（电路与系统专业论文）红外光电探边控制系统的设计与实现.pdf

红外光电探边控制系统的设计与实现 摘要 在纺织、印染等行业中，红外光电探边仪是染色、印花、热定型等工序前的 重要设备，可保证布匹在生产线上高速移动，但传送的方向不能发生偏离，避免 布卷卷边不整齐，影响后续工序的加工质量。红外探边仪能自动精确地跟踪布边 位置，利用机械装置锁死布边，保证了布匹后续工序的加工质量。本文以红外探 边系统为研究对象，设计了一个适用于流水线的且跟踪速度快、探边精度高、抗 干扰能力好、性能可靠的红外光电探边仪。主要内容有： ( 1 ) 分析红外探边仪的工作原理和发展趋势，研究m c u 技术在仪器设备上 的运用，阐述红外光电探边仪的性能要求及参数指标。 ( 2 ) 研究了当前红外探边仪常用的一些控制机构以及执行机构，对各个组成 部分的功能以及关键技术作了介绍，并根据实际要求和主要技术指标构建了系统 的设计目标和整体模型，给出了软硬件的总体设计方案。 ( 3 ) 开发了红外光电探边仪的硬件系统模块，包括m c u 控制模块、何服电 机控制模块、d a 应用模块、信号发射和检测模块、键盘及l e d 显示模块、串口 通信模块和电源模块。完成了各模块的原理图绘制及p c b 制板，对各模块进行了 调试。 ( 4 ) 对红外光电探边仪的软件进行了分块设计，主要分为数据发送和采集、 键盘数据处理、m c u 与伺服电机的串行通信。同时对红外探测头的抗干扰函数具 体算法与流程进行了详细的分析与设计，编写了各模块程序并进行了编译调试。 ( 5 ) 根据系统总体设计要求，开发了红外光电探边仪样机，对其硬件电路及 控制软件进行了整体调试，给出了调试结果并进行了分析。 经过样机实验表明，本设计开发的红外光电探边仪具有精度高、跟踪速度快 等特点。样机的定位精度、控制特性曲线、比例控制范围、响应速度、驱动力等 主要技术参数均达到或优于设计指标，系统运行稳定可靠，达到了预期的设计目 标。 关键词：红外探边；c 8 0 5 1 f 0 2 0 单片机；印染；伺服电机；串口通信 i i a b s t r a c t i nt h ef i e l do fi n d u s t r i e ss u c h a st e x t i l e ，p r i n t i n ga n dd y e i n g ，i n f r a r e de d g e d e t e c t o ri st h ei m p o r t a n te q u i p m e n t b e f o r et h ep r o c e s s i n gp r o c e d u r e s o td y e m g ， p r i n t i n g ，1 f i n a l i z i n gt h ed e s i g nb yh e a t c l o t h ，w h i c hi sm o v i n g a th i g hs p e e dmt h e p r o d u c t i o nl i n e ，t h ed i r e c t i o no ft r a n s m i s s i o n c a nn o td e v i a t e ，s oa st oa v 0 1 dt h ec l o t n d e p r e s s e de d g ev a r y ， a f f e c t i n gt h ep r o c e s s i n gq u a l i t y o ft h ef 0 i l o w l n gw o r k l n g p r o c e d u r e s t h i se q u i p m e n tc a na u t o m a t i c a l l ya n dp r e c i s e l y t r a c et h el o c a t l o no f t h e c l o t he d g ea n dt h e nl o c ki t w i t ht h em e e h a n i cs t r u c t u r ef o rt h en e x tp r o c e s s l n g p r o c e d u r e s t h i sp a p e r ss e a r c ho b j e c ti si n f r a r e de d g ed e t e c t i n gs y s t e m ，d e s l g n s a n i n f r a r e dp h o t o e l e c t r i c i t ye d g ed e t e c t o rw h i c hi s s u i t a b l ef o rs t r e a m l i n e ，f a s tt r a c k s p e e d ， h i 曲 c o n t r o lp r e c i s i o n ， w e l la n “n t e r f e r e n c ea b i l i t y a n dp e r f o r m a n c e r e l i a b i l i t y t h em a i nc o n