（控制科学与工程专业论文）开关磁阻电动机在织机传动系统中的应用.pdf

学位论文的主要创新点 i l l l l l l f i i l l l i j l lr l i i i f l f l l l f l l l f f j l l l i l l l l l l l 舢 ! y 18 7 9111 1 i i i i 。 一、研究了织机的国内外现状以及其五大运动，重点对织机的送经、 卷取运动作了较深入的分析。 二、对开关磁阻电动机基于d s p 2 8 1 2 控制的软硬件进行了设计，对开 关磁阻电动机采用双闭环( 速度环和电流环) 的控制方法进行了验证。 三、设计了两套独立的开关磁阻电机控制系统，实现了二者的良好 s p i 通讯，进而完成对织机电子送经、卷取运动的驱动。 摘要 自动化水平的提高和电子技术的进步推动了织机的进一步发展。其中，送经 和卷取作为织机传动系统中两个重要的组成部分，也有了长足的改进。本着恒张 力控制的原则，为了使系统张力控制更加精密以及减少= 者传动之间的干扰，本 文设计了基于开关磁阻电机( s i 泓) 的电子送经、卷取系统，并且采用了两套独 立的s r m 驱动系统分别作为二者的驱动源。 开关磁阻电机作为一种较新型的电机，采用双凸极结构，定子有绕组而转子 无绕组，它遵循磁路总足沿着磁阻最小路径闭合的原理工作。通过切换定予绕组 通电顺序来控制电机的转速和转向，其结构简单、控制参数多、调速范围宽等都 凸显了它固有的优越性，因而将其用于织机的送经和卷取运动动成为一种町能。 本文在前人的基础上设计和完善了电子送经、卷取的控制系统，采用两块 d s p ( t m s 3 2 0 f 2 8 1 2 ) 作为控制核心，通过s p i 完成二者的通讯，实现送经和卷 取关系的换算。具体做了以下几个工作： ( 1 ) 阐述s r 电机及织机的工作原理； ( 2 ) 研究了s r 电机用于织机送经、卷取的理论基础； ( 3 ) 采用双闭环控制策略控制s r 电机，设计了s r 电机调速系统的相关硬 件和软件； ( 4 ) 对现有的实验设备进行了相关的实验，验证了s r 电机的优越性。 关键词：开关磁阻电机，织机，送经。卷取，d s p a b s t r a c t t h er a i s i n go fa u t o m a t i o na n de l e c t r o n i c t e c h n o l o g yp r o m o t e st h ef u r t h e r d e v e l o p m e n to ft h el o o m s a n da st w oi m p o r t a n tc o m p o n e n t so ft h el o o md r i v e s y s t e m ，t h el e t o f fa n dt a k e - u pa l s om a k eg r e a ti m p r o v e m e n t s a c c o r d i n gt ot h et h e p r i n c i p l eo fc o n s t a n tt e n s i o nc o n t r o l ，t h ee l e c t r o n i cl e t - o f fa n dt a k e - u ps y s t e mb a s e d o nt h es w i t c h e dr e l u c t a n c em o t o r ( s r m ) i sp r o p o s e di nt h i sp a p e rt om a k et h et e n s i o n c o n t r o ls y s t e mm o r es o p h i s t i c a t e da n dr e d u c ei n t e r f e r e n c eb e t w e e nt h et w od r i v e s m o r e o v e r , t w oi n d e p e n d e n ts e t so fs r md r i v es y s t e ma r ea d o p t e dt od r i v et h e e l e c t r o n i cl e t - o f fa n dt a k e - u ps y s t e mr e s p e c t i v e l y a san e wt y p eo fm o t o rh a sm a n ya d v a n t a g e s ，s r mh a sd o u b l ys a l i e n ts t a t o ra n d r o t o rs t r u c t u r e t h e r ei sw i n d i n g so ns t a t o rb u tn oo nr o t o r , t