（纺织工程专业论文）圆网印花机光电垂环同步控制器研究[纺织工程专业优秀论文].pdf

圆网印花机光电垂环同步控制器研究中文摘要 圆网印花机光电垂环同步控制器研究 中文摘要 圆网印花机多单元同步系统中，经胶毯和圆网后的印过花的布需通过导带进入烘 房。导带与作为主传动的胶毯和圆网之间的同步，由光电垂环控制。设计一个单片机 同步控制器，通过对布的光电垂环检测，产生使导带加速或减速的辅助电压，控制转 速电流双闭环直流调速系统，实现同步。光电垂环检测装置的设计可以实现对被控对 象的检测；单片机同步控制器的硬件和软件设计可以实现对主令机速度的采集、数据 处理和控制信号的输出；通过光电垂环同步控制器对转速电流双闭环直流调速系统的 控制实验，在一定的调速范围内可以实现导带与作为主传动的胶毯和圆网之间的同 步。实验表明：通过光电垂环同步控制器硬件与软件的结合与调试，可以实现导带与 作为主传动的胶毯和圆网之间的同步。 关键词：圆网印花机光电垂环单片机同步控制 作者：张政 指导教n - 左保齐 圆网印花机光电垂环同步控制器研究英文摘要 s t u d i e so ns y n c h r o n o u sc o n t r o l l e rb yp h o t o e l e c t r i cd r o p r i n gi nr o t a r ys c r e e np r i n t i n gm a c h i n e a b s t r a c t i nt h eu n i t ss y n c h r o n o u ss y s t e mo fr o t a r ys c r e e np r i m i n gm a c h i n ep r i m e dc a l i c o p a s s e dg l u e yb l a n k e ta n dr o t a r y s c r c c nn e e dp a s sg u i d a n c et a p ea n dc o m ei n t ob a k i n g h o u s e s y n c h r o n i s mo fg u i d a n c et a p e 、析mg l u e yb l a k e ta sp r i n m a r yd r i v i n ga n dr o t a r y s c r e e ni sc o n t r o l l e db yp h o t o e l e c t r i cd r o pr i n g as i n g l e - c l i pm i c r o c o m p u t e rs y n c h r o n o u s c o n t r o l l e ri sd e s i g n e d ，b yd e t e c t i n gt oc a l i c ob yp h o t o e l e c t r i cd r o pr i n g ，a u x i l i a r yv o l t a g e o fa c c e l e r a t i o na n dd e c e l e r a t i o no fg u i d a n c et a p ei sb r o u g h t ，c o n t r o l sr o t a t es p e e dd o u b l y c l o s e d r i n gd cv e l o c i t ym o d u l a t i o ns y s t e m ，e n a b l e m e n ts y n c h r o n i z a t i o n d e s i g n i n g p h o t o e l e c t r i cd r o pr i n gb l a s t e rc a ne n a b l e m e n tt od e t e c tt oc o n t r o l l e do b j e c t ；d e s i g n i n gt h e s i n g l e c l i pm i c r o c o m p u t e rs y n c h r o n o u ss y s t e ms o f t w a r ec a