（电力系统及其自动化专业论文）交流伺服在电子送经电子卷取控制系统中的应用研究.pdf

a b s t r a c t t h er e s e a r c ho f a cs e r v oi ne l oa n de t uc o n t r o ls y s t e m a b s t r a c t t h es e y v os y s t e mh a sb e e ni n c r e a s i n g l yu s e di nt h ei n d u s t r yb e c a u s eo fi t sh i g he f f i c i e n t d r i v ep e r f o r m a n c ea n dg o o dc o n t r o lp e r f o r m a n c e t h er a p i e rl o o mh a st h es t r o n g e s t a d a p t a b i l i t yi nt h es h u t t l e l e s sl o o m sa n dm a n yc u s t o m e r s e l e c t r o n i c l e to f f ( e l o ) a n d e l e c t r o n i ct a k eu p ( e t u ) h a sb e c o m et h ei m p o r t a n ts y m b o lo fa d v a n c e dl o o m ss oi ti s e s s e n t i a lt oi m p r o v et h ee l oa n de t op e r f o r m a n c eo ft h er a p i e rl o o mi no r d e rl oa d a p tt h e d e v e l o p m e n to ft h el o o m s t h i sp a p e rc o m p l e t e dr e s e a r c ha n dd e v e l o p m e n tw o r ko ft h ee l oa n d 删c o n t r o l s y s t e m ，m a i n l yi n c l u d e df o l l o w i n gs e v e r a la s p e c t s ： ( 1 ) t h es c h e m eo fe l oa n de t uc o n t r o ls y s t e mi sp u tf o r w a r db a s e do na cs e r v o s y s t e mb ya n a l y z i n gt h ed e v e l o p m e n ta n dt h ew o r ke l e m e n t so fl oa n dt us y s t e mb o t hi n c h i n aa n da b r o a d ( 2 ) t h em a i nc o n t r o lb o a r db a s e do i id s pi n c l u d e sd s pm a i nc i r c u i ta n do t h e ri n t e r f a c e c i r c u i ta n ds oo ni sd e s i g n e d i ti su s e di nd i s p o s e dt h ed i g i t a la n dl o g i cs i g n a l ( 3 ) t h ee l oa n de t uh a r d w a r ec o n t r o ls y s t e mb a s e do nt h ea c s e r v o m e c h a n i s mi s d e s i g n e da n dt h ee l e m e n tp l a ni sp r e s e n t e d ( 4 ) t h es o f t w a r eo ft h ee l o a n de t uc o n _ t r o ls y s t e mb a s e do nt h eh a r d w a r ei sd e s i g n e d t h ef u n c t i o no fe l oi st oc o n t r o lt h et e n s i l ef o r c es t a b i l i t y , t h ef u n c t i o no fe t l ui st oc o n t r o l t h ef a b r i cd e n s i t ye x a c t i t u d ea n di tc a nc h a n g et h ef a b r i cd e n s i t yo i l l i n e t h i ss y s t e mc a n i n p u te i g h tk i n do ft e n s i l ef o r c ea n df a b r i cd e n s i t yb yh m i i