t e n t sa r ea sf o l l o w s ： f i r s t l y ，t h r o u 曲a n a l y z i n g t h ew o r kp r i n c i p l ea n dd e v e l o p m e n t a lt e n d e n c y o t i n f r a r e de d g ed e t e c t o r ，t h i sp a p e rr e s e a r c ht h eu s e f u l o fm c ut e c h n o l o g yo nt h e i n s t r u m e n ta n di n f r a r e de d g ed e t e c t o r sp e r f o r m a n c er e q u i r e m e n ta n d p a r a m e t e r t a r g e t s e c 。n d l y ， t h ec u r r e n ti n f r a r e de d g e d e t e c t 。r u s u a lc 。n t r 。l l i n gp a r t a n d p e r f o r m i n gp a r t i sr e s e a r c h e d ，a n da l lp a r t s s f u n c t i 。na sw e l l a st h ee s s e n t i a l t e c h n o l 。g yi si n t r o d u c t e d a c c 。r d i n gt 。t h em a i nt e c h n i c a lt a r g e ta n da c t u a l r e q u e s t ， t h i sp a p e rc 。n s t r u c t e sd e s i g ng 。a la n d t h eh 。l i s t i cm 。d e l 。ft h es y s t e ma n dg i v et h e o v e r a l ls c h e m e so fh a r d w a r ea n ds o 士t w a r e t h i r d l v t h er e s e a r c ha n dd e v e l o p m e n to f i n f r a r e dp h o t o e l e c t r i c i t ye d g ed e t e c t o r i si n t r o d u c e di nd e t a i l ，i n c l u d i n gm c u c o n t r o l l i n gm o d u l e ，s e r v om o t o rc o n t r o m n g m o d u l e ，d aa p p l i c a t i o nm o d u l e ，s i g n a it r a n s m i t t i n ga n dr e c e i v i n gm o d u l e ，k e y b o a r d a n dl e dd e m o n s t r a t i o nm o d u l e ，s e r i a lc o m m u n i c a t i o nm u d u l ea n dp o w e rm o d u l e t h e ns c h e m a t i cd i a g r a ma n dt h ep c b b o a r da r ec o m p l e t e d ，e a c hm o d u l el st e s t e da t 1 a s t f 。u r t h l y ，t h i sp a p e rd e s i g n e ss o f t w a r e 。f i n f r a r e dp h o t 。e l e c t r i c i t ye d g ed e t e c t o r r e s p e c t i v e l y ，i tm a i n l yd i v i d e di n t 。d a t at r a n s m i t t i n g a n dc 。l l e c t i n g ，k e y b 。a r dd a t a p r 。c e s s i n g ，m c ua n ds e r v 。m 。t 。r s e r i a lc 。m m u n i c a t i 。n t h e ni n f r a r e dd e t e c t i n g h e a d ，sd i s t u r b a n c ef u n c t i 。