n e n a b l e m e n tt h ea c q u i s i t i o no f s p e e do fm a n de n g i n e ，d a t ap r o c e s s i n ga n do u t p u to fc o n t r o l l i n gs i g n a l ；b yt h ee x p e r i m e n t o fp h o t o e l e c t r i cd r o pr i n gs y n c h r o n o u sc o n t r o l l e rc o n t r o l l i n gr o t a t es p e e dd o u b l yc l o s e d r i n gd cv e l c i t ym o d u a t i o ns y s t e m ，c a ne n a b l e m e n ts y n c h r o n i s mo fb e t w e e ng u i d a n c et a p e a n dg l u e yb l a n d e ta sp r i m a r yd r y i n g t h ee x p e r i m e n ts h o w sb yc o a l e s c ea n dt e s to f p h o t o e l e c t r i cd r o pr i n gs y n c h r o n o u sc o n t r o l l e rh a r d w a r ea n ds o f t w a r e ，c a r le n a b l e m e n t s y n c h r o n i s mo fb e t w e e ng u i d a n c et a p ea n dg l u e yb l a n k e ta sp r i m a r yd r i v i n g k e yw o r d s ：r o t a r ys c r e e np r i n t i n gm a c h i n e ，p h o t o e l e c t r i cd r o pr i n g ， s i n g l e - c h i pm i c r o c o m p u t e r , s y n c h r o n i z a t i o n c o n t r 0 1 w r i t t e n b yz h e n gz h a n g s u p e r v i s e db yb a o - q iz u o 苏州大学学位论文独创性声明及使用授权的声明 学位论文独创性声明 本人郑重声明：所提交的学位论文是本人在导师的指导下，独立进 行研究工作所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本论文不含 其他个人或集体已经发表或撰写过的研究成果，也不含为获得苏州大学 或其它教育机构的学位证书而使用过的材料。对本文的研究作出重要贡 献的个人和集体，均己在文中以明确方式标明。本人承担本声明的法律 责任。 研究生签名：敞 学位论文使用授权声明 苏州大学、中国科学技术信息研究所、国家图书馆、清华大学论文 合作部、中国社科院文献信息情报中心有权保留本人所送交学位论文的 复印件和电子文档，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文。本 人电子文档的内容和纸质论文的内容相一致。除在保密期内的保密论文 外，允许论文被查阅和借阅，可以公布( 包括刊登) 论文的全部或部分 内容。论文的公布( 包括刊登) 授权苏州大学学位办办理。 研究生签名：主亟迭 e l期： 旦2 ：! q 导师签名：二t g 扯日 期：j 孕_ 上勺卫一 圆网印花机光电垂环同步控制器研究 绪论 绪论 纺织印染行业是影响到国计民生的重要行业之一，印染行业是纺织品深加工、精 加工和提高附加值的关键行业，是纺织纤维、纱线、坯布加工后进入消费者市场的最 终产品之间的纽带，印染机械在其中起着重要的作用。目前，我国的印染机械的发展 水平同国外的先进水平还存在着极大的差距，国外的技术垄断严重地阻碍了我国印染 机械市场竞争力的进一步提高。 