h ep r i n c i p l eo f t h ew o r ki s t h a tt h em a g n e t i cc i r c u i ta l w a y sf o l l o w sa l o n gt h ep a t ho fl e a s tr e l u c t a n c et oc l o s e b y s w i t c h i n gt h es t a t o rw i n d i n g si no r d e rt oc o n t r o lt h em o t o rp o w e rs p e e da n ds t e e r i n g i t ss i m p l es t r u c t u r e c o n t r o lp a r a m e t e r sa n dn l o f ew i d es p e e dr a n g ea n ds oi t h i g h l i g h t st h ei n h e r e n ts u p e r i o r i t y s oi ti sp o s s i b l et ob eu s e do nt h et h ee l e c t r o n i c l e t - o f fa n dt a k e - u ps y s t e mo ft h el o o m b a s e do np r e v i o u sd e s i g n s ，t h ee l e c t r o n i cl e t - o f fa n dt a k e - u pc o n t r o ls y s t e mi s d e s i g n e da n di m p r o v e di n t h i sp a p e r , i tu s e st w od s p ( t m s 3 2 0 f 2 812 ) 笛t h ec o n t r o l c o na n da c h i e v e st h ec o n v e r s i o nb e t w e e nl e t - o f fa n dt a k e - u ps y s t e mw i t ht h eh e l po f s p i t h em a i nw o r kh a sb e e nd o n e 雒f o l l o w i n g s ： ( 1 ) d i s c u s si nd e t a i lt h ew o r k i n gp r i n c i p l eo f t h es r ma n dt h el o o m ； ( 2 ) a n a l y s i st h ef e a s i b i l i t yo ft h es r mb e i n gu s e df o rm a i nd r i v ei nl o o m ； ( 3 ) s t u d yd o u b l ec l o s e d - l o o pc o n t r o ls t r a t e g yo fs rm o t o r , d e s i g nt h eh a r d w a r e a n ds o f t w a r eo ft h ec o n t r o ls y s t e m ； ( 4 ) d os o m ee x p e r i m e n t st ov e r i f yt h es u p e r i o r i t yo ft h es rm o t o r ； k e yw o r d s ：s w i t c h e dr e l u c t a n c em o t o r ；l o o m s ；l e t - o f f ；t a k e - u p ；d s p ， 目录 第一章绪论1 1 1 无梭织机阑内外发展现状l 1 1 1 剑杆织机1 1 1 2 喷气织机1 1 1 3 喷水织机2 1 2 无梭织机所禽临的困境3 1 3 开关磁阻电机及其应用于织机的日了行性3 第二章无梭织机的的织造原理及传动系统7 2 1 无梭织机的1 二作原理7 2 1 1 开口运动7 2 1 2 引纬运动8 2 1 3 打纬运动8 2 1 4 送经运动9 2 1 5 卷取运动9 2 2 无梭织机的电子送经和电子卷取1 0 2 2 1 电子送经机构1 0 2 2 2 电子卷取机构1 l 2 3 无梭织机传动系统的类型1 2 2 3 1 直接式传动系统1 2 2 3 2 间接式传动系统1 2 2 4 本章小结1 3 第三章开关磁阻电机应用于无梭织机传动系统1 5 3 1 开关磁阻电机1 5 3 1 1 开关磁阻电机驱动系统的基本构成1 5 3 1 2 开关磁阻电机的基本结构和蹶理1 6 3 1 3 开关磁阻电机的转矩分析和转速分析2 0 3 2 开关磁阻电机驱动系统的特点2 2 3 3 无梭织机主轴的驱动对电机的要求2 3 3 4 织机打纬机构的运行方式2 3 3 5 开关磁阻电机应用于织机主轴传动系统的优势及町行性2 6 3 6 本章小结2 6 第四章s r m 应用于织机卷绕控制的理论基础2 7 4 1 基本原理分析2 7 4 2 数学模型的建立2 8 4 。