na n dn o w c h a r t sa r ea n a l y z e da n dd e s i g n e di nd e t a i l e a c h m o d u l ep r o c e d u r ei sc o m p 订e da n dd e b u g g e da t l a s t l i i 红外光电探边控制系统的设计与实现 f i n a l l y ，u n d e rt h es y s t e md e s i g nr e q u i r e m e n t s ，a n dd e v e l o p i n ga ni n f l ? a r e de d g e d e t e c t o rp r o t o t y p e ，i t sh a r d w a r ea n ds of t w a r ea r ee x p e r i m e n t e da n dd e b u g g e d ，a n d t h e e x p e r i m e n t a lr e s u l t s a n dd a t aa r eg i v e no u t ， a n a l y z i n gt h e c o n c l u s i o n so f d e b u g g i n g t h r o u g ht h ep r o t o t y p et e s t s ， i ts h o w st h a ti n f r a r e d p h o t o e l e c t r i c i t ye d g e d e t e c t o rh a st h eh i g hp r e c i s i o na n df a s tt r a c k i n gs p e e d p o s i t i o n i n ga c c u r a c y ，c o n t r o l c h a r a c t e r i s t i cc u r v e ，p r o p o r t i o n a lc o n t r o lr a n g e ，r e s p o n s i n gs p e e d ，d r i v i n gf b r c ea n d o t h e ra r e a so ft e c h n i c a lp a r a m e t e r sa r ea t t a i n e do rb e t t e rt h a nd e s i g ns t a n d a r d sr e q u i r e ， t h ep r o t o t y p ec a nw o r ks t a b l ya n da c h i e v et h ee x p e c t e dg o a l s k e yw o r d s ： i n f r a r e de d g ed e t e c t o r ；m c uc 8 0 51f 0 2 0 ； p r i n t i n ga n dd y e i n g ； s e r v o m o t o r ：s e r i a lc o m m u n i c a t i o n 湖南大学 学位论文原创性声明 本人郑重声明：所呈交的论文是本人在导师的指导下独立进行研究所取 得的研究成果。除了文中特别加以标注引用的内容外，本论文不包含任何其 他个人或集体已经发表或撰写的成果作品。对本文的研究做出重要贡献的个 人和集体，均已在文中以明确方式标明。本人完全意识到本声明的法律后果 由本人承担。 作者签名： ，习逸蒸 日期： d g 年歹月z p 日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，同意学 校保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查 阅和借阅。本人授权湖南大学可以将本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和汇编本学位 论文。 本学位论文属于 1 、保密口，在年解密后适用本授权书。 2 、不保密团。 ( 请在以上相应方框内打“”) 作者签名： 导师签名： ，司；每互 荔硝 日期： 裾年厂月2 口日 日期： 莎年，月幽日 硕士学位论文 1 1 选题背景 第1 章绪论 在纺织印染机械工业中，探边仪是热定型机、拉幅机及涂层机中控制布边位 置的关键装置。织物在进入热定型机、拉幅机及涂层机时，其两侧的布边必须正 确地纳入针板或布夹上，因此需要一种探边精度高、跟踪速度快的探边机械带动 链轨自动跟踪不断变化的布边，保持针板或布夹极其精确地扎往布边，来提高纺 织产品的生产质量。近几年来，随着电力电子技术、计算机技术、自动控制技术 的迅速发展，纺织机械行业的自动化水平有了明显的提高，在新型纺织机械上普 遍采用了自动化技术。这项技术的内容包含了先进的信息处理和控制技术，即以 计算机为核心，由p l c 、工控机、单片机、人机界面、现场总线等组成的控制系统； 先进的驱动技术，如交流伺服、变频调速、步进电机等；高精度的传感检测技术 和高性能的执行机构。传统的那种采用分离元件、人机交互性能差的自控系统已 渐渐被淘汰。 国际上，随着染整工业的发展，以电子计算机为主体的现代信息控制技术， 已渗透到染整机械各个领域。以新材料和高精度自动化机械加工技术为基础，运 用光、机、电、气动、液压等传感技术和变频调速等转动技术开发研制了一代又 一代现代化新设备，实现了纺织生产过程中各种工艺参数的在线检测、显示、自 动控制和自动调节，以及设备运行的自动监测、显示、超限报警、自停、甚至故 障自动排除。