我国印染产品仍以中低档为主，大多数产品加工尚没有突破传统工艺的框框，加 上技术装备陈旧，坯布品种、规格单调，染化料、助剂品质不高，操作管理不严等原 因，造成染整产品色差严重、纬斜、缩水超标，满足不了服装行业的高中档服装面料 的要求，不仅纺织印染产品出口竞争乏力，而且国内市场也在逐步丢失，目前，印染 布进口总量已超过出口量。印染工业产品、工艺、装备的落后，不仅使行业自身陷入 困境，产品滞销、开工不足、经济效益下降、企业亏损面扩大，而且犹如一个瓶颈， 严重制约了整个纺织工业的进一步提高和发展。 随着国内、外纺织品市场从卖方市场向买方市场的转换，印染工业正受到来自用 户的不断增长的压力。究其原因，首先是由于迅速变化的时装潮流以及市场的全球化； 其次是持续增长的价格压力和对印染产品及生产过程的生态环境要求；再次是小批 量、多品种、快交货的生产特点，皆要求染整工艺技术、装备及管理，也就是印染工 业的技术水平有一个全面的提升。因此，新型染整工艺设备的开发是实现印染工业技 术进步的有利保障；是适应印染厂技术改造更新装备的需要；是服装面料顶替进口的 需要；是缩小与国外染整设备的差距，减少进口设备的需要。 当前，嵌入式系统应用已深入到国民经济的各个方面。在工控、家电、仪器仪表、 机电控制单元等领域，单片机已成为电子系统智能化的最好的控制工具。高性能的同 步控制是圆网印花机的关键技术。利用嵌入式控制系统，实现精确的数据采集和同步 控制，与工控机控制系统相比较，具有稳定性好、速度快、成本低等优点。所以，把 嵌入式技术用在印花领域是现代科技进步的一个体现，从而促进现代纺织工业的发 展。 圆网印花机光电垂环同步控制器研究第一章研究内容的现状和概述 第一章研究内容的现状和概述 i i 研究内容现状 自二十世纪五十年代以来，我国自行设计制造了成套棉型织物染整机械，为第一、 第二个五年计划期间相继建立的大、中型印染企业配套印染设备。自第一代5 4 型染 整机械起始，经历了三次更新换代0 4 型6 5 型7 1 型一7 4 型) 。二十世纪七十年代后期 的第四代7 4 型染整机械，包括5 5 种联合机和7 7 种通用件及专用单元机，其主要特 点如下f l “2 1 ： ( 1 ) 品种适应性广，可供纯棉和涤棉混纺机织物印染加工。中、厚织物车速可 达6 0 - - - 一6 5 m m i n ，细薄织物为7 0 8 0 m m i n 。 ( 2 ) 采用可控硅控制的直流电机多单元同步传动，调速方便，电气设备性能基 本稳定，蒸箱、平洗机等多导辊传动采用力矩电机，以降低织物张力。 ( 3 ) 采用自动控制装置( 如煤气自动点火，温度、液位自动控制等) 、轧车气动 加压和轧槽气动升降等便利操作的措施。 印染工艺是印染科技进步的核心，对主要工艺参数如：温度、湿度、时间、速度、 溶液浓度等应尽可能自动检测、自动调节，达到精确控制，满足对工艺重演性的要求， 以保证质量的稳定。采用电子和微机控制技术，提高设备的自动程度，保证织物在联 合机内运行时的操作张力尽可能小，以避免在加工过程中产生织物伸长或折皱。由于 在导布、印花机对花操作时，与正常运行速度差别较大，因而必须有一定的调速范围。 目前大多采用直流同步调速系统，交流变频同步调速系统也开始广泛使用，调速范围 达1 ：l o 。 纺织品印花技术的发展进程古老漫长。我们的祖先在织物印花技艺的发展上作出 了卓越的贡献，如今常见的各种印花工艺如直接印花、防拔染印花以及轧染、蜡染工 艺的发源地都在中国。而苏格兰人在十七世纪发明的机器印花在织物印花步入现代化 的历史变革中功不可没，并由此奠定了西方工业国在现代织物印花技术领域内的领先 地位。之后的几个世纪里，纺织品印花借助技术革命的动力，取得了令人瞩目的进步。 尤其在刚刚过去的一个世纪里，由于筛网印花技术的不断完善、合成纤维和新型染料 2 圆网印花机光电垂环同步控制器研究第一章研究内容的现状和概述 的相继问世以及数字技术的迅速发展，使织物印花从技艺的作坊步入了科学的殿堂， 取得了前所未有的成就 3 - - 4 。 纺织品的印花就是在纺织品上印上各种颜色的花纹图案的方法。印花方法因使 用的工具不同而异，有辊筒印花法、平网印花法、圆网印花法、转移印花法、喷墨印 花法等等。这些传统的印花方法具有一个共同的特点，都是通过一种印花工具将印花 色浆传递到纺织品上。 