na d d i t i o n ，t h es y s t e ma l s o i n c r e a s e dt h ef u n c t i o no fs t o p b r i d g e ；i tc a nr e a l i z es o m es p e c i a lt e c h n o l o g i c a lr e q u i r e m e n t ( 5 ) t h r o u g ht h eh a r d w a r ea n dt h es o f t w a r et w oa s p e c t sa n t i j a m m i n ga b i l i t ym e a s u r e s ， e n h a n c e dt h es y s t e mr e l i a b i l i t y ( 6 ) t od r o v et h es t a r tm a r kp r o d u c e dt oc a r r yo nt h ed e t a i l e de l a b o r a t i o n ，a n da c c o r d i n g t ot h ea b o v ep r o p o s e dt h et e n s i t yc o m p e n s a t e dw i t ht h ew e f td e n s i t yc o m p e n s a t e st w ok i n d s o fq u i t ep r a c t i c a ls o l u t i o n s ，m i g h td i s t i n c ti m p r o v e m e n td r i v et h em a r kq u e s t i o ni nt h ea c t u a l d e b u g g i n gp r o c e s s t h es t r u c t u r eo fe l oa n de t uc o n t r o ls y s t e mh a sr e a s o n a b l es t r u c t u r e ，h i g hr e l i a b i l i t y a n dl o wc o s t s oi tc a ns u b s t i t u t et h ei m p o r t a t i o n s k e y w o r d s ：a cs e r v o ；d s p ( d i g i t a ls i g n a lp r o c e s s ) ；e l o ；e t u ；t e n s i l i t yc o n t r o l ；r a p i e rl o o m i i 第一章绪论 第一章绪论 1 1 概述 纺织工业是我国的支柱产业之一，关系到国计民生，其出口创汇值占全国总创 汇值的近四分之一，在国民经济中占有举足轻重的地位“1 。剑杆织机是无梭织机中 功能较强、使用较多的一种机型。从市场情况来看，织物花色品种的变化越来越快， 速度越来越快，要求越来越高，因而织机适应性要加强，生产效率要提高。“工欲 善其事，必先利其器”，对于正在进行产业结构调整、努力提高产品附加值的纺织 企业来说，纺机产品的综合性能、设备运行的可靠性与稳定程度，无疑是决定纺织 最终产品品质的重要因素之一。现在不但要求织机具有较高的可靠性和稳定性，而 且还对将来的织机提出了更高的期望，对电气控制系统的要求也更高，电子多臂、 电子送经、电子卷取等均将成为标准配置。目前我国的织机水平和国外发达国家相 比，仍有较大的差距，大都在中低档水平，运转速度在3 0 0 r m i n 左右，而国外的高 速剑杆织机的速度在6 0 0 r m i n 以上，并且均配备电子送经和电子卷取控制系统，而 国产织机配备的电子送经电子卷取控制系统大都依赖进口。 我国加入w t o 以后，纺织行业面临更大的机遇与挑战，但是由于整个纺织行业 基础比较差，所以面临的是挑战远大于机遇。我国纺织行业的现状是：国有企业比 重较大，成为行业亏损的主体：技术装备水平落后，技术力量薄弱，新产品研发不 足：企业信息化程度不高；原材料分散，低水平重复建设。主要表现在： ( 1 ) 创新意识淡薄，对产品研究和开发投入不足，措施不力，纺织机械人才缺 乏，以致造成产品缺少与国外相抗衡的竞争力： ( 2 ) 由于新型纺织机械研发能力不足，国内的纺织厂大量生产低档织机，结果 造成低档织机积压，高档织机稀缺、价格昂贵，无序竞争，竞相压价，影响到产业 整体的竞争力： ( 3 ) 陈旧老化的织机难以满足日益增多的纺织原料的需求； ( 4 ) 织机的适应能力较差，同一台织机在不同气候环境下织造性能存在显著差 异，无法适应标准化生产，影响产品出口。 因此国内高档剑杆织机的市场主要被国外织机占有，国产高档织机几乎没有。 国产剑杆织机如何加强电子技术的应用，提高产品质量和竞争力，降低劳动强度， 提高劳动效率，是我国织机的个主要的问题和发展方向。 青岛大学硕士论文 1 2 织机的发展趋势 进入2 l 世纪以来，世界高新技术在迅猛发展，不同技术门类之间日益普遍化的 交叉、渗透和融合。这种交融又反过来推动了高新技术以更快的速度发展，也促进 各传统产业的技术进步。