2 1 恒张力形成的模型2 8 4 2 2 卷径计算模型2 9 第五章卷绕控制系统硬件设计3 3 5 1 整体系统的构建原理3 3 5 2 主控单元d s p 介绍3 4 5 2 1 主控芯片t m s 3 2 0 f 2 8 1 2 简介3 4 5 2 2j t a g 下载模块简介3 9 5 2 3s p i 模块简介3 9 5 2 4a d 模块简介4 0 5 3 功率驱动单元设计4 l 5 4 位置检测单元设汁4 2 5 4 本章小结4 4 第六章卷绕系统软件设计4 5 6 1 主程序4 5 6 2s y s i n i t 系统初始化4 6 6 3g p i o 扔始化4 7 6 4e v a 初始化程序4 7 6 5s p i 初始化4 8 6 6c a p 中断子程序4 9 6 7a d 初始化及a d 中断子程序5 0 6 8 转速计算子程序5 l 6 9p i d 控制子程序5 3 第七章展望与总结5 5 参考文献5 7 发表论文和参加科研情况说明6 0 致谢6 1 械的 技的 性等 等相 1 1 应性 剑杆 比利 机驱 电机 两且 天马 机等 织机 公司 2 0 0 0 1 1 低噪 应用 简单 捻纱 简单 天津_ 丁业人学顾l j 学位论文 织机之一。现在，许多高新技术被应用于喷气织机：如采用电子经停、纬 停装置，以保证及时关车；织机设嚣有实时监控装簧，监测纬纱飞行状态、 经纱的张力、机件的运行实况等，发现有异常，立即关车；采用多种措施 来防止开车稀密路，比如人工设定开车位置，改变主电机接线方法，开车 时抬高后梁，开车瞬间织口位置自动调整，以保证织物的质量。国内外企 业还开始了对共轭凸轮打纬、积极式开口喷气织机以及与其配套的高速电 子多臀机的歼发与研制，以提高喷气织机的运行速度和生产效率。围外主 要代表机型有：比利时毕加诺的o m n i 型喷气织机、日本丰田公司的j a t 6 1 0 系列喷气织机、目本津田驹z a 2 0 9 i 2 8 0 、z a 2 0 3 2 8 0 、意大利舒美 特天鹰喷气织饥等：围产的有咸阳织机制造公司的g a x 型、中园纺织机械 股份有限公司的g a 7 1 8 型、苏州纺织机械有限公司的a s g a 7 0 l 型喷气织 机等。 1 1 3 喷水织机 喷水织机也足当前纺织企业运用较多的一种高速度、高效率的无梭织 机。喷水织机采用水为作为弓| 纬介质，以喷射水流对纬纱产生摩擦牵引力， 把固定在筒子上的纬纱引入梭口。由于水射流的集束性比空气好得多，喷 水织机上不用任何防止水流扩散装置，即使这样筘幅也可达到2 米多，喷 水织机的机器速度和入纬率一直处于领先水平。喷水织机是通过喷水产生 的射流来达到引纬的目的，与喷气织机相比，其射流具有更高的集束性、 更大的驱动力，噪音也较低，所以喷水引纬具有适应高速运转和能量消耗 少的优点。水作为喷水织机的引纬介质，它具有体积小、质量轻、所需梭 口的高度小、筘座的打纬动程短等优点，这为织机的高速度、宽筘幅、低 噪音提供了可能性。现在，喷水织机不仅引纬厥理和装置先进，其他机构和 装置也都有了很大的发展，自动化程度很高，如自动找纬装嚣、自动处理 断纬装置等。在喷水织机上，电动技术、微机技术应用很普遍，如电子多 臂、电子送经、电子卷取和电子选色等。在很多机型上实现了机、电、液的 一体化，它们即适应了高速织造的要求，也提高了产品质量和劳动生产率。 现在多数喷水织机上配有两种喷嘴，可以织两种差异较大的纬丝。电脑四 色任意选纬在喷水织机上也有应用，扩大了品种适应范围。喷水织机的运 转速度足所有织机中最高的，在合纤长丝和湿水性纱线的织造上具有很强 的竞争力。但喷水织机对原料的要求和织物幅宽的提高足喷水织机发展的 制约因素，人们想把更多的喷气织造技术移植到喷水织机上来。当前，从 技术的先进性和市场的实际上来看，喷水织机竞争力领先的依然是日产喷 第一章绪论 水织机系列。韩国双龙喷水织机也开始进入我囡市场。国产的喷水织机只 要有：有沈阳宏大纺织机械有限公司的g d 7 6 8 型和g d 7 6 7 i h 型喷水织机、 杭州引舂机械股份有限公司推出的j w - 8 6 1 系列新型高速、超能水喷水织机 以及青岛允春机械有限公司的j w 9 2 l 型喷水织机等。 从困内外无梭织机技术发展来看，在智能化、机电一体化、网络化、 系歹i 化、高町靠性、高效应性、速度等技术上都发生了巨大变化。国产无 梭织机跟踪阁外先进技术，通过技术的移植和二次开发，初步形成了产业 链，产品成本火幅下降，技术性能有所提高。重点解决的技术问题是各运 动机构实现机电一体化，例如：电子送经、电子卷取、选纬系统、引纬系 统和机电一体化等；解决国产的电子多臂、电子提花装嚣、电子储纬器、 电子选纬器等关键配套件的高速适应性等。 