高度自动化的生产设备能严格按照设定的工艺要求，以定性、定量、 规范化的机械动作实现传统纺织生产中依靠操作人员技术的熟练程度完成的各种 简单重复的手工操作，保证和提高了产品质量，提高了生产效率、降低了成本， 增强了产品的竞争力n 1 。 近年来，我国染整设备的机电一体化程度有了一定的提高，电子技术的应用 范围不断扩大，但是，我国染整设备与国外先进水平相比，仍有相当的差距，尤 其是印染机械的配套件，例如：探边仪、光电整纬等。在上世纪末期，主要体现 在自动化控制、程序控制较差和可靠性差，尤其是配套件的可靠性差。现在尽管 配套件的质量上了一个台阶，步入到基本可正常使用阶段。但是我国的配套件与 国外相比还存在一定的差距。如德国莱默尔( e + l ) 公司，这是一个老牌印染配套件 专业制造厂，它的配套件不仅可靠好用，而且经常创新，尤其在红外探边装置方 面具有世界领先水平圆。 1 2 探边仪的研究发展状况 探边仪是纺织印染行业必不可少的配套件，它主要用于探测流水线上运动物 红外光电探边控制系统的设计与实现 体的偏移量，并快速做出反应，调整运动物体的偏移。其基本工作过程是：流水 线上运动物体的偏移信息由探边仪的探测头检测并转换成合理信号送给控制器， 由控制器判断是否为干扰信号，然后再经过处理和运算，确定运动物体产生偏移 后，输出对应的偏移信号给执行机构，由执行结构完成运动物体的偏移纠正嘲。 1 2 1 我国印染机械设备现状 我国纺织机械行业虽然取得了巨大的成就，但与发达国家的著名纺织机械产 品相比，在性价比方面优势明显，但在产品先进性、可靠性等方面仍然有着一定 的差距。我国印染工业近年的一大特点是资源配置市场化和生产能力集群化。随 着改革开放的不断深入，国有资本通过市场化整合与国有企业通过多元化改制， 进一步提高了企业活力，民营、外资、港澳台及合资企业份额快速扩展。民营、 外资、港澳台及合资企业的出口交货值占到全行业的近9 0 ，他们已在我国印染 行业起到龙头作用。 我国的纺织印染设备的生产仅仅停留在数量增长而不是质量提高上，大量的 中低档国产印染设备难以满足国内纺织印染企业的需求，致使纺织印染企业不得 不依靠国外设备来进行高档产品的开发。但随着我国纺机企业的装备水平的提高、 研发力度的加大，一些纺机企业所开发的具有先进水平的印染设备不断问世，这 标志着纺机企业创新的步伐正在为缩小差距而加快步伐跟进，前处理工序的能源 消耗在总能耗中占有较大比例，从而促使人们去研究高效、低能耗的短流程前处 理。 目前，中国印染设备制造厂已达2 0 0 多家，这些厂大部分集中在江苏、浙江、 上海、山东等地，仅江苏一地，印染机械制造企业就高达8 0 家。一个地区印染行 业做得大，则该地区的印染机械就发展得快，机械制造厂就多。在探边装置方面， 制造企业主要集中在江苏和上海。 1 2 2 探边仪的发展状况 1 接触式探边仪 二十世纪五十年代后期出现第一代探边装置是机械探边，传感器形式采用的 是触杆加微动开关，紧接着六十年代出现了光电探边，光电探边的传感器形式采 用的是触杆加光电开关，他们的控制特性都是三态式，见图1 1 ，执行机构采用丝 杆丝母，这种装置定位精度差，响应速度慢，故障发生率高。 2 无接触光电探边仪 为了克服机械触点式探边仪反应速度慢、精度差及故障率高等缺点，到了二 十世纪七十年代出现了无接触式光电探边仪。此类仪器一般采用间接光电式检测 头，控制特性是直线型见图1 2 ，采用全部无触点化，从而消除了老式机械触点式 硕士学位论文 探边器反应走速慢、精度差、易出故障等特点，同时还克服了一般检测头存在的 适应范围小、抗干扰能力差、容易损坏等缺点。因而从根本上保证了整机的高性 能和高可靠性。具有反应速度快、工作稳定、可靠性高的优点。适用于定型机、 拉幅机、丝光机等印染设备。 ji 电机转速 厂 j 布边位置 j 电机转速 _ 布边位 - _ _ _ j ， j 电机转速 厂一 厂 布边1 _ _ 一 图1 1 三态式图1 2 直线型图1 。3 函数型 3 红外探边仪 上面几代探边设备，不能检测布边偏差的程度，必然存在较大的动作死区， 引起较大的动态和静念误差，所以不能适应进布速度变化场合。二十世纪八十年 代后期出现了红外探边仪，它的传感器形式采用红外线探测，控制特性为函数型 见图1 3 。执行机构为行星机构加齿轮齿条。整个装置采用调制传感技术，能不接 触，无损伤检测各种织物，因此它具有传统的机械、光电探边无法比拟的优点， 在抗干扰能力和灵敏度方面远超过光电和机械式探边装置。对于织物的颜色和厚 薄无要求，调速性能好、速比高、响应快、传动精度高、上针效果好、变频调速、 故障自诊断、易维护圆。 4 基于交流伺服电机的红外光电探边仪 红外探边虽然具有良好的跟踪特性，主要电气技术指标都已能满足定型机的 要求，但仍存在不足之处。红外探边同前三代探边一样都属于直流控制，直流控 制方案采用模拟电路比较容易实现，但存在调试困难、稳定性差等缺点。 随着伺服系统的广泛应用，很多对位置控制要求严格的场合都采用伺服技术 来提高设备的性能和满足高精度控制的要求。