就剑杆织机的发展而言，技术进步主要表现在向短流程、 连续化、自动化、高质量和高速度方向发展，并呈现智能化、网络化、通用化和绿 色化的新发展趋势”。 ( 1 ) 智能化 现代纺织设备集中运用了光、机、电、气动、液压等多种新技术成果。它采用 了以c p u 为核心的高性能工业控制器，完成复杂的运算和繁杂的逻辑控制，以及对 各种指令的快速实时响应和高速通讯。可编程控制器、3 2 位微控制器、p c 平台等都 是常用的工业控制器，其中3 2 位微控制器近几年的应用日益增加。新型驱动技术由 于其大功率、高精度和智能化的主要技术特征，因此应用也更加广泛，如变频调速、 直流无刷电机调速、伺服控制、直线电机等等。各种新型传感器在纺织设备上的应 用，为设备的监测、控制提供了精确的数据信息。这些新技术的结合，使新型织机 具备了智能化的控制功能，如纺织生产过程中的各种工艺参数、运行状态的在线检 测、显示、自动控制和自动调节，故障自动排除。先进的人机接口系统如触摸屏、 无线通讯接口等得到普及，使信息交流更加直接，设备操控更加简便。现代化织机 正向智能化方向发展。 ( 2 ) 网络化 工业网络技术的成熟和应用，使控制技术实现了质的飞跃，为在纺织生产经营 管理中的应用创造了条件，其中最重要的是现场总线技术的成熟和应用。它的出现 促使纺织控制系统由集散控制系统( d c s ) 向现场总线控制系统( f c s ) 过渡。越来越 多的公司推出了具备网络连接功能的主机、辅机和相应的软件系统，网络技术己经 成为现代化纺织的重要手段。有了这些，机器运转对各个级别信息传递的可操作性 提高，生产中出现的质量问题第一时间在终端上显示出来，实现实时集中监测，使 生产质量更加稳定；操作工可以远程控制设备运转，提高运转效率，降低用工成本； 管理者可以通过互联网在世界任何地方管理控制分布在不同地点的生产工厂，使无 国界企业经营管理成为可能；销售人员可以迅速将订单和消费信息反馈到生产环节， 实现快速反应：技术人员可以获得来自设备制造商不间断的技术支持，迅速进行远 程遥控故障诊断与排除，提高设备运转效率。 ( 3 ) 通用化 效率和速度的提高是有限的，实际上近几年纺织设备在运转速度的提高并不明 显。而为适应纺织品市场批量小、品种多、交货快、变化快的需要，近年来纺织设 第一章绪论 备的品种适应性和灵活性更加受到重视，通用化设备逐渐成为技术开发热点。由于 剑杆织机的品种适应性不断提高，逐渐成为通用型织造设备。此外新型剑杆织机普 遍采用了变速织造技术和纬密可变技术。所谓的变速织造就是通过新的马达传动系 统，对织机运转速度进行程序控制，实现变速运转，速度差异最大可达1 0 0 r m i n 。 这一技术使织机根据原料的不同改变生产速度，因而品种适应性大大提高。纬密可 变技术是通过程序控制电子送经和电子卷取，在织造过程中改变织物的纬纱密度， 可以生产结构更加复杂的产品。在品种变换的灵活性方面，快速风格变换( q s c ) 技 术2 0 世纪9 0 年代初就出现在基于踏盘开口和多臂开口的织机上。最近又出现了基于 提花开口的q s c 系统，采用新设计的、易装卸的综丝，使提花织造的品种变换时间 大大缩短。 ( 4 ) 绿色化 纺织技术发展的另一个重要目标是绿色化生产，也就是实现低能耗、低水耗、 低染料消耗，低噪音，少飞花或粉尘，少废水、废气、废渣排放的清洁生产。 1 3 国内外研究及应用现状 国外对电子送经与电子卷取技术的研究起步较早，早在2 0 世纪5 0 年代就有专门 的电器公司开始进行研究。如今，世界上著名的剑杆织机制造公司的产品都配备有 高性能的电子送经与电子卷取装置，其中有些织机制造公司是自行开发的电子送经 与电子卷取产品，有些公司是委托专门电器公司开发的电子送经与电子卷取产品。 以下是世界上著名织机公司生产的剑杆织机以及其性能简要介绍“1 ， 意大利v a m a t e x 公司的l e o n a r d o 剑杆织机，最高转速7 0 0 r m i n ，最高入纬率 1 5 0 0 m m i n ，配备的电子送经与电子卷取可以实现1 1 5 0 根c m 的纬密。 意大s r j s o m e t 公司的s u p e r e x c e l 佥l j 杆织机，入纬率超过1 5 0 0 m m i n ，配备的电子 送经与电子卷取采用电子同步联结器进行控制，同机械齿轮传动一样准确。 瑞士s u l z e r 公司的g 6 3 0 0 剑杆织机，最大筘幅达3 6 0 c m ，最高转速8 0 0 r r a i n ，配备 了b e r g e rl a h r 公司最新的步进电机驱动的电子送经与电子卷取装置。 德国d o n i e r 公司的h 年p h s 型剑杆织机，最大筘幅达2 8 0 c m ，最高入纬率可达1 0 0 0 m r a i n ，配备的电子送经与电子卷取装置可实现0 1 根c m 的纬密，所控制的经纱张 力以克为单位，最高可以应付3 7 k n 的特强经纱张力。 比利时p i c a n o l 公司的g a m m a 金l j 杆织机，采用了可以电子调速的s u m o 超级马达直 接驱动织机，电子送经与电子卷取装置早己成为该款织机的标准配置经纱张力感 应器直接装在后梁部分，使得控制更准确、更迅速。 