1 。2 无梭织机所面临的困境 无梭织机的传动一般都采用高转矩三相交流电动机驱动，三角皮带和 离合器来传动主轴和其它机构，变速时需要更换皮带轮，停车时需要采用 制动装置。传统织机主传动系统中，离合器和刹车片容易磨损，皮带打滑， 会使起停性能逐渐变差，还需要定时更换维修。另外，织机使用交流异步 电动机，只能更换皮带轮来实现有级调速。当织机慢速寻纬时，还需要专 配一台小电机带动相关机构完成寻纬，增加了机械复杂程度，也增加了维 护难度。中低档挠性佥| i 杆织机的电控系统一般都采用电子元件或者集成线 路板弓继电器组成电控系统。织机停车故障的引入信号主要是断经和断纬， 由压电陶瓷传感器引入纬纱信号为连续模拟小信号，而上述电控系统是继 电器实现的是逻辑控制，不能对该模拟量进行有效的运算处理。现场控制 中，电网电雎波动、机器振动等许多的干扰因素，会使断纬电信号的检测 失误，造成织机的无故停车，直接影响织造质量和机器效率【2 1 。 1 3 开关磁阻电机及其应用于织机的可行性 磁阻电机大约诞生于一个半世纪前，1 8 4 2 年，英国的a b e r d e e n 和 d a v i d s o n 、构建了开关磁阻电动机的雏形，但是因为电路中没有释放回馈能 量的续流二极管，造成电路的断开伴有周期性的电火花，还因为使用的足 机械开关，因此控制精度不够，电动机的运行特性非常差，使这种电机雏 型的诞生直到功率电子开关器件问世前的1 0 0 多年问，人们都没有太大的 天津丁业大学硕i ：学位论文 兴趣来研究。由于7 0 年代后各种高速、全控型开关器件的先后问世，使电 力电子技术的蓬勃发展。由予人功率晶闸管的投入使用，为开关磁阻电动 机的研究和发展奠定了重要的基础。1 9 6 7 年，英鼷l e e d s 大学开始对开关 磁阻电动机进行深入的研究，得出开关磁阻电动机可以在单向电流下四象 限运行的结论，而且电动机成本明显低于同容量的异步电动机。1 9 7 3 年， 英国n o t t i n g h a m 大学也开始对开关磁阻电动机攻关。1 9 7 5 年，上述两所英 国犬学的研究小组联合成功地研制出一套用于电动汽车的5 0 k w 开关磁阻 电机装置，且其单位输出功率和效率都高于同类异步电动机驱动装黄。 随麓高性能电子计算机的问世，为开关磁阻电动机的优化设计提供了 有效的计算和分析1 二具。而随着电力电子学和微电子学的发展，则保证了 开关磁阻电机控制系统的经济性和叮控性得到了很火的提高。1 9 8 3 年，英 国t a s cd r i v e s 有限公司将世界上第一台开关型磁阻电动机o u l t o n 传动装 置商品投放市场；1 9 8 4 年，又推出4 2 2 千瓦网个规格的系列产品。作为一 种结构简单、价格便宜、鲁棒性好的新型调速系统，问世不久后，很快便 引起各圜电气传动界的广泛重视。其后，美国、加拿大、新加坡等圈家也 都竞相发展。1 9 9 1 年，英国又研制成功电挺为9 0 0 0 v ，功率为5 m w 的开 关磁阻电机控制系统。到了匿前为止，在开关磁阻电机控制系统的开发研 制方面，英国一直处于因际领先地位。我瞬于1 9 8 4 年左右开始了对s r d 的 研究和开发 二作，1 9 9 2 年初成立了中国电工技术学会中小型电机专业委员 会下设的开关磁阻电机学组，推动开关磁阻电机研究工作的进一步发展。 我园跟踪英国的研究成果，广泛开展了开关磁阻电机及其驱动系统的研究 和开发工作，一些高校及科研机构如华中科大、北京中纺机电研究所等1 9 8 5 年也陆续开始研究这种系统。九十年代以来又有清华、哈工犬、河海大学、 北交大、中圜矿大、河北工大等开始进行研究。现在，已有一批中小功率 的开关磁阻电机控制系统的成果，并由实验窜阶段发展到工业试用和推“ 应用阶段，例如南京瑞峭科技有限公司研制的功率为o 3 7 - 7 5 k w 的开关磁 阻电机产品和北京中纺锐力机电有限公司2 2 4 0 0 k w 系列产品。这些产品 己被用于纺织机械、电动车辆、煤矿设备、风机水泵和通用调速系统等领 域。总之从七十年代至今，经过国内外学者的小断努力，对开关磁阻电机 控制系统的研究已经在理论分析、性能仿真、转矩波动及电机噪声、电机 设计、功率变换器设计、有限元分析、能耗计算、控制策略、优化性能、 位置传感器等方面均取得了丰硕的成果，并且随着基础理论、屯子元器件 等的发展而继续发展。 在织机中应用高性能调速电机是非常有意义的，不仅可以大火简化机 第一章绪论 械机构，还可以有效提升织机性能。开关磁阻电机足一种新型调速电机， 其调速系统兼具直流、交流两类调速系统的优点，是继变频调速系统、无 刷直流电动机调速系统的最新一代无极调速系统。它不仅结构简单坚固， 而且调速性能优异。其控制部分电路结构简单，没有桥臂直通短路的危险， 起动和制动转矩很大，调速范围宽而且在整个调速范围内都具有较高效率， 系统可靠性很高。