上代红外探边仪的执行机构采用的 是变频调速，变频最早只是用来调速，并不用来完成精确定位跟踪的工作，伺服 本身的功能就是精确快速定位跟踪，变频器一般做不到这个效果；伺服的响应速 度远远大于变频，能用变频控制的运动的场合几乎都能用伺服取代。本课题就是 采用伺服电机作为执行机构设计的红外光电探边仪，它的主要特点是：首先能满 足需要高精度定位的场合；其次跟踪速度快，当检测到有偏移时，能立即做出反 应；还有就是可靠性高，调节方便，支持手动自动调节。红外光电探边仪不仅应 用于纺织机械行业，还可以应用于其它任何需要探边的场合m 。 红外光电探边控制系统的设计与实现 1 3 课题来源及意义 本课题来源于唯罗克纺织印染有限公司之项目“红外光电探边电控系统的设 计”，该公司在国内外印染机械行业是颇有影响的。由于探边仪在印染机械后续 处理设备的重要作用，为了提高的生产质量，降低生产成本，提高我国印染机械 的市场竞争力，就需要一种探边精度高、跟踪速度快的红外光电探边仪来控制布 边的偏移，从而促进生产的发展。本论文所作的研究就是应唯罗克纺织印染有限 公司要求，为设计、试制新一代的机电一体化探边装置作充分的准备。 本课题采用m c u 作为专用控制系统，交流伺服电机作为执行机构而研究的红 外光电探边系统，不仅可以解决前面几代探边系统的故障率高、抗干能力低、跟 踪速度慢和精度低的问题，提高设备的性能、可靠性，满足高精度控制的要求， 而且还可以大大增加设备的一体化、自动化、自动监测与控制。 1 4 本文的主要研究内容 本课题研究的目的是研究一种采用伺服电机作为执行机构的红外探边仪系 统，要求可靠性高、执行速度快，精度高、抗干扰力强。针对这一目标，总结了 当前红外探边仪经常采用的控制方法以及执行电机的驱动技术和操作模式，研究 和开发了红外光电探边仪的整个实现方案，红外探边仪中探测头采用由红外发射 接收对管构成的主动发光红外传感器，这样减少了外界可见光干扰；控制器件采 用m c u 控制模块，集成过压、过流、过热、短路保护功能，进一步提高可靠性； 执行机构采用伺服电机，伺服的基本概念是准确、精确、快速定位；采用抗干扰 算法来提高红外探测头的容错性能。 本文的结构和主要内容安排如下： 第一章，绪论。简要介绍了论文背景、红外探边仪的功能、原理、应用情况， 主要介绍了当前的发展现状，从而引出本文的研究目的，意义和内容安排。 第二章，红外探边的控制机构以及执行机构研究。研究了当前红外探边仪常 用的一些控制机构以及执行机构；讨论了整机系统中用到的一些关键技术，描述 了红外探边仪的系统结构，提出了硬件以及软件方案。 第三章，红外光电探边的硬件设计以及实现。根据系统主要技术指标和功能 要求，重点介绍了红外探测头的设计以及整个电路信号的处理，整个系统分为五 个模块，给出各个模块的硬件设计与实现。 第四章，红外光电探边的软件设计以及实现。分析了红外探边仪的发展以及 要求，给出系统软件的几大重点功能一数据采集、伺服电机控制、抗干扰函数的 具体算法思想与流程、软件代码实现。 第五章，系统调试与测试结果。控制软件采用c 语言编程，编程环境为k e i l u v i s i o n 3 ，对整个系统进行了联调和测试，给出了调试结果并对调试结论进行了分析。 硕士学位论文 证明系统的主要技术参数均达到或优于设计指标，系统运行稳定可靠，达到了预 期的设计目标。 最后，对本文研究工作进行总结与展望。 红外光电探边控制系统的设计与实现 第2 章红外光电探边系统技术基础和总体设计 2 1 系统技术指标以及理论基础 2 1 1 系统技术指标 当前对纺织品的加工要求越来越高，对定型机的工作效率要求也越来越高， 所以对探边仪的要求也越来越高。除了保证良好的跟踪特性之外，还要求更快的 响应速度及更大的驱动力；高可靠性，长寿命，低能耗也是追求的目标。 在本设计里，红外探边装置要求整体设计简洁可靠、抗干扰能力强、简化操 作模式的l e d 显示，方便调节的手动自动模式，m c u 控制的伺服电机带动减速 机构以及齿轮齿条调整布边偏移，该装置具有探边精度高、响应速度快、运行稳 定性好、输出力矩大、动态特性强等特点，可同任何型号的热定型机，拉幅机配 套，也可以对任何型号的老式定型机拉幅机进行技术改造。 根据系统的设计思想和性能要求，并参考部分国内外厂商产品性能标准，制 定了本项目的红外光电探边仪的技术指标，如下所示： 1 系统特性 ( 1 ) 定位精度：1 m m ( 2 ) 允许最高布速：1 2 0 m m i n ( 3 ) 响应速度：1 8 0 m i i l s ( 4 ) 驱动力：3 5 0 0 n ( 5 ) 控制特性：指数规律 2 红外传感器 ( 1 ) 工作方式：不接触数字式+ l e d 显示织物位置 ( 2 ) 比例控制范围：t 6 m m ( 3 ) 工作电源：1 2 v 3 驱动器 ( 1 ) 额定电压：三相2 2 0 v a c ( 2 ) 额定功率：4 0 0 w ( 3 ) 容许频率变动率：5 0 6 0 h z 士5 ( 4 ) 环境温度：o o c 4 5 0 c ( 5 ) 湿度：9 0 r h 以下( 无结露) ( 6 ) 防护等级：i p 2 0 ( 7 ) 保护功能：过电流过电压、电压不足、磁场位置异常、过负荷、速度误 硕士学位论文 差过大、位置误差过大、检出器异常、通讯异常、存储器异常 4 伺服马达 ( 1 ) 额定转速：3 0 0 0 r p m ( 2 ) 额定功率：4 0 0 w ( 3 ) 额定电流：2 a ( 4 ) 环境温度：o o c 4 0 0 c ( 5 ) 湿度：2 0 9 0 r h 以下( 无结露) ( 6 ) 防护等级：i p 6 5 2 1 2 红外探测头以及控制系统技术 根据控制方式的不同，探边系统可采取的探测方法也有多种方式。