国内对电子送经与电子卷取装置的研究起步较晚，与世界先进水平相比差距比 较大。虽然我国不少织机生产企业引进了国外剑杆织机先进制造技术( 包括控制技术 青岛大学硕士论文 和电子送经与电子卷取技术) ，但核心技术未能完全消化吸收，因此我们的企业生产 出来的产品与国外的产品相比始终有差距，无法与国外产品竞争，高档剑杆织机产 品市场几乎全部由国外产品占领。我国在引进技术的基础上，较高档的剑杆织机的 设计、制造、生产取得了相当的进展，但是具有成熟的电子送经与电子卷取技术的 产品，尤其是在高档剑杆织机上的商业应用尚无先例。 1 4 课题的提出及其研究意义 本课题来源于青岛大学与聊城海威电子有限公司的横向课题，与纺织机械厂、 织布厂借鉴国内外先进织机技术的基础上共同开发了剑杆织机电子送经电子卷取控 制系统。采用的方案是：控制器采用了高性能、实时性好的1 6 位d s p 处理器 t m s 3 2 0 l f 2 4 0 7 ；电子送经电子卷取控制系统基于交流伺服系统，定位更准确，精 度更高；电子送经系统用于张力控制，采用了张力传感器反馈回路，使经纱张力控 制更加准确；电子卷取系统用于纬密控制，纬密控制精确，变化范围大，并且可实 时在线变纬密；织机主轴位置检测采用了高分辨率的光电编码器，位置检测更为细 致。 剑杆织机在我国纺织行业中广泛使用，在纺织生产中占有重要地位，因此它的 研发工作具有重要的社会和经济效益。但是，我国剑杆织机研究工作起步较晚，国 内纺织机械产品技术含量不高，多为中低档产品，国内高档剑杆织机市场为国外织 机所占据。电子送经控制系统主要采用的是p l c 、工控机或者低位单片机控制，要 么控制性能达不到要求，要么生产成本高，无法推广；对于卷取机构，研发工作更 是滞后。目前，国内有很多织机厂家或者独立、或者与其他机构合作研发高水平的 剑杆织机，但从目前来看还不尽人意。 作为剑杆织机的重要组成部分，剑杆织机电子送经电子卷取控制系统的研发工 作对于提高我国剑杆织机的进一步发展具有重要意义。本论文通过对电子送经电子 卷取机构以及张力控制的研究，以在高档剑杆织机电子送经电子卷取的国产化方面 做一些有用的尝试。 1 5 论文主要研究内容及结构安排 剑杆织机电子送经电子卷取控制系统的研发是一项复杂、系统的工作，本论文 主要研究内容是：在前人的基础上完成电子送经电子卷取控制系统的硬件电路设计 和研发、制作和调试硬件电路板，编写和调试相应的程序，提出经纱张力和纬密控 制算法，进行模拟调试，确定硬件电路和控制方案的正确性和可靠性，最后是进行 在线调试，进一步的优化方案，使之逐步达到商用的水平。 4 第一章绪论 在本论文中，结构安排如下： 第二章：剑杆织机和电子送经电子卷取的发展趋势。本章主要对剑杆织机进行 了简单的介绍，分析t n 杆织机的发展趋势。另外也对送经和卷取机构进行了分析， 为下一步电子送经电子卷取控制系统的设计奠定了基础，然后介绍了电子送经电子 卷取的发展趋势。 第三章：电子送经电子卷取控制系统硬件设计。本章内容主要涉及控制方案的 确立、交流伺服系统、主处理器的选择及配置、p o p h m l 人机终端接口电路等。 第四章：电子送经电子卷取控制系统软件设计。包括主程序、纬密控制算法程 序、张力控制算法程序、信号处理子程序、p o p h m l 人机界面通讯子程序等。 第五章：系统调试与驱动器参数实时调整。包括模拟调试和在线调试，验证系 统设计方案，进一步改善系统性能。另外，在线调试时提出了消除开车痕的方法， 尽量降低开车痕的影响。对驱动器相关参数进行在线实时调整，确保伺服系统稳定 运行。 ，第六章：系统抗干扰措施。采取了相关的硬件抗干扰措施和软件抗干扰措旖， 提高了系统的性能。 第二章剑杆织机基本制造原理及控制系统分析 第二章剑杆织机及电子送经电子卷取发展趋势陆儿6 2 1 剑杆织机简介 织机是一种将经纱和纬纱交织成织物的设备，根据牵引纬纱进入织口的方式可 分为有梭织机和无梭织机。剑杆织机是一种无梭织机，它通过两只剑杆将纬纱引入 织口与经纱交织，然后采用钢筘将纬纱打进进行织布的。世界上第一台剑杆织机诞 生于1 9 3 1 年，西班牙巴尔培公司推出世界上第一台剑杆织机。由于剑杆织机结构简 单、控制方便、生产效率高，所以剑杆织机得以迅猛发展。经过近八十年的发展， 剑杆织机目前已经成为适应较强，使用广泛的一种织机，在纺织行业中占有举足轻 重的地位。 2 2 剑杆织机的发展趋势 剑杆织机是集机械技术、电气技术、计算机技术和控制理论于一体的机电一体 化产品。最近几年来电气技术、计算机技术和控制理论的迅猛发展与完善推动了剑 杆织机进一步发展。在可以遇见的未来，剑杆织机发展的趋势是向“四高”( 高速度、 高产量、高质量、高可靠性) ”方向发展，同时随着计算机控制技术和人工智能的发 展，未来剑杆织机自动化水平将进一步发展，并且人性化和智能化也将进一步提高。 主要表现在以下几个方面： ( 1 ) 计算机技术进一步应用。剑杆织机本身是一个复杂的控制系统，剑杆织机 的发展离不开控制理论和计算机技术的发展，计算机应用于织机控制推动了它的革 命性发展。计算机技术的进一步应用是织机发展的一个重要趋势，也是织机发展的 原动力。 ( 2 ) 送经、卷取系统的改进。采用电子送经和电子卷取是必然趋势而且两者驱 动系统将采用两套独立传动源，减少相互间干扰，这样织物经纱张力控制更加精密。 