采用开关磁阻电机作为无梭织机的主传动会带来很多好 处，不但减少传动衡轮、皮带和皮带盘，还不用电磁离合器和刹车盘，节 能町达1 0 。 文 第二章无梭织机的的织造原理及传动系统 2 1 无梭织机的工作原理 无梭织机由开1 3 装置( 凸轮开e l 、电子多臂开1 3 等) 、引纬装置( 剑杆引 纬、喷气引纬、喷水引纬、片梭引纬等) 、打纬装罱、送经装茕和卷取装嚣 五个部分组成。这五个部分的运动组成了无梭织机的五大运动：开口、引 纬、打纬，送经和卷取。如图2 1 所示。开口装置完成开口运动，用引纬装 置完成引纬运动，再用打纬装置完成打纬运动。此外，为了维持织造过程 的连续进行，还需要两个辅助的运动，即送经运动和卷取运动。 避缝 2 1 1 开口运动 颤经捡溯 并o 7 孳l 纬打纬 图2 1 无梭织机的五大运动 开口运动：数千根经纱沿织机纵向配置，从织轴上退绕下来，按照穿 综图的次序穿入综丝的综眼，综框按一定规律升降，带动经纱分成上下两 层，形成一个菱形通道，该通道称为梭口。当纬纱引入以后，两层经纱开 始闭合，再上下交替以形成新的梭口。如此不断的循环，从而实现经、纬 的交织，形成新的梭口，以便下一根纬纱引入。经纱这种反复交错形成梭 口的运动就足开口运动。综框的升降运动直接驱动经纱的上下分层，综框 数量的不同，或者各个综框的升降次序的不同，织物的组织形式就不同了， 例如平纹组织和斜纹组织。综框的升降 运动可以用不同的动力来驱动。根据驱动力的不同，可以分为凸轮开 口、电子多臂开口、曲柄开口等。 织机主轴一转，上下两层经纱相互交替，完成一次开口运动。一次开 天津t 业人学硕l ：学位论文 口运动中按经纱的运动状态日j 分为三个阶段：开口阶段，静止阶段，闭口 阶段。 2 1 2 引纬运动 引纬运动：通过引纬器将纬纱引过梭口，与经纱形成交织的运动。无 梭织机织机的弓| 纬方式主要有剑杆引纬、喷气引纬和喷水引纬等。在剑杆 织机上，由送纬剑头夹持着纬纱，在剑带盘的驱动下，沿着导轨穿入梭口， 接纬剑头也进入梭口，两剑头在梭口的中央交接，送纬剑头松开纬纱，从 而完成一次引纬运动。喷气织机的引纬方法是用压缩气流牵引纬纱，将纬 纱带入梭口。喷水织机的引纬方法是利用水流作为引纬介质，通过喷射水 流对纬纱产生摩擦牵引力，将固定在筒子上的纬纱弓l 入梭口。 这些弓 纬机构的共同特点是： ( 1 ) 废除旧的犬而笨重的梭子，采用小的引纬器如剑杆头、片梭，甚 至完全取消机械的引纬器，用空气或水来运送纬纱。这样可减轻引纬机构 和缓冲机构的动力负荷，提高引纬速度和降低机物料的消耗。 ( 2 ) 设法使引纬器进入梭口后仍受机构积极控制，如剑杆弓【纬。片梭 在飞进梭口后虽彳i 再与谐梭机构发生联系，但受管道片的约束。因此剑杆 和片梭的运动均较梭子为稳，不会飞梭伤人。喷气( 水) 引纬则利用流体 带引纬纱，更是根绝了飞梭事故。 ( 3 ) 纬纱卷装从梭子中解脱出来，直接臼筒子上引纬，简化了补纬结 构，降低了劳动强度，提高了劳动生产率。 ( 4 ) 除片梭外，引纬器出梭口后的撞击消除了。即令是片梭也因质量 远较梭子为小，撞击程度也大为减轻，所以噪音降低了。 ( 5 ) 各种新型引纬机构所织出的布边不能像有梭织机那样平整光洁， 必须配以织边机构。有的织边机构要求纬纱每次被剪断后伸出布幅，保留 一定长度的纱尾，供织边的需要，这就使新型引纬的用纱量大于有梭织机。 2 1 3 打纬运动 打纬运动：由引纬器引入梭口的纬纱，与织口好友一定的距离，必须 借助筘座上的钢筘将其推向织口与经纱交织，当筘座后退时打入的纬纱可 能会发生后退位移，经几次随后的打纬，这一纬纱才稳定下来弓经纱共同 形成织物，这种将纬纱推向织口的运动称为打纬运动。打纬运动是由打纬 机构来完成的。 打纬机构的主要作用是用钢筘吧引入的纬纱扣向织口与经纱交织，并 ， 第一章光梭织帆的编造原理和传动系统 通过钢筘确定经纱排列密度和织物和幅宽。打纬机构按其结构类型，可分 为连杆式和共轭凸轮式两犬类，其中连杆式打纬机构又分为网连杆打纬机 构和六连杆扣纬机构。打纬机构还可以根据动程变化分为定动程打纬机构 和变动程打纬机构两火类。前者主要用于生产一般织物的织机，后者主要 用于生产毛巾织物的织机。 打纬机构为实现打纬运动应满足机械和工艺上的要求。为减少钢筘对 经纱的摩擦和织机的振动，在保证引纬顺利进行的条件下，应尽可能使筘 座的摆动动程小：为减少织机的振动和动力消耗，在具有足够打纬力的条 件下，应尽量减轻筘座的重量和减小筘座运动的最大加速度；打纬运动是 沿织机的前后发生的运动，引纬运动沿织机的左右方向的运动，为确保引 纬顺利进行，打纬和引纬运动时间要配合协调；为使引纬器顺利通过梭口 或导纬器，钢筘摆动到后止点应有一定的静止时间；另外，打纬机构的构 造应坚固、简单，调节方便，操作安全。 2 。1 4 送经运动 送经运动：为保证制造过程的持续进行，织轴上应送出一定长度的经 纱，使织机伤的经纱张力控制在一定的范围内。这种将经纱不断送出并保 持上机张力稳定的运动称为送经运动，由送经机构来完成。 送经机构要满足工艺上的要求。