我国纺织 机械发展过程中，探测头也经历了好几代的发展，比较合理的探测控制方式要做 到以下几点：可靠性好、探测精度高、反应灵敏、调整迅速。下面对几种最常见 的探测方式进行分析。 1 传统探测头 二十世纪五六十年代采用接触式探测头，这种装置定位精度差、响应速度慢、 故障发生率高，且容易损坏布匹质量：七八十年代出现了间接光电式探测头，典 型的检测头电路由光电转换器与逻辑电路等组成，信号通道分为“内 、 “外 两个通道，它们全部( 探杆除外) 安装在原检测头内，检测头线路与控制柜相连。 其工作原理：光电转换器由h 2 2 a 2 槽形光耦和c d 4 0 0 0 集成电路组成，当织物边 发生位移时，挡光板挡住光耦，逻辑电路判别为内移信号，控制光隔电位使脉冲 信号输出，反侧也一样。挡光板处于中间位置时，逻辑电路判别没有位移信号输 出，就执行电子制动。可见，织物位移是通过机械机构的传递而在光电转换器上 检测出，这种方式具有故障率低、可靠性好等特点。 2 红外探测头 传统的红外探测头能调整布边偏移，但是控制精度相当的低，典型的无接触 式红外探测头结构示意见图2 1 ，图中1 、2 及3 、4 为两对红外发射、接收对管， 5 、6 为两片部分重叠的金属挡片，7 为金属挡片及探测杆的连接紧固螺钉，8 为 织物边沿探测杆，9 为轴孔。当织物边沿处于基准位置时，挡片5 、6 处于两对红 外发射、接收管中间位置，发射管1 、2 发出的红外线分别被接收管3 、4 接收。 当织物边沿偏离基准位置产生位移时，探测杆随织物边沿作偏转运动带动挡片偏 转，当织物边沿向一侧位移超过一定量时，挡片会挡住一只红外发射管发出的红 外线。反之挡片挡住另一只红外发射管发出的红外线。因此，不论织物边沿向哪 一侧位移超过一定量时，其相应的红外接收管均能感知织物边沿的位移情况。调 红外光电探边控制系统的设计与实现 节5 、6 的重叠部分尺寸，即可改变挡片的有效宽度，从而改变控制精度。此探测 头比传统探测头在精度上提高了一个档次，且可靠性、故障率也都得到很大的改 善。 6 硝 l ，2 ，3 ，4 为红外发射；5 ，6 为金属档片；7 为连接紧周螺钉；8 为探测杆；9 为轴孔 图2 1 探测头结构图 3 红外光电探测头 现代探边装置的探测头基本都采用红外光电系列，其设计的主要目的是在前 几代探边系统的基础上使探边精度以及可靠性得到进一步提高。一般采用红外发 射和接收传感器，即设计若干个发射管和若干个接收管，红外发射管向布匹发射 红外光，布反射的红外光被正对着的红外接收管检测到( 接收管和布位置很近，一 般装在导光孔中，因而只有布正上方的接收管才能接收到反射光，而旁边正下方 没有布的接收管则接收不到反射光) ，接收管接收的信号经滤波、放大、比较电路 后变为0 或1 的数字信号，再经过抗干扰函数等处理，将其反映的偏差信号转换 为执行机构的给定信号，执行机构再予以调整布边偏移。本设计采用四个发射管 和十个接收管并排交错的放置，具体设计见3 2 2 。 2 1 3 执行机构技术及其应用 红外探边仪经历了好几个阶段的发展，在执行机构上即体现在电机的调速系 统。 1 直流电动机 早期的一些装置里，执行机构一般采用进口的直流电机调速系统，直流电动 机因其特殊功能保证了p ( 磁通量，与励磁电流矿有关) 和如( 电枢电流，与负载大 小有关) 的正交关系，故可近似认为夹角刃= 9 0 。不变，则转矩产c 聊木少嘞，例如： 让口不变，转矩丁仅和砌电枢电流成正比。控制过程中转矩能迅速响应电流的变 化，转矩控制和调节十分方便，因此直流调速具有控制简单、起动转矩大、调速 性能好等优点。但是由于存在机械换向器即换向电路不可靠，且直流电机需要较 多的维护，运行火花使它的应用环境受到了限制，高速运行和大容量电机的设计、 硕士学位论文 制造都受到了机械换向器的限制，相对步进电机而言，不利于工作在恶劣工作环 境中等缺点。 2 变频电机和交流伺服电机 目前随着矢量控制技术的发展，各企业推出的纺机新产品几乎毫无例外地推 广应用交流异步电机变频调速技术和交流伺服电机控制技术，成为纺织机械设备 运用的部件，逐步取代步进电机和直流电机。 在探边装置里，变频电机作为执行机构能满足一般的应用要求，但是对控制 精度要求非常高的情况下，一般采用伺服控制技术。近来，由于矢量调速理论取 得突破性进展，加上永磁式同步交流电机出现，交流电机固有的结构简单、驱动 功率大、可靠性高、动态响应好的优势得到充分发挥，而且交流伺服装置的速度 环、位置环和力矩环都实现了数字化，使交流伺服装置的技术性能和可靠性得到 进一步提高，全数字的交流伺服已广泛应用到自动控制的各个领域附1 。 下面对于这两种目前在红外探边中运用的电机作以下简单对比。 ( 1 ) 伺服是一个闭环控制系统，而变频器通常工作于开环控制，所以无论从 速度还是精度上，变频器都无法和伺服相比。