采用电子送经后，张力检测更加准确、控制更加精密：采用电子卷取后，纬密设置 更加方便，可更改范围扩大。 ( 3 ) 电子选纬系统的改进。现在，市面上剑杆织机选纬机构主要采用电磁铁驱 动装置，应该向电子选纬方向发展；或者采用步进电机驱动选色指，如德国多尼尔 公司的h t v s 8 s 型剑杆织机；或者采用直线电机驱动选色指，如舒美特公司的天马超 优秀型剑杆织机m ，。 ( 4 ) 人机信息交换系统的发展。人机信息交换系统是现场工作人员向织机发出 控制命令，修改织布工艺参数：同时织机向工作人员反馈织机运行状态的设备。随 7 青岛大学硕士论文 着液晶显示技术的进一步成熟，可采用大屏幕加触摸软键盘模式，并可以以图形的 形式动态地反馈织机运行状态，使得人机信息交换更加简单和人性化。 2 3 剑杆织机国内发展概况 目前，我国剑杆织机研发工作还处于比较低下的水平：计算机在织机中的运用 还不够普及；卷取系统还有很多采用传统的机械式卷取；选纬机构多用电磁铁驱动， 选纬指数量较少，导致花色较少；人机信息交互系统粗糙，不够人性化。特别是送 经部分，较多的采用低档次的微处理器，张力控制不够精密；对于纬密控制，由于 多采用机械式卷取，纬密更改极不方便，同时可更改范围有限。剑杆织机的发展趋 势，也是我国纺织机械努力的方向和发展目标。 2 4 剑杆织机的五大运动 织布生产技术有着悠久的历史，其发展过程历经手工织布、手工机器织布、普 通织机织造、自动织机织造和无梭织机织造五个阶段。但这些变化只是实现方式上 的不同，制造的基本原理却始终没有变。一台织机有开口装置( 凸轮开口、电子多 臂开口、益柄开口) 、引纬装置( 梭子引纬、喷水引纬、剑杆引纬、喷气引纬、片梭 引纬等) 、打纬装置、送经装置和卷取装置五个核心部分组成。这五个核心组成部分 的运动就组成了织机的五大运动：开口，引纬，打纬，送经和卷取。 经纬纱线在织机上整个交织形成织物的过程，是通过以下几个主要运动而实现 的。 ( 1 ) 开口运动 将经纱按织物组织的要求分成上下两层，两层纱之间菱形的空间称为“梭口”。 综框是常用的开口的部件，每一页综框中有若干根综丝，经纱穿于综丝的孔眼中， 几页综框按织物组织的要求分别作上下运动，从而将经纱分开，形成梭口。绞杆一 般为2 - 3 根，用来分清经纱的排列顺序，并且作为梭口的后端。由于剑杆织机多用于 花色织物的织造，所以通常采用多臂开口机构来带动综框，或采用提花开口机构来 单独升降每根经纱。 ( 2 ) 引纬运动 将纬纱穿过梭口。在剑杆织机上，由附带着在剑带上的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；与此同时，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，而接纬剑头夹持纬纱。然后，两剑头退出 梭口，从而完成一次引纬运动。在高档剑杆织机上，基本上都采用分离筘座引纬方 式，即剑头不随筘座运动，引纬时筘座完全静止不动。 8 第二章剑杆织机基本制造原理及控制系统分析 ( 3 ) 打纬运动 把引入梭口的纬纱推至“织口”，织口是经纱和织物的分界。梳形的筘是常用 的打纬部件，它是一个摆杆机构，当向前摆动时，将已经引入梭口中的纬纱推至织 口，同时，综框反向运动，使织口闭合，经纱与纬纱交织。 经过一次开口、引纬和打纬，一根纬纱就和经纱进行了一次交织。此后经纱又 另分成两层，形成另一次梭口，再引纬和打纬。这样反复进行就逐渐形成了织物。 如果形成的织物不及时拉走，其后的纬纱就无法正常进入织口，导致交织无法 进行。所以，要使织造连续进行，还应有以下两个运动。 ( 4 ) 卷取运动 随着织造的进行，将织物牵引离开织口，卷成圆柱状布卷。通常是由卷布辊来 完成牵引动作，卷布辊表面粗糙，用来增加与织物之间的摩擦力。 ( 5 ) 送经运动 随着织物向前牵引，织轴由一定机构驱动，送出所需长度的经纱，并使经纱具 有一定的张力。 开口、引纬和打纬三个运动是任何一种织造都不可缺少的，称为三个主运动。 而送经和卷取两个运动使织造连续进行所必需的，称为副运动。 2 5 送经和卷取系统的类型和特点 2 5 1 送经和卷取系统结构简图 织物是由两组相互垂直的纱线交织而成的，沿织物纵向排列的纱线叫经纱，沿 织物横向排列的纱线叫纬纱。在织造过程中，织机为保证织造生产的连续进行，就 必须要不断地送出经纱与纬纱进行交织而形成织物，织物形成后，必须不断地将这 些织物引离织口，由卷布辊转动带动织物，最终将织物卷在织物轴上。以上完成经 纱放出和织物卷取的机构分别称为送经机构和卷取机构。所以织机必须要装有合适 的送经控制系统和卷取控制系统，在织布过程中才能控制好经纱和纬纱的运动，从 而织出符合要求的布。 送经和卷取系统的机构简图如图2 1 所示，主要由织轴、后梁、张紧装置和卷布 辊等部分组成。 送经机构的作用，是根据织物的纬密大小，在织造过程中及时送出定量的定 张力的经纱，以维持织造生产的连续进行。送经时，织轴转动放出经纱，织轴从满 轴到空轴的全过程中，送经机构都应能够根据纬密送出相应量的经纱，以保证张力 稳定，获得纬密均匀和布面平整的织物，其送经量的调节，不仅要灵敏度高，调节 范围大；而且最好能无级调节。