随着计算机技术和数码技术的发展，可将花纹图案进行数字化处理，然后用计算 机控制直接用印花色浆来印制纺织品，这是一种不需要使用印花工具的印花技术，称 之为喷墨印花法( j e tp r i n t i n g ) 及静电印花法( e l e c t r o s t a t i cp r i n t i n g ) ，它使印花技 术发生了革命性的变化。虽然目前他们的印花速度还不够快，印墨成本较高，但不久 的将来这种印花方法将成为纺织品印花的主要方法【5 】。 印花方式可以分为直接印花、防拔染印花( 包括防浆印花) 、特种印花。直接印 花就是在织物上直接印上各种颜色的印花色浆，在纺织品上形成图案的方法。防拔染 印花就是先将纺织品染色，而后印花，印上能破坏色染的化学品( 称为拔染剂) ，获 得白色花纹，成为拔白印花；若在印花色浆中加入不能被拔染剂破坏的染料，印花时 在破坏底色的同时上染于纤维组织，可得彩色花纹，成为色拔印花。 印花时将工艺美术家在纸上设计的花布图案，通过上述印花方法如原样一般在纺 织品上呈现出来的工艺过程，除了要掌握纺织品的性能、合理选用染料、配制好印花 色浆外，还需要合理安排印花工艺流程。因此，必须掌握科学知识，还有一定的艺术 修养，印花工艺是技术性和艺术性相结合的科学。 随着印染工业发展的需要，通过引进技术、合作生产和消化吸收等途径，发展了 一批新型的染整机械，如干网印花机、圆网印花机、热定形机、长环蒸化机、树脂整 理机和防缩整理机等。除了适用于棉型机织物的成套染整设备外，在毛织物染整、丝 织物染整和针织物染整方面也开发出较多的新型机械【5 卅。 1 2 圆网印花现状与发展趋势 纺织印染行业中，印花机械按印花方式可分为平网印花机、圆网印花机和滚筒印 花机三种。圆网印花既有滚筒印花效率高的优点，又有平网印花能印制大花型、色泽 圆网印花机光电垂环同步控制器研究第一章研究内容的现状和概述 浓艳的特点，是一种在印花技术上有重大突破和发展的新兴印花技术。第一台圆网印 花机由荷兰s t o r k 公司于一九六三年推出，近几年来由于宽幅织物、化纤织物和弹 性织物的迅速增加更促进了圆网印花的发展。 与其它类型的印花机械相比，圆网印花机的特点有【7 】： ( 1 ) 实现高速印花生产，车速一般为4 8 0 m m i n 。 ( 2 ) 圆网印花机一般有1 2 - 2 4 个印花轴，可完成低于印花轴数的多种套色花 布生产。 ( 3 ) 幅宽在16 2 0 , - 。3 2 0 0 m m 的花型，圆网常用周长为6 4 0 m m ，适于加工从细 薄膜的巴厘纱到厚重的针刺地毯等众多品种。 ( 4 ) 操作方便、对花准确。 圆网印花机印花精度的关键技术主要有两项：其一是圆网驱动系统，其二是圆网 和刮刀装置。圆网驱动系统主要经历了圆网机械式整体驱动和圆网独立驱动两个阶 段：在整体驱动阶段，所有的圆网由同一个传动系统驱动，不能对各圆网实施灵活的 调控；进入独立驱动阶段后，各圆网拥用独立的驱动系统，随着传动系统的飞速发展 和计算机控制技术的采用，各圆网同步控制的精度大大提高，操作、同步调整能力及 灵活性也大大增强，使印花加工效率、花型更换、系统维护、工艺管理等各方面都有 了较大的改观，充分适应了现代印花的需求：多品种、少数量、高性能、高效率。目 前，世界上圆网印花机的主要生产厂商有：荷兰斯托克( s t o r k ) 、意大利美佳尼 ( r e g g i a n i ) 、奥地利利齐马( z i m m e r ) 、瑞士布塞( b u s e r ) 、日本一之濑 ( i c h i n o s e ) 等，其生产的新一代圆网印花机均在不同方面体现了该技术的国际水 平及发展方向【8 1 0 1 ，即： ( 1 ) 圆网独立传动，即圆网均由各自的电机独立驱动，从而缩短了机械传动链， 提高了整机的可靠性和印花精度，同时圆网印花单元模块化，使系统扩充和维护极为 方便。 ( 2 ) 采用先进的计算机控制与管理技术，使整机系统向智能化、集成化、高精 度、印花工艺高度灵活以及环保降耗方向发展。 上述两方面互为依托，密切相关。前者是基础，后者是核心和关键。在新式圆网 印花机中，先进的计算机控制与管理技术，对印花精度和生产效率的提高起着至关重 要的作用。 