动下产生运动，在开卷辊和 芯模之间，可有多个导向辊控制缠绕纤维的走向，使之平稳运动。对于开卷和 复卷的驱动可分为表面驱动和中心驱动两种。表面驱动是在缠绕材料的表面设 置驱动辊或皮带，靠摩擦产生驱动力。在这种方式中，缠绕材料的线速度和张 力不随缠绕卷辊的变化而变化，这种驱动方式结构简单，但对材料有正压力和 摩擦力。中心驱动是在卷辊的中心轴线上设置驱动装置。此时，缠绕材料的线 速度和张力随卷辊半径的变化而变化，这被称做卷粗现象i ”】。卷粗现象使张力 的控制变得复杂，但由于适用范围广，中心驱动被广泛采用。为了产生张力， 必须有施力装置产生阻力矩施加于开卷辊上，该施力装置就是张力控制系统中 的张力执行元件。执行元件是控制系统最基本的组成部分，它应该具有快速响 应的动态特性、良好的静态特性( 线性度好) 及控制可靠等特点【l ”。 2 2 张力控制系统的方案建立 本张力控制系统为采用的方案为直接张力控制，使用p i c 单片机为控制核 心，以t l c 5 6 1 5 建立的功能模块为系统模拟电压输出，以半径补偿跟随器的 电压变化、交流伺服电机的力矩反馈和速度反馈为输入，形成对系统的闭环控 哈尔滨工业大学工学硕十学位论史 制，适用对张力控制要求高精度、高速度的控制场台。本张力控制系统可以通 过多种方式来设定张力值：( 1 ) 通过数控缠绕机控制系统的狄) 口对系统张力 控制系统进行张力控制：( 2 ) 通过与p c 机相连的r s 2 3 2 异步串行口对张力进 行控制；( 3 ) 通过预先的程序编写，对张力进行控制( 适用于恒张力的场合) ；( 4 ) 通过外部中断来改变张力值( 适用于张力变化不大的场合) 。前两种方式可以根 据缠绕机的控制系统和p c 机的控制程序而定，这两种张力设定方式都能对缠 绕张力值进行实时的调整和设定。 精密张力器组成原理如图2 1 所示。 图2 - 1 精密张力器组成原理图 f i g 2 - lt h ec o m p o s ep r i n c i p l eo f p r e c i s i o nt e n s i o nc o n t r o ls y s t e m 本张力控制系统以p i c 单片机系统作为控制核心，通过p i c 内部的a d 转换功能对半径变化( 已经转变为电压信号) 进行采样，为了对电机转矩与半径 的运算结果进行标定，使用张力传感器检测纱线的实时张力( 系统在实际工作 中是不需要张力传感器的，它只用于张力的标定) 。由张力传感器检测到的信 号也可在经过p i c 单片机处理后，通过异步串行r s 2 3 2 接口传送给p c 机实 时显示，或对数据进行统计分析等进一步处理。数据采集以后通过数字滤波去 掉干扰信号，得到我们需要的准确的纱团半径值；这时候通过读取所需要控制 的张力值，使半径和张力值进行运算，最后通过预定的算法程序由p i c 单片 堕尘堡三些奎兰二兰罂：兰堡丝兰 机系统发出速度指令和转矩限定指令，通过外部的d a 转换输出模拟电压信 号到伺服驱动器，驱动数字交流伺服电机，控制数字交流伺服电机的输出扭 矩，从而通过控制数字交流伺服电机的堵转力矩使纤维产生张力 1 9 , 2 0 。然后由 脉冲编码器测出交流数字伺服电机的速度信号，由霍尔元件测出交流数字伺服 电机的转矩信号，通过将速度和转矩监视信号反馈到控制器，从而构成闭环系 统【2 lj 。本系统可实现在任意转矩的情况下，改变电机转速设定，借此来控制回 纱速度；也可实现在任意转速的情况下，改变电机转矩，从而达到控制改变张 力或适应纱团半径变化的目的 2 2 ，| 2 3 。 2 3 张力控制系统的组成 本张力控制系统以p i c 单片机系统为控制核心，以t l c 5 6 1 5 作为模拟输 出，交流数字伺服电机作为执行元件时，系统采用闭环加半径补偿控制的形 式，而且本张力控制系统可以实时进行标定，以实现对张力的精确控制。 本张力控制系统工作原理如图2 2 所示。 图2 - 2 精密张力控制系统控制原理图 f i g 2 - 2t h e c o n t r o l p r i n c i p l eo f p r e c i s i o n t e n s i o nc o n t r o ls y s t e m 在本张力控制系统设计过程中，成功地实现将系统的软、硬件模块化，以 便于以后进行系统的升级和功能的扩展，不但适合于在实验条件下使用，也为 哈尔滨工业大学 ：学硕f “学位论文 系统的产品化打下了基础。 