能否在织造过程中使经纱保持均衡一致的经纱张力， 9 青岛大学硕士论文 是衡量送经机构性能的主要标志。织机的送经机构一般可分为三部分：即经纱张力 检测部分、测量信号处理与调节部分、经纱放出部分。 图2 ，l 送经和卷取系统结构简图 织机的卷取机构在织造过程中与送经机构协同工作，保证实时、定长地将形成 的织物引离织口，以获得织布工艺规定的纬密其运动过程应保持卷取量准确、恒定， 纬密调节快捷简便，最好纬密能实现无级调节，和根据需要有织造过程中实时可变 的功能。 2 5 2 送经和卷取系统的类型 历史上出现过多种形式的送经和卷取系统，了解这些不同种类的送经和卷取系 统的结构和控制方式，有助于取长补短，得出最优的结构和控制方式。送经和卷取 系统主要有根据机构工作特点和驱动方式两种分类，下面分别予蛆介绍下。 ( 1 ) 按工作特点来分 为了寻求一个比较理想的、性能良好的送经机构，在织造生产的历史发展中， 出现过许多不同结构形式的送经机构，以至送经机构的种类是织机各机构中最复杂 的。从简单重锤加压制动、用经纱直接拖动织机轴送经的形式到具有自动调节控制 系统的送经形式，种类不下数十种，主要分为积极式和消极式结构两类。若按经纱 的送出特点来分类，则各种送经机构可归纳为下面几种类型。 ( i ) 消极式送经机构：在这种机构中，经纱从织轴上退绕是靠经纱的牵引， 而不是靠送经机构的推进。在主轴一个回转周期的过程内，经纱张力随着开口、打 1 0 第二章剑杆织机基本制造原理及控制系统分析 纬、卷取等运动周期性变化，当经纱张力作用于织轴上的拖动力矩超过施于织轴上 的制动力矩和辊筒上的摩擦阻力矩时，就会牵引织轴做微量转动，放出相应长度的 经纱。为了保证织造过程中所需的张力，对织轴要加以适当的制动力，而且制动力 应随着织轴上经纱卷取直径的减少而相应减少。调节制动力的方式有两种：一种是 人工调节，一种是自动调节。因此，消极式送经机构又可分为人工调节和自动调节 两种形式。 2 )积极式送经机构：在这种机构中，经纱送出不是靠经纱张力而是靠织机 的某一运动部分积极的传动织轴，送出经纱。在积极式送经机构中，经纱所受的张 力和变形要比消极式送经小。按照织轴运动性质的不同，积极式送经机构又可分为 连续式和间歇式两种。 ( 3 )半积极半消极式送经机构：在这种机构中，织轴作强制回转送出经纱， 但送出长度是根据经纱张力的大小，通过经纱张力调节机构来控制。一般采用活动 后梁作为经纱张力大小的传感器，它的位置随经纱张力的变化而变化，并将这一变 量传递给送经机构，使织嵇送出的经纱长度做褶应的变化。当经纱张力大时，调节 机构使织轴送出经纱量增大：当经纱张力小时，调节机构使织轴送出经纱量减小， 这样，可使经纱张力基本保持不变，有利于织机效率和产品质量的提高经纱张力调 节机构的动作必须灵敏而准确，每次调节后织轴送出的经纱长度应能满足织造的需 要，保持经纱张力的稳定而且要有比较大的调速范围，以适应织造多品种的需要。 半积极半消极式送经机构按照调节功能的不同，可分为以下两种： 单调节的半积极半消极式送经机构：不论是经纱张力的偶然变化或织轴直径 减小而引起的张力变化，均由经纱张力调节机构来控制。 双调节半积极半消极式送经机构：由张力调节机构来控制经纱张力的偶然变 化，由织轴直径检测机构控制织轴直径逐渐减小时引起的张力变化“” 卷取机构相对送经机构来说较为简单，它主要由纬密来确定卷取量的大小，一 般织机的卷取机构按其工作特点也可分为以下两类。 ( i )消极式卷取机构：消极式卷取机构是利用打纬瞬时经纱张力和卷取机构 对织物的拉力的差异卷取织物的。打纬时，筘对纬纱和织口的压力愈大时，织物的 张力愈大，织物的卷取量愈大。当织进的纬纱较粗时，织口所受压力就比较大，卷 取的织物就长些：若纬纱较细，卷取的织物就短些。当织纬密小的织物时，若纬纱 和织口所受的压力不能满足上述条件时，卷取便不可能发生。因此，消极式卷取机 构只适用于织纬密较大的厚重织物。 ( 2 ) 积极式卷取机构：积极式卷取机构是由织机积极传动的，卷取量可咀根 据工艺设计的纬密进行调节，而与打纬时筘对织口和纬纱的压力无关。因此，可以 根据需要织不同纬密的织物。积极式卷取机构分为间隙式卷取机构和连续式卷取机 1 l 青岛大学硕士论文 构两种。积极连续式卷取机构能在织机的整个工作周期中连续不断地卷取织物，具 有卷取运动平稳、机件磨损小、能适应织机高速运转要求的优点“” ( 2 ) 按机构的驱动方式来分 按照送经和卷取系统的驱动方式来分，是把送经和卷取作为一个整体来分的， 这也是一种目前常用的一种分类。这种分类可分为以下三种。 ( i ) 机械送经和机械卷取系统：即通过一系列的机械结构( 杠杆，齿轮，弹簧， 皮带等) 进行经纱张力检测和张力自动调节，并由织机主轴带动织轴和卷布辊协同运 动，从面控制送经量和卷取量。实践表明，机械送经系统使得织机结构复杂，滞后 严重，柔性差，精度不高，不能够随时调整工艺参数，而且随着织机高强度的工作 造成一些机构磨损，易使精度降低，尤其是不能满足中高档织机的速度要求。机械 卷取系统不能满足无级调整需要，并且更改纬密时必须调换齿轮，生产管理不便， 且机构复杂，织机高速运转时，动态响应大。所以机械送经和卷取控制系统无法满 足新型剑杆织机的高速度、高质量、控制方便、可靠性好的要求。 ( 2 )电子送经和电子卷取系统：在电子送经系统中，织轴的转动由送经执行 部分的送经电机单独传动控制，它受送经量控制部分的控制，送经量控制部分是根 据纬密设定值和经纱张力检测的结果由计算机算出控制量并转换成相应的控制信 号，经驱动电路放大去驱动送经电动机进行控制的。通过对送经电机的转速和转向 的控制，送出所需的经纱并维持设定的经纱张力。卷取也是通过计算机根据纬序( 变 纬密时跟纬序也有关) 和纬密值计算出卷取量，并转换成相应的控制信号，经驱动电 路放大去驱动卷取电动机。卷取运动由卷取电机单独控制而不由主电机协同控制， 可容易实现纬密的更改操作。电子送经和电子卷取作为一个系统同时开发，则可更 好地消除稀密路，并可以织特定纬密的产品。 ( 3 )电子送经和机械卷取系统：即织轴的转动由送经执行部分的送经电机单 独传动控制，卷布辊由主轴带动协同运动。因为是机械卷取，送经和卷取运动有时 很难互相配合好，且卷取运动不能实现按要求的定量卷取，所以在消除稀密路方面 有所欠缺，特别在高速情况下，布面质量难以保证。 从以上分析可知，半积极半消极式送经机构的电子送经和电子卷取系统由于具 有较多的优点，是当前送经和卷取系统的发展方向。 2 6 电子送经和电子卷取的发展趋势 电子送经、电子卷取是织机控制系统的主要组成部分，经纱张力和织物纬密控 制精密程度关系到织机根本性能，是评定织机质量的最重要技术指标。电子送经、 电子卷取发展趋势是驱动机构相刑独立，控制系统尽可能采用电子化、计算机化。 1 2 第二章剑杆织机基本制造原理及控制系统分析 2 6 i 电子送经发展趋势 织机送经系统主要功能是指经轴在送经电机驱动下向织口输送合适张力的经 纱。电子送经系统由经纱张力检测子系统、控制器和驱动机构组成。电子送经技术 的发展趋势体现在张力检测系统、控制系统和驱动系统的发展“” ( 1 ) 经纱张力检测装置的发展趋势 张力检测是织机进行张力控制必不可少的环节，张力检测的方法有两种：接近 开关式和张力传感器式。采用接近开关式需要人工调节弹簧张力及传感器位置，误 差大；而采用张力传感器感测式可以通过键盘设定张力大小，可以消除人为因素带 来的误差。因此，张力传感器将逐步取代接近开关式。 ( 2 ) 控制系统的发展趋势 早期的控制系统有模拟电路、模拟和数字混合电路以及数字电路三种模式。模 拟电路速度快，但是精度低；数字电路精度高逻辑判断功能强。但是要实现复杂控 制规律显然数字电路无能为力。于是出现了p l c 控制，但是控制精度不高；接着就出 现了工控机，工控机功能强大，控制效果好，缺点是体积较大而且价格昂贵，不适 于集散控制系统。随着单片机技术发展，功能日益强大，单片机的应用越来越广泛。 目前，国内很多送经系统采用了8 位单片机，少数采用了1 6 位和3 2 位单片机。随着单 片机的发展，采用3 2 位单片机进行电子送经控制将是必然趋势。 ( 3 ) 织轴驱动系统的发展趋势 织轴驱动机构可以采用电磁离合器式、直流电机伺服式、交流电机伺服式以及 变频电机调速。步进电机驱动方便，特别适于单片机控制，无误差积累，所以应用 较广；随着变频调速技术的成熟，交流伺服电机也日益在织机驱动系统中崭露头角： 直流电机调速方便，但是由于采用电刷换向导致电刷易磨损，所以将被无刷直流电 机所取代。目前驱动系统发展趋势是步进电机到交流伺服系统，最后又向无刷直流 伺服电机系统方向发展。 2 6 2 电子卷取发展趋势 卷取机构的功能是将织好的织物从织口处卷走，并且与送经装置一道保持经纱 张力于要求值附近，实现设定的纬密。传统织机大多采用机械卷取：卷布辊经过传 动机构由主轴驱动以实现稳定卷取。这样，卷取装置的功能就局限于稳定地连续引 出织物。8 0 年代中期开始，随着织机装置电子化的发展，出现了电子卷取装置。与 传统机械卷取装置相比，电子卷取装置具有两个明显特点： ( 1 ) 织物纬密变化实现了自动设定。变换织物纬密无需更换纬密齿轮，只需通 过人机信息交换系统的键盘就可直接设置所需的纬密，而且纬密变化范围大。 ( 2 ) 织造过程中，纬密可任意调整、随时变化，这是电子卷取装置最明显、最 】3 第三章电子送经电子卷取控制系统硬件结构 第三章电子送经电子卷取控制系统硬件结构设计 3 i 电子送经与电子卷取控制方案 电子送经电子卷取控制系统是剑杆织机计算机控制系统的重要组成部分，如图 2 1 所示。对于电子送经电子卷取控制装置来说，其主要任务是，按照主电机的转速 和预先设定的纬密值计算出卷取电机的转速，将已经成型的织物引离织口；根据张 力传感器的检测信号调整送经电机的转速，驱动经轴送出经纱，使经纱张力波动保 持在允许的范围内。 评定织机质量高低的一个重要指标是织造过程中经纱张力控制的精密性和织物 纬密的恒定与否。为此需要构建合适的控制系统，设计良好的控制算法控制送经、 卷取机构。要求设计的送经、卷取控制系统要符合下列要求： ( 1 ) 电子送经系统保证织布时张力动态恒定，控制精密； ( 2 ) 卷取系统保证能够织造各种纬密的织物，且纬密精确： ( 3 ) 对各种开车进行张力补偿，避免开车痕，有效防止织疵的产生； ( 4 ) 要求整个控制系统性能稳定，故障率低，维护方便。 在织机众多质量指标中，最重要是保持经纱张力和织物纬密动态恒定，这样， 开环控制显然无能为力。由于控制对象是经纱张力和织物纬密，所以考虑将经纱张 力和主电机转速反馈回控制系统构成闭环控制。