为适应织物形成的需要，要确保从织 轴上均匀地送出经纱；为保证织造顺利进行，要保障经纱送出量与卷取运 动配合协调：在织造过程中保持张力稳定，波动小，要给经纱符合要求的 上机张力；还要求送经机构品种适应性强，故障少，维修调节方便。按织 轴回转方式分，可分为间歇式送经机构和连续式送经机构。按织轴驱动方 式分，可分为机械式送经机构和电子式送经机构。机械式送经机构从织机 主轴上获得传动，整个机构可分成送经量调节和送经执行机构两大部分， 这两人部分均为执行机构。电子式送经机构由单独电机传动送经装覆。它 是用非电物理量电测的方法采集经纱张力信号，再将采集到的信号用电子 技术或微机技术进行处理控制，并以此为信号驱动送经电机带动织轴回转 两送出所需的经纱量，从丽保证经纱张力的恒定。整个机构可分为经纱张 力检测、送经控制和送经执行三火部分。现在几乎所有的新型无梭织机均 采用微机控制的电子送经机构。 2 1 5 卷取运动 卷取运动：织物在织口形成以后，必须不断地将织物引离织口并卷绕 天津工业人学顾i ：学位论文 到卷布棍上，才能保证制造过程的顺利进行。将织物有规律地引离织口并 卷绕到卷布棍上的运动成为卷取运动，是由卷取机构完成的。卷取机构将 形成的织物引离织口，卷绕城一定的卷装形式，并控制织物的纬密和纬纱 在织物内的排列。 卷取机构要满足机械和工艺上的而要求。卷取机构应简单肇圃，动作 灵活准确，调节方便；能随不同织物的要求丽变化纬密；卷取机构负有能 随意卷进或退回织物的装黄以及因纬纱停车时的防稀弄装筲；卷装良好， 有定的卷装容量。卷取机构按作用原理可分为积极式卷取和消极式卷取 两大类，其中，积极式卷取又可分为间歇式卷取和连续式卷取；卷取机构 按驱动形式分可分为机械式和电子式卷取；卷取机构按卷绕织物装覆形式 分町分为机上卷取和秽l # i - 卷取两类。实际使用中，习惯分为间歇式卷取机 构和连续式卷取机构。 间歇式卷取机构是指将织物引离织口及卷取辊卷取的动作只发生在织 机主轴一回转中的某个时期，一般由筘座脚摆动并通过棘轮棘爪传动获得 间歇动作。间歇式卷取机构结构简单、调节方便，但是棘轮棘爪见得冲击 火，机件容易因磨损而松动失灵，不能满足高速化生产。 连续式卷取机构的卷取动作通过织机的主轴或者中心轴传动，或者由 与主轴同步的独立卷取电机传动，使卷取辊获得匀速而连续的运转。根据 制造纬密的大小确定主轴与卷取辊的传动比或卷取电机的转速。前者为机 械式连续卷取，有变换齿轮或采用无级变速器调节的方式变换纬密的调节。 后者足电子式连续卷取，其纬密可直接在微机上进行设置。连续式卷取机 构具有机件磨损小、运动平稳、无冲击的优点，能承受较大的经纱和织物 张力。适应于高速运转，广泛应用于现代各类无梭织机上。 2 2 无梭织机的电子送经和电子卷取 2 2 1 电子送经机构 在电子送经机构中，送经执行部分的送经电机直接传动织轴，它受到 送经量控制部分的控制。送经量控制部分足根据设定值和经纱张力检测的 结果来控制的。送出所需经纱需维持恒定的经纱张力，需要控制送经电机 的转速和转向。虽然电子送经机构有间歇式和连续式之分，但都有三大部 分组成，即经纱张力信号采集系统、信号处理和控制系统与织轴驱动装覆。 按照控制方式的不同町分为张力全闭环控制系统和张力补偿控制系统。 张力全闭环控制系统的基本原理图如图2 所示，张力传感器感应并存 第一章无梭织机的编造原理和传动系统 储经纱张力，信号处理和控制系统对张力传感器的输出信号进行采样并转 换得到当前的张力值，并与设定值比较，控制器通过一定的算法得到当前 的送经速度，对驱动系统发出指令，调节送经电机的转速。 图2 - 2 张力全闭环控制基本原理图 张力补偿控制系统的基本原理图如图3 所示。主轴编码器发出送经系 统的主令信号来决定送经电机的基本转速。当前的张力值和设定的张力值 比较，控制器通过算法算出位黄修i e 量，对当前的送经速度进行调整。 送经主控制器 主令信号 l 转速计算r驱动器v - - 送经电机 经纱轴 张力设定值 八i 世一h 止：曲且晓| j 一一 图2 - 3 张力补偿控制系统的基本原理图 电子送经机构与机械式送经机构相比有许多优点。电子送经机构电机 直接传动，简化了经纱张力和织轴直径探测部分机构简单紧凑，适应于高 速。采用微电子技术检测经纱张力，对经纱张力的变化影响迅速，不会出 现机械结构中惯性造成的滞后现象，送经量和经纱张力都可以得到及时调 整。并且电子送经机构可实现对送经量实现精确调节，经纱张力比较均匀。 电子送经机构与电子卷取机构同步联动，根据织物特点自动调节经纱张力， 可以避免和减少稀密路的出现，保证产品质量。 2 2 2 电子卷取机构 电子卷取机构是新一代织机上广泛采用的微机控制的卷取机构。电子 天津丁业大学硕一t - 学位论文 卷取机构通过处理器根据纬密值计算出卷取量，通过编码器获得卷取电机 的转速，把转速换算成卷取量，并与设定的卷取量比较得到卷取电机转速 的设定值，设定值与当前卷取电机转速比较得到执行值，转换为控制信号 去控制卷取电动机。 