本张力控制系统主要由以下几部分组成： ( 1 ) 由m i e r o c h i p 公司生产p i c 系统单片机； ( 2 ) 由t l c 公司生产的t l c 5 6 1 5 模数转换芯片； ( 3 ) 由p a n a s o n i c 公司生产的交流数字儡服电枧和伺服驱动器； “) 半径跟随器装置，包括半径跟随臂、齿轮放大机构和旋转电位计。 以下是对本张力控制系统中的主要组成部分进行一下简单的介绍，并说明 选用这些主件的原则。 2 3 1 张力控制系统的控制核心 张力控制控制系统的性能如何、是否实用、能否有扩展的可能，有很大程 度取决于核心的选择，所以选择适当的控制核心是我们做设计的第一步。根据 设计的要求和现在张力控制系统的发展趋势，本张力控制系统采用了由 m i c r o c h i p 公司生产的p i c 系列单片机。 ( 1 ) p i c 系列单片机的简介p i c ( p e r i p h e r a l i n t e r f a c ec o n t r o l l e r ) 单片机是一 种用来开发的去控制外围设备的集成电路o c ) ，是一种具有分数作用f 多任务) 功能的c p u 。p i c 单片机实际上是一个小的计算机，p i c 单片机有计算功能和 记忆内存像c p u 并由软件控制允行，它们的最高操作频率大约都在2 0 m h z 左 右，存储器容量用做写程序的大约i k - - 4 k 字节。在总线结构方面p i c 荦片机 的总线结构是哈佛结构，指令和数据空间是完全分开的；在流水线结构方面 p i c 的取指和执行采用双指令流水线结构，实现了单周期指令。 使用p i c 单片机可以把电路做的很小巧，因为p i c 单片机可以把控制所需 鼷的功能都集成在一个芯片内，所以工作起来效率很高。它率先推出采用精简 指令集计算机、哈佛双总线和两级指令流水线结构的高性能价格比的8 位嵌入 式控制器，充分体现了微控制器工业发展的新趋势【2 4 j 。 ( 2 1p i c l 6 f 8 7 x 的特点p i c l 6 f 8 7 x 是微芯( m i c r o c h i p ) 公司的中档产品 它采用1 4 位的类r i s c 指令系统，在保持低价格的前提下，增加了a d 转换 器、内部e 2 p r o m 存储器、比较输出、捕捉输入、p w m 输出( 加上简单的滤 波电路后还可以作为d a 输出1 、1 2 c 总线和s p i 总线接口电路、异步串行通信 f u s a r t ) 接口电路、模拟电压比较器、l c d 驱动、f l a s h 程序存储器等许多 功能，可以方便地在线多次编程和调试，也可以作为产品开发的最终产品【2 “。 本张力控制系统采用的是p i c t 6 f 8 7 7 ，该单片机的主要构成模块有【2 ： 哈尔滨工业大学t 学硕l ：学位论文 i 0 端口模块，p i c l 6 f 8 7 7 拥有r a r e5 组多达3 3 个通用的i o 端口，其中 决大多数管脚有第二甚至第三功能，这些多功能的外围端口是p i c 单片机实 现强大的处理功能的重要基础和保证；定时器模块，p i c l 6 f 8 7 7 拥有t m r 0 、 t m r l 、t m r 2 三个带有预分频功能的定时计数器；存储器模块，p i c l 6 f 8 7 7 拥有8 k 字节1 4 位的程序存储器，3 6 8 字节8 位的数据存储器f r a m ) 和2 5 6 字 节8 位e e p r o m 数据存储器；a d c 模块，p i c l 6 f 8 7 7 拥有1 个8 通道1 0 位 分辨率的模数转换器，可以通过a d c o n 0 和a d c o n i 寄存器来控制；c c p 模块，p i c l 6 f 8 7 7 片内包含2 个几乎完全相同的捕捉比较p w m 模块，与 t m r l 和t m r 2 