其实变频只是伺服的一个部分，伺 服在变频的基础上进行闭环的精确控制从而达到更理想的效果。 ( 2 ) 变频器只是一个v f 转换器，用于控制电机的一个器件，主要控制电机 的转速。伺服是既可以控制速度，又可以控制位置、移动量、力距、定位，从而 达到精确、稳定，不会因变频而产生死机。伺服不仅能达到以上的功能，而且由 于是一个闭环的系统，避免如变频器产生的辐射。变频器在变频过程中还会产生 大量热量，造成温度的提高与噪音，而伺服系统是不会产生这样的后果，所以说 伺服系统的达到的效果是变频电机无法比拟的。 ( 3 ) 伺服电机都是同步电机，其转子转速就是电机的实际转速，不存在速度 差，而变频器控制对象是异步电机，其实际转速跟转子转速存在着转差，所以它 本身电机在速度就不是很稳定。 ( 4 ) 伺服的基本概念是准确、精确、快速定位。变频仅仅是伺服控制的一个 必须的内部环节，伺服驱动器中同样存在变频( 要进行无级调速) 。但伺服将电流 环、速度环或者位置环都闭合进行控制，这是很大的区别。除此外，伺服电机的 构造与普通电机是有区别的，满足了快速响应和准确定位。所谓伺服就是要满足 准确、精确、快速定位，所以往往只有高端的产品才采用伺服系统。 变频最早只是用来调速，无论同步还是异步电机都可以用，并不用来完成精 确定位跟踪的工作，伺服本身的功能就是精确快速定位跟踪，变频器一般做不到 这个效果。在纺织设备上应用交流伺服技术是为了提高设备的性能，满足高精度 控制的要求。 由于变频器和伺服在性能和功能上的不同，所以应用也不大相同。 红外光电探边控制系统的设计与实现 ( 1 ) 在速度控制和力矩控制要求不是很高的一切场合一般用变频器，也有在 上位加位置反馈信号构成闭环用变频进行位置控制的，精度和响应都不高。现有 些变频器也接受脉冲序列信号来控制速度，但直接控制位置不准确。 ( 2 ) 在有严格位置控制要求的场合中只能用伺服来实现，还有就是伺服的响 应速度远远大于变频，有些对速度的精度和响应要求高的场合也用伺服控制，能 用变频控制的运动的场合几乎都能用伺服取代，在价格方面尽管伺服高于变频， 但是随着伺服电机的发展和普遍应用，基于伺服的各种产品性价比得到了大大的 提高n 0 1 u 。 3 伺服电机运行机理 交流伺服电机原理：三相永磁同步伺服电动机是目前应用最多的高性能交流 伺服电动机。从结构上其定子有齿槽，内有三相绕组，形状与普通感应电动机定 子相同，但它的转子用强抗退磁的永久磁铁构成，以此形成励磁磁通。因此，这 种电动机无需励磁电源，效率高n 羽。表2 1 给出正弦波型三相永磁同步伺服电动 机特性。 表2 1 正弦波型三相永磁同步伺服电动机特性 电动机每相 每相电流波形转矩特点 励磁磁通分布 正弦波状 正弦波状 二i 二m 。 ( 1 ) 转矩波动小； ( 2 ) 可用相位补偿 巾 j 坂= 3 2k 幸西l 中，电流控制滞后： 厂、 j v：! ：k 一常数，鼍垂一转矩 ( 3 ) 需磁极传感器； 常数 ( 4 ) 电流控制复杂。 正弦波型三相永磁同步伺服电动机，其转矩均与磁通西和每相电流幅值l 。乘 积成正比。咖由永磁铁产生，西基本不变，于是转矩仅与每相电流幅值l 成正比。 实际运行中，西以转子速度旋转，所以，必须控制痧与定子电流矢量正交才能真 正得到表2 1 所列的转矩表达式，这就是三相永磁同步伺服电机最基本的控制原 理。 在他励直流电动机中，励磁磁场和电枢磁通势间的空间角度由电刷和机械换 向器所固定，通常情况下，两者正交，通过调节电枢电流就可以直接控制转矩。 而在同步永磁电动机中，励磁磁场与电枢磁通势间的空间角度不是固定的，它随 负载而变化，负载的变化使电枢电流改变，这将引起磁场间复杂的作用关系。因 此，不能简单地通过调节电枢电流来直接控制电磁转矩。倘若通过电动机外的控 制系统，即通过外部条件能对电枢磁通势相对励磁磁场进行空间定向控制，就可 以直接控制二者间的空间角度，将此称为磁场的“角度控制。若对电枢电流的 硕士学位论文 幅值也能直接控制，就可将永磁同步电动机模拟为一台他励直流电动机，可以获 得与直流电动机同样的调速性能。由于既需要控制定子电流空间向量的相位，又 需要控制其幅值，所以称为矢量控制。交流伺服驱动器正是根据矢量控制算法得 出各项电流矢量，通过p w m 电路输出给伺服电机，从而得到精确的控制n ”司。 4 伺服电机控制结构 目前，国际上一些知名公司纷纷生产全数字式交流伺服电机，例如：日本的 三菱、信浓株式会社、松下公司、台湾台达等，本文采用台湾台达公司生产的 a s d a b 系列中惯量电机及驱动器为例。 a s d a b 系列为一开放型( o p e ns t y l e ) 伺服驱动器，驱动器利用精密的回授控 制与结合高速运算能力的数字信号处理器( d i g i t a ls i g n a lp r o c e s s o r ，d s p ) ，控制 i g b t 产生精确电流输出，用来驱动三相永磁式同步交流伺服马达( p m s m ) 达到精 确定位n7 圳。 图2 2 伺服电机原理丝吉构图 a s d a b 系列伺服电机原理结构图见图2 2 。图中c n l ，c n 2 ，c n 3 为三个 连接端子，其中c n l 是了更有弹性与上位控制器互相沟通，伺服驱动器提供可任 意规划的个6 个数字输入接点与3 个数字输出接点。