为了使控制简单易行，将卷取电机 转速“恒定”，以此为参照并根据经纱张力变化来控制送经电机转速，这样就比同 时控制两个电机要容易得多。因此，于卷取电机而言，只需要根据主机转速和纬密 设定保持一定的转速即可。 根据工程的要求和实际需要，提出了电子送经电子卷取控制系统方案，系统结 构框图如图3 1 所示。 图3 1 电子送经电子卷取控制框图 1 5 青岛大学硕士论文 上位机发出准备好、开车等信号；p o p h m l 人机界面用于设置张力、纬密等送 经和卷取参数，并可实时的显示当前张力值、报警信息以及其它的一些参数；电子 送经卷取控制器根据设定的纬密和电机的编码器线数、电子齿轮比、指令脉冲倍频 以及织机的减速箱的减速比等参数计算出卷取电机的转速，并发出相应的脉冲到卷 取驱动器，使卷取电机保持一定的速度；同样的，控制器也要根据张力传感器的反 馈信号发出相应的脉冲到送经驱动器，使送经的速度合适，保持经纱张力在设定的 张力值附近，并且波动在允许的范围内。 在控制方案中，通过光电编码器检测主电机实际转速，然后将经纱张力和转速 信号反馈给控制器构成闭环控制。这种电子送经、卷取控制系统与传统的送经、卷 取相比较有以下优点： ( 1 ) 采用张力传感器和计算机构成张力采集系统，无论张力的参考设定或者检 测都很方便，准确性高，实时性强； ( 2 ) 纬密控制方便，卷取控制器根据设定的主机转速和纬密，调整卷取电机转 速：这样就抛弃了传统机械卷取改变纬密时必须停车更换齿轮变速的方案，使得更 改纬密更加方便，并且还可以实时的改变纬密，织布的品种和花样更多了；同时由 于变速齿轮数量限制，纬密范围有限，采用电子卷取控制以后，纬密调整范围扩大， 产品更加丰富； ( 3 ) 经纱张力控制结构简单，采用闭环控制使得控制性能良好，能改善甚至更 好的消除开车痕； ( 4 ) 将送经和卷取控制功能集中到一起，既提高了电子送经电子卷取控制系统 的自动化水平，又节省了花在硬件电路上的开销，使织机的性价比得到了提高。 3 2 主控器及接口电路硬件结构设计 根据设计方案开发的电子送经电子卷取控制系统硬件电路原理框图如图3 2 所 示。主要包括d s p 及电源和外围扩展电路，上位机与主控板接口电路，p o p h m l 人 机界面及其相应的接口电路，张力传感器信号接口电路，交流伺服驱动器与主控板 接口电路，伺服驱动器与交流电机连接电路，织机主轴光电编码器与主控板接口电 路，故障诊断和保护接口电路等组成。 下面主要论述基于交流伺服系统的电子送经电子卷取控制系统硬件设计。主要 内容包括主控板与交流伺服驱动器的联接、d s p 芯片夕 围电路设计、经纱张力利编 码器信号处理接口电路、p o p h m l 人机接口终端接口电路以及主机、按键接口电路 等。 1 6 第三章屯子送经电子卷取控制系统硬件结构 t m $ 3 2 0 l f 2 4 0 7 a s c l 模块 数据总 工作l 线模块 状态l 堕爿 i o 模块 强 a d c 黜 模拟pwm模块 一旷压 输入 模块 孵 r a m 接口 懂 q e p 模块 r a m 接口 帼 i o 接口 中断保护模块懂 图3 2 主控制器硬件电路原理框图 3 3 交流伺服系统“”“ 3 3 1 交流伺服系统介绍 “伺服系统”是一种典型的自动控制系统，它以物体的位置、方位、姿态等作 为被控量，所以又称为“位置控制系统”，在国际上较多采用“运动控制”这一名 词。 在电气伺服系统中，按驱动装置的执行元件电动机来分，通常分为直流伺服系 统和交流伺服系统两大类“”。 直流伺服电动机在轴端安装高性能的速度和位置检测器，并用脉冲宽度调制 ( p w m ) 大功率晶体管( g t r ) 放大逆变器驱动，可以使直流伺服系统具有优良的控制 性能，所以在7 0 年代曾获得广泛应用。但由于直流伺服电动机存在机械换向器，需 要较多的维护，运行火花使应用环境受到了某些限制，转子容易发热，影响与其相 连接的丝杠精度，高速运行和大容量设计都受到机械换向器的限制。交流伺服电动 机本身结构简单，坚固耐用，体积小，重量轻，没有机械换向。由于电力电子器件 组成的逆变器以及微电子器件对逆变器的控制灵活性，从而取代了机械换向器，以 及计算机技术的迅速发展，过去在技术上难以实现的交流电机控制问题都已迎刃而 17 青岛大学硕士论文 解；特别是新控制策略矢量控制的应用，使得交流电机的性能取得了长足的发展， 具备了宽调速范围、高稳速精度、快速动态性能及四象限运行等良好的技术性能， 其动、静态性能完全可以与直流电动机相媲美，又克服了直流伺服电动机的缺点。 从而使交流伺服系统取得了主导地位，并使得交流伺服系统达到了直流伺服系统的 控制功能。 交流伺服电动机通常有笼型异步伺服电动机和永磁同步型伺服电动机两类，由电 子器件与其结合，分别构成异步型交流伺服系统和同步型交流伺服系统。异步型交 流伺服系统采用矢量变换控制方法，通过模仿直流伺服电动机的控制，把异步伺服 电动机的定子电流分成两个电流分量进行分别独立控制。由于实现矢量变换计算复 杂，电动机低速特性不莛，容易发热。作为伺服驱动用的同步伺服电动机，在转子 上装有永磁材料，产生恒定磁场。在伺服电动机轴的非负载端安装速度检测器和位 置检测器。通过对永磁体的磁极位置检测、控制，达到对伺服电动机精确控制的目 的。因此，在功率数千瓦、