配合可以实现输入捕捉、输出比较和脉宽调制输出功能；主 同步串行端口( m a s t e rs y n c h r o n o u ss e r i a lp o r t ) 模块，m s s p 模块具有串行外部 接口( s e r i a l p e r i p h e r a li n t e r f a c e ) 主模式和内部集成电路之间( i n t e r - i n t e g r a t e d c i r c u i o 主从三种工作模式，用来与具有s p i 或i i c 串行端口的外接器件或者 其他单片机进行通信；通用同步异步收发器( u n i v e r s a ls y n c h r o n o u s a s y n c h r o n o u sr e c e i v e rt r a n s m i t t e r ) 模块，u s a r t 模块用于实现二线式串行通 信。 对于本精密张力控制系统设计中选用的p i c l 6 f 8 7 7 芯片，使用m i c r o c h i p 公司推出的m p l a b i c d ( i n c i r c u i td e b u g g e r ) 在线编程仿真器进行开发， m p l a b i c d 是一种十分实用的开发工具，它具有内置程序写入，在线调试等 强大的功能，同时可以使用集成的软件编译环境m p l a b 。p i c l 6 f 8 7 7 还支持 使用c 语言编写程序，只要通过编译软件p i c c ，就可以把c 语言程序编译成 机器码，使软硬件系统的开发更加可靠、方便和快捷【2 7 j 。 2 3 2 张力控制系统的输出模块 系统的输入、过程处理和输出都是相当重要的，每一个环节的精度都直接 影响最后张力系统的控制精度。在本张力控制系统中，张力控制系统对于执行 元件( 交流数字伺服电机系统) 的输出量，是给伺服驱动器的转速指令和转矩限 定指令。伺服驱动器接收的控制信号为模拟电压信号，而p i c 系列单片机本身 不具备d a 转换功能，需要外接d a 芯片实现其输出来控制执行元件。 因为p i c l 6 f 8 7 7 拥有1 个8 通道1 0 位分辨率的模数转换器，所以选用的 d a 芯片应该同样具有1 0 位分辨率。通过对系统的整体考虑，考虑到系统以 后的扩展，应该选用占用i o 资源小的串行d a 芯片。 t l c 5 6 1 5 是8 引脚的1 0 位电压输出的s p i 模式的c o m s 模数转换芯片， 芝奎堡三些查兰三兰堡圭兰竺篁兰 由单个5 v 电压供电，具有3 个串行接口( s d o 、s d i 和s c k ) ，可以和p i c 进 行双向的串行通信。芯片支持高阻抗参考输入，电压输出范围是参考基准电压 的2 倍，推荐使用2 0 4 8 v 基准电压。芯片内部有上电复位功能，最大功耗仅 为1 7 5 m w ，刷新频率高达1 2 1 m h z l 2 8 1 。 t l c 5 6 1 5 是s p i 模式的c m o s 模数转换芯片。由于具有s p i 接口的外围 器件具有引脚少、封装简便和造价低廉等突出优点，在市场上得到了迅速而广 泛的普及1 2 9 】。通过和p i c l 6 f 8 7 7 的s p i 连接，可以实现0 5 v ( 最大值由输入的 参考基准电压决定1 模拟电压的输出。经实验数据表明，t l c 5 6 1 5 的电压输出 波动范围小于5 m v ，可以满足张力控制系统的要求。 2 3 3 张力控制系统的执行元件 目前，张力控制系统的电机驱动形式主要有：直流调速驱动、交流变频驱 动和力矩电机驱动。交流电机具有结构简单、运行可靠和维护方便等优点，故 现在广泛采用交流交频调速驱动p u ，圳。 数控缠绕机缠绕时，由交流伺服电机的主轴带动芯模旋转以实现纤维的缠 绕运动，纤维的出线速度一般为o 5 m s 左右【3 。交流数字伺服电机既要能够 输出足够大的电磁转矩维持纱线张力，也必须有足够大的空载转速，使纤维回 纱及时 3 3 】。根据要求，选取了p a n a s o n i c 公司生产的数字交流伺服电机和对应 的驱动器，电机电压为2 0 0 v ，输出功率为4 0 0 w ，编码器规格为2 5 0 0 p r 增量 式，额定转速为3 0 0 0 r m i n ，额定转矩为1 3 n m ，最大转矩为3 8 n m 。