除此之外，还提供差动输出 红外光电探边控制系统的设计与实现 的编码器a + ，a ，b + ，b ，z + ，z 信号接点，模拟转矩命令输入和模拟速度命 令输入的控制接点，与z 相输出信号开集极和差动接线方式；c n 2 为与马达编码 器信号接线端子；c n 3 是通讯信号接线，可与计算机相连或者和控制系统进行通 信。 2 2 红外光电探边系统总体设计方案 2 2 1 红外光电探边仪总体结构 整个红外探边仪系统是一个位置跟踪系统，系统结构原理图见图2 3 。布匹在 流水线上高速运动，在运动中，可能会造成位置的偏差，这样会对后续工序产生 影响。系统采用一组红外发射和接收对管器件，红外发光管向布发射红外光，布 反射的红外光被正对着的红外接收管检测到，由于接收管和布位置很近，而且装 在导光孔中，因而只有布正上方的接收管才能接收到反射光，而旁边正下方没有 布的接收管则接收不到反射光。当流水线上的布有偏差时，红外探头将探测到布 边的偏差信号，经过内部电路处理后，输出与其偏差位置相对应的偏差信号，根 据伺服电机的调节方式，主控系统将偏差信号转换为系统调节的给定信号，控制 系统输出量作为伺服调速驱动系统的输入，驱动摆线针轮减速电机，用齿轮作为 连接件驱动摆臂，使布边向减小误差的方向运动，最终达到平衡，完成整个纠偏 过程伊翻。 系统设有左限位和右限位，由主控系统通过查询方式采集系统状态，在查询 处理过程中，只需将转速信息采样值置换为正常状态，即可实现快速停机功能。 手动和自动跟踪也是采样开关值，开关值为o 时，系统设为手动状态；为1 时， 系统设为自动状态。手动跟踪优先级要高，便于整体偏移时，靠手动开关命令将 布匹调整到中心位置。 图2 3 红外光电探边系统原理图 整个系统主要由三部分组成，第一部分是红外探测头以及控制系统，此部分 市场上有很多集成式的器件可选择，例如：数位式红外线电眼f r 5 0 ，其量测精度 高、量测范围大，而且防护等级达到了i p 6 5 ，主要应用在有图案或强烈对比色的 布料、非常透光或仅2 反射效果的布料，但是价格也极其的昂贵，在满足本设 计要求的情况下，本系统选择自制红外发射接收器以及整个控制系统：第二部分 硕士学位论文 是执行机构，由于伺服系统的普遍运用，以及它的跟踪速度快、精度高等优点， 选用交流伺服电机作为执行机构。伺服系统有多种方式来实现布边的偏移，可以 通过调试或根据实际情况选取最佳方案；第三部分是系统控制硬件软件设计，占 了本论文相当一部分工作量。 2 2 2 系统硬件设计方案 在本设计里面，同前面几代设计一样，追求的主要目标是：更高的精度、更 快的响应速度、更强的抗干扰能力、更高可靠的稳定性。硬件总体设计里红外探 测头的设计是重点，通过探测头发射红外光自动监测布的偏移，获得系统各种运 行数据和状态，并根据所获得的数据和状态实时进行处理、告警和控制，如果采 取速度模式下的通信方式，则系统通过r s 4 8 5 串口和伺服电机的通信实现系统 的自动管理。 根据前面几代探边仪的设计以及近代探边仪的发展和要求，采取模块化的思 想，将系统划分成功能上彼此独立的模块，整个系统可分为红外光发射和接收模 块、伺服电机控制模块、l e d 显示以及键盘显示模块、串行通信模块、稳压电源 和实时时钟五部分，硬件模块见图2 4 。 图2 4 硬件模块图 1 红外光发射和接收模块 研究并总结当前红外探测头常用的设计方法，从可靠性、适用性以及高精度 要求出发，就具体的实现方案进行了概括。设计了四个红外发射二级管和十个红 外接收二级管，加强了红外探头的处理部分电路，包括滤波、放大和比较电路， 并在处理器部分增加了数字滤波处理。将探测到的信号经过调理送给m c u 处理。 2 伺服电机控制模块 对伺服电机的机构以及常用的一些控制方法进行了总结与分析，选取比较适 用于红外探边仪系统的控制方法和输入输出控制信号线。其主要功能是和m c u 通信，接收m c u 的控制信号，完成布边偏移调整。 3 u d 显示和键盘模块 红外光电探边控制系统的设计与实现 l 王d 以及键盘显示模块的主要作用是： ( 1 ) l e d 显示灯实时反映布边的偏移状态和伺服电机的故障警报，供现场工 作人员来手动调整布边偏移或者对状态的分析； ( 2 ) 通过键盘模块可以人为修改的系统参数传送给m c u ，以便m c u 判断并 实时修正运行参数，保证系统正常运转。例如：在手动模式下，根据l e d 显示， 可以手动调整布边偏移，增加了调节灵活性。键盘显示模块上了设置三个按键开 关，为手动自动选择开关、出现紧急情况的停止开关、左转右转开关。 l e d 显示以及键盘显示模块主要是配合m c u 与伺服的串口通信，共同实现 红外光电探边系统的人机交互功能。 4 串行通信模块 串行通信模块更加简便实现了m c u 和伺服电机的数据通信，本系统中选用 了m a x i m 公司的m a x 3 0 8 2 芯片来实现u a r t 电平与r s 4 8 5 差分电平的转换。 r s 4 8 5 通信单元的收、发信号，控制信号直接由m c u 输出，通过双绞线将伺服 电机和m c u 连接起来实现其通信。 5 稳压电源和实时时钟 详细设计见第三章。 2 2 3 系统软件设计方案 硬件是系统