电子卷取系统的基本原理图如图4 所示。卷取过程中卷布棍的直径不 变，只需要保持卷取电机的转速恒定。卷取运动由卷取电机单独控制而不 由主电机协同控制，可以很容易实现更改纬密的操作。 纬密设定值恬曲主控制器h 驱土器h 卷曲电机l - l卷布辊 图2 4 电子卷取系统的基本原理图 采用电子卷取装置，织物的纬密变化町以自动设定，无需更换纬密齿 轮，且纬密变化范围大、极差小，增强r 织机的品种适应性，使织机能够 生产许多机械武卷取机构无法生产的纬密变化品种。 2 3 无梭织机传动系统的类型 织机的传动系统的类型主要分为直接式传动系统和间接式传动系统两 大类。此外，为丫提高t 作性能，还有一些特殊没计的传动系统。 2 3 1 直接式传动系统 直接式传动系统是由电动桃直接通过皮带轮或齿轮来传动织机的主 轴，通过直接操纵电动机的开关来控制织机的肩动和停止。直接式传动系 统的操纵系统足由织机的开关柄通过连杆系统和电动机电源开关连接维成 或有按钮开关直接控制电动机。直接式传动机构构造简单、容易控制，一 般用于轻型或低速织机上，是因为轻型织机转动惯量小，低速织机所需的 动能较低。在一些喷气织机上也有应用。 直接式传动系统所用的电动机和织机直接联动。为了保证织机迅速启 动，电动机需要有较大的启动转矩，且由于电动机时开时停，启动电流较 大，所以需要专门设计的电机，而且制动时要连带将电动机转子和皮带轮 一起刹停，增加了制动负荷。现在主要趋向于使用间接式传动系统。 2 3 2 间接式传动系统 1 2 - 第章无梭织机的编造原理和传动系统 间接式传动系统足一种通过离合器把电动机的驱动力矩传给织机主轴 的传动结构。电动机在正常运转情况下是始终运转着的，由操纵离合器的 啮合或脱离来控制织机的启动或停止。间接式传动系统能够实现织机迅速 的启动，还改善了电动机的运行特性。由于间接传动机构采用了离合器， 在织机启动时刻，电动机已经处于正常运转阶段，电动机转子已经储有较 大的动能，起着部分飞轮的作用。离合器经过合理设计的得到足够火的接 合力矩，可以缩短织机的启动时间，对高速织机和重型织机很有利。并且， 间接式传动方式对电动机的而启动力矩没有特殊的要求，可以采用标准定 型的电动机。绝大多数高性能的剑杆织机都采用间接式的传动系统。 织机间接传动系统中所选用的离合器主要分为锥面式和平面式摩擦离 合器。锥面式摩擦离合器的摩擦盘直径较大、惯性犬、启动慢、不易脱丌 且磨损快，现在使用较少。平面式摩擦离合器的结构简单、动作灵敏、散 热较好，应用较为普遍。新型织机普遍采用电磁离合器。电磁离合器是利 用电磁引力加雎于摩擦面，产生摩擦力矩来传递动力的传动装黄。 2 4 本章小结 本章主要阐述了无梭织机的工作原理，包括无梭织机的开口、引纬、 打纬、送经和卷取五大运动，并介绍了电子送经和电子卷取的基本原理。 无梭织机的传动类型主要分为直接式传动和间接式传动。虽然间接式传动 系统是目前织机传动系统的主流，但足随着开关磁阻电机等高性能电机的 应用，直接传动系统在织机的控制系统中更具有优势。 天津丁业人学硕l ：学位论文 1 4 第二章开关磁阻电机应用于无梭织机传动系统 第三章开关磁阻电机应用于无梭织机传动系统 3 1 开关磁阻电机 3 1 1 开关磁阻电机驱动系统的基本构成 开关磁阻电机驱动系统主要由s r m 、功率变换器、检测器、控制器组 成，如图1 1 所示。 给 图3 1s r d 系统框图 机械输出 ( 1 ) 开关磁阻电动机 开关磁阻电机( s r m ) 是开关磁阻电机控制系统( s r d ) 中实现机电 能量转换的部件，开关磁阻电机的定、转子的凸极均由普通硅钢片迭压而 成。转子既无绕组也无永磁体，定子极上绕有绕组，径向相对的两个绕组 可以串联或并联构成一对磁极，称为“一相”。s r m 还可以设汁成多相结构， 且定、转子的极数有很多种小同的搭配。著相数多、步距角小，有利于减 少转矩脉动，但是结构复杂，且主开关器件多，成本高。所以电机定、转 子的极数应当按使用场合合理的确定。s r m 的转向一与电流的方向无关，为 单向电流，若想改变电流的大小，可以先改变电动机转矩的大小，进而就 可以改变电动机转速。若是在转子极转离定子极时通电，所产生的电磁转 矩就与转子旋转方向相反，为制动转矩，所以我们可以通过制动的方式来 改变电动机的转向、转速和工作状态。 ( 2 ) 功率变换器 功率变换器的作用是向开关磁阻电机提供运转所需的能量，由蓄电池 天津丁业人学硕i j 学位论文 或交流电整流后得到的直流电来供电。由于开关磁阻电机的绕组电流足单 向的，使得其功率变换器主电路不仅结构较为简单，其结构形式与开关磁 阻电动机的相数、绕组形式有关。功率变换器的结构和开关器件的选择可 以直接影响到s r d 系统的性能和成本。其主要作用有： 起开关的作用，使s r 电动机的各相绕组适时的通断； 向s r 电动机传输电能，可满足机电能量转换的需要； 为s r 电动机各相绕组的储能提供能量回馈的路径。 ( 3 ) 控制器 控制器是系统中枢，它综合处理电流传感器、位茕传感器回馈的信息， 控制功率变换器中主开关器件工作的状态，实现对开关磁阻电机运行状态 的控制。若控制器发出一系列的控制信号使电动机各相的主开关器件按一 定规律导通，电动机则连续按逆时针或顺时针旋转，并输出机械能，若输 出相反顺序触发信号，电动机则将反转。并且通过控制导通角0o l l 和关断 角0o f f 的大小，就町以控制输出的转矩的大小和方向。 ( 4 ) 检测单元 检测单元足由位置检测和电流检测环节组成豹。位嚣检测环节可以提 供转子的位置信息，从而确定各相绕组的开通和关断；电流检测环节町以提 供电流信息来完成电流跟踪控制或采取相应的保护措施，以防止过电流。 3 1 2 开关磁阻电机的基本结构和原理 开关磁阻电机的基本结构和步进电机很相似，它是双凸极町变磁阻电 机，电机的定子和转子由硅钢片叠雎而成，转子光绕组也无永磁体【s j 。定子 极上绕有集中的绕组，径向相对两个绕组串联可以构成一对磁极，称为“一 相”。由于低于三相的开关磁阻电动机没有自起动的能力，而相数多的开关 磁阻电动机步距角较小，利于减小转矩的脉动，但结构比较复杂，且主开 关器件较多，成本较高，故目前应用较多的是四相8 6 和三相1 2 8 极的结 构。本课题所选用的歼关磁阻电机是三相1 2 8 极的结构，如图3 2 所示。 图3 28 6 级定、转子截面图 从原理上看，s r 电动机与步进电动机较为相似，运行原理则遵循“磁 阻最小原理”，即磁通总是沿着磁阻最小路径闭合。当铁j 醛与磁场的轴线不 重合时，便会有作用力把铁：签拉到磁场的轴线上来，这个作用力就是磁阻 电机的运行动力，这是开关磁阻电机与步进电机的相似之处，但是，一般 步进电动机是开环控制方式，而s r 电机则是闭环控制方式。另外，一般步 进电动机是用在角位移较精密的传动方面，而s r 电机是典型的功率型电气 传动的装置，主要应用在牵引传动方面上。因此，s r 电机要突出速度控制 和实现高效率，所以其结构和控制系统设计思路也不大相同。 如图3 所示为三相1 2 8 极s r 电动机结构的原理图( 图中只简要域出a 相绕组及其供电电路) 。 天津工业人学硕l ：学位论文 u s l 耋 图3 - 3 三相1 2 8 极s r 电动机结构原理图 现以图中三相1 2 8 极的s r 电机结构所示为例，介绍开关磁阻电动机的 工作原理。图中，v d l ，v d 2 是二极管，s l ，s 2 是电子开关，u 是直流电 源。电机定子和转子呈凸极形状，转子由叠片构成，极数互不相等，且带 有位覆检测器以提供转子位置信号，使定子绕组按定的顺序通断维持电 动机连续运行。电机磁阻随着转子的磁极与定子的磁极的中心线对准或错 开而变化，当转子的磁极在定子的磁极中心线位黄时，相绕组电感最大， 当转子的极间中心线对准定子的磁极中心线时，相绕组电感最小。 图3 中，当定子a - a 极励磁时，所产生的磁力使转子旋转到转子极轴线 1 1 与定子极轴线a - a 的重合位嚣，并使a 相励磁绕组的电感最大。若以图 中定、转子所处相对位置作为起始位鹭，则依次给a - - b c 相绕组通电，转 子即会以逆时针的方向连续旋转：反之，若依次给c - - b a 相通电，则电s l a p 会沿着顺时钳的方向旋转。可以看出，s r 电动机的转向与相绕组电流方向 无关，而仅取决于相绕组的通电顺序。另外，从图3 3 可以看出，当主开关 器件s l ，s 2 导通时，a 相绕组从直流电源u 吸收电能，而当s l ，s 2 关断时， 绕维电流通过续流二极管v d l ，v d 2 继续流通，并回馈给电源u ，因此，s r 电动机传动的共性特点是具有能量的再生作用，系统效率高。 从上面简单的分析可以知道，s r 电动机的转矩是由磁路选择最小磁阻 结构的趋势产生的。由于电动机的磁路非线性，通常开关磁阻电机电动机 的转矩应根据磁共能来计算，即： t ( o ，f ) = d 形，o d o ( 3 - 1 ) 式中t 一转矩，w 一磁共能，0 一转子位置角，i 一绕组电流。 第二章歼父磁阻电机应用于兀梭织机传动系统 显然，磁共能w 。( 0 ，i ) 的改变不仪取决于转子位茕，还取决于绕组电流 大小。钳对s r 电动机的性能作定性分析时，为避免繁琐数学推导，不妨忽 略磁路饱和及边缘的效应，并假定电感与电流无关。这时，一对定子极下 电感随转子位置角变化曲线如图3 4 a 所示。电动机每转一圈。电感变化周 期数正比于转子的极对数，该周期的长度为转子的极距。 基于陶3 4 a 的简化线性模型，式( 3 1 ) 可简化为式( 3 - 2 ) ，即： t ( o j ) = 吉喏( 3 - 2 ) 由上式可知，相绕组在恒定电流i 的作用下产生的对应转矩如图3 3 b 所示。由此可见，s r 电动机的转矩方向不受电流的方向影响，仅取决于电 感随转角变化。在相通电过程中，若d l d0 o ，则产生电动转矩；若d l d 0 v i ，则织物将张紧，即织物张力加大；如果 v 2