这种 电机有六种控制方式，此交流伺服电机可以通过转矩控制、位置一转矩控制、 速度转矩控制和速度控制方式下的转矩限定来产生转矩。因为在控制张力的 同时，电机也需要控制回纱的速度，所以本方案采用速度- 转矩控制方式对张 力进行控制。 2 3 4 半径跟随器装置 本张力控制系统采用中心卷绕、外拉纱线式结构形式，在纱团解卷半径变 小时，交流数字伺服电机输出扭矩也必须相应减小以保持纱线张力不变。为 此，采用半径跟随臂检测纱团解卷半径的变化。 半径跟随器装置由一个旋转式电位计、齿轮放大机构和一个半径跟随臂组 成。跟随臂的一端搭在纱团上，另一端通过齿轮放大机构与旋转式电位计相 连，纱团半径的变化通过跟随臂带动齿轮放大机构旋转，令电位计的输出电压 哈尔滨工业大学工学硕士学位论文 发生改变，这样就把纱团半径的变化转变为电压的变化，便于对半径变化进行 处理。半径跟随器装置如图2 3 所示。 电源电压风。 旋转式 电位计 图2 - 3 半径跟随器装置 f i g 2 - 3t h e d e v i c eo f r a d i u sf o l l o w e ra r mo f p r e c i s i o nt e n s i o nc o n t r o ls y s t e m 如图2 3 所示，纱团半径的变化转变为电压的变化的转变过程如下： 根据半径跟随臂的机构和正弦定理可得 s i n 口o ) ：生塑( 2 - 1 ) l 式中跟随臂长度o r 。，广纱团最大半径； r ( 沪一纱团实时半径； 口( f 1 跟随臂实时角度变化。 由于跟随臂的长度远远大于纱团的实时半径变化，所以式( 2 一1 ) 可以简化为 目( f ) ：r 一_ - 一r ( t ) ( 2 - 2 ) l 根据齿轮放大机构的可得 妒( f ) = i o ( t ) ( 2 - 3 ) 式中庐旋转电位计实时角度变化； i 齿轮放大机构的传动比。 由式( 2 2 ) 和( 2 - 3 ) 可得 庐( f ) ：f r 一_ - 一r ( t ) ( 2 - 4 ) l 旋转电位计的电压输出为 篡玺鋈三些尘耋三兰堡圭兰篁篁兰 u ( t ) 。掣u( 2 5 ) 口 式中u ( f ) 旋转电位计实时电压变化； 毋旋转电位计的转动范围； ( 卜电源电压。 最终，由式( 2 4 ) 和( 2 5 ) 可以得到纱团半径变化引起的电压变化为 矿 f 墨墼二墨盟 上 毋 u ：丛弩业u ( 2 - 6 ) l 口 为了使计算误差减小，跟随臂上的滚子中心在缠绕过程中沿着以大齿轮中 心为圆心，以大齿轮中心到纱团轴的中心的为半径的作圆周运动。调整电位计 位置，使得在纱团半径最小时，电位计输出电压为最小3 4 1 。所以旋转电位计的 实时电压变化就是半径跟随器最后的输出电压，它反映了半径的变化情况。 2 4 张力控制系统的数学模型 数控纤维缠绕机张力系统要求对纤维张力进行有效的控制，纤维的运行 速度由缠绕机主轴转速和制件缠绕半径等因素决定。取开卷辊为研究对象，其 动态力矩平衡方程为【3 5 1 t r ( t ) = 肘( ，) + m s + j ( t ) c o ( t ) + j ( t ) e o ( t ) + 靠( 2 7 ) 式中丁纱线张力； 月0 ) 纱团实时半径； m ( t ) 交流数字伺服电机产生的阻力矩； m ，粘性摩擦力矩； c o ( t ) 纱团旋转角速度； t ，( f ) 卷辊与纱团的转动惯量； m 。干性摩擦力矩。 出式( 2 7 ) 知，纱团半径、阻力矩、开卷辊角速度和纱团的转动惯量都是时 间的函数，所以系统是一个复杂的多变量时变系统。运用古典控制理论的分析 方法，对力矩平衡方程进行合理的简化。基于以下原则，经简化，可推导出系 统的张力控制模型。 ( 1 ) 干性摩擦力和粘性摩擦力影响较小，可以忽略不计； 哈尔滨工业大学工学硕士学位论文 ( 2 ) 纱团转动惯量瞬时变化很小，( r ) 国( r ) 对张力的影响可以忽略不计 ( 3 ) 纱团半径通过半径跟随臂实时测量反馈。 所以式( 2 7 ) 可简化