4 圆网印花机光电垂环同步控制器研究 第一章研究内容的现状和概述 1 3 课题目的和意义 圆网印花技术是八十年代从国外引进的先进印花技术，近二十年来圆网印花技术 发生了巨大的变化。我国生产的圆网印花机目前主要采用的仍然是机械共轴传动技 术，即在传动方面由一台电动机经传动轴、传动链或皮带拖动各单元主动轴转动。这 种传动方式缺点是机械传动设备复杂、传动效率低，与国际水平相比存在明显的差距， 主要体现在： ( 1 ) 传动环节多，累积误差影响印花精度的提高； ( 2 ) 随着机械磨损的逐步加剧，容易出现“跑花”，影响印花质量； ( 3 ) 对不同厚度织物的适应性受到限制。 目前，国际上多数采用多单元分部传动，即每个主动轴分别由一台电动机拖动， 各单元在控制上保证协调运行。在我国现有印染设备中，目前仍大量使用的是晶闸管 直流电动机同步拖动系统。故有必要在此基础上，采用先进的数字控制技术对现有设 备进行改进，使其性能达到或接近国际先进水平。 本课题就是在这样的背景下产生的。通过对通过光电垂环同步控制器对转速电流 双闭环直流调速系统的控制实验，在一定的调速范围内可以实现导带与作为主传动的 胶毯和圆网之间的同步。利用单片机实现了同步控制，能够利用光电垂环的检测进行 对布料的运行速度的控制，成功控制布料的加减速，为的是能够保证布料的稳定速度 运行。对于促进我国纺织工业的科技进步、满足我国印染工业 的发展需求、替代进口、扩大出口等方面都具有重大意义。 1 4 本文研究的主要内容 本文是在对控制系统的研究、开发和调试的基础上完成的，主要研究内容有以下 几个方面： ( 1 ) 根据圆网印花机的性能要求，对圆网印花机的单片机控制系统的硬件和软 件进行设计。 ( 2 ) 针对圆网印花机的同步特性，设计了“同步控制器”，使控制进布单元、印 花单元、烘房单元以及落布单元问同步运行。该同步控制器也可作为一种工业通用的 同步控制器，用于其它液位、张力、速度等同步控制场合。 圆网印花机光电垂环同步控制器研究 第一章研究内容的现状和概述 ( 3 ) 根据实际生产中对调速系统能够正反转运行的要求，采用转速、电流双闭 环直流调速系统，双闭环调速系统的两个调节器均采用了p i 调节器，获得了良好的 动静态性能。 ( 4 ) 分别进行硬件、软件调试及联合调试，使圆网印花机在最佳状态下工作， 可以实现导带与作为主传动的胶毯和圆网之间的同步，保证了纺织品质量的稳定。 6 圆网印花机光电垂环同步控制器研究第二章圆网印花机的体系结构 第二章圆网印花机的体系结构 2 1 圆网印花机结构组成 独立传动式圆网印花机( 以下在没有特别说明时均简称为圆网印花机或圆网系 统) 通常分为四个单元：进布单元、印花单元、烘房单元和落布单元，采用直流电机 同步拖动。其结构示意图如图2 一l 所示【1 卜1 2 1 。 壕房 图2 1 独立传动圆网印花机结构示意图 2 2 圆网印花机工作原理 进布单元的作用是对坯布( 待印织物) 作印花加工前的工艺整理，将织物从布卷 或布车中以要求的速度和张力按一定速度馈送到印花单元，无折皱地引导到导带的准 确位置上。 印花单元是整个印花机的核心，它由印花橡胶导带( 简称胶毯) 、主令电机、圆 网电机、圆网、对花装置、水洗和刮刀( 或磁棒) 装置、给浆系统组成。坯布进入印 花导带上，通过热塑胶的粘合作用，将织物粘贴在印花导带上，连续地经过印花圆网。 圆网是内部装有印花浆料、磁棒或刮刀的镍网，镍网上有极小的渗透孔，大量的渗透 孔形成花样，在圆网内磁棒或刮刀的挤压下，印花浆料从圆网的渗透孔中渗出印在坯 布上。当坯布依次经过各印花圆网后，就完成了橡胶导带及圆网转动的由直流电动机 拖动的印花过程。当各圆网对导带的跟踪能实现无静差，并有相同控制特性时，各圆 网间就能实现完全同步，从而能保证印花的精度。完成了印花的坯布，被送至烘房进 行烘干。 7 圆网印花机光电垂环同步控制器研究第二章圆网印花机的体系结构 烘房的作用是迅速烘干已印花的织物，热源可分蒸气、热油和煤气三种。印花织 物进入烘房是依靠主动辊传动的聚酯导带，并借助热风喷嘴的压力，使织物平稳地贴 于导带上进行烘干，导带的主动辊由另一台直流电动机拖动。 落布单元由直流电动机传动导辊，把烘干的印花织物从烘房引出，如果烘房传送 导带和落布导辊之间布的张力发生变化，松紧架就会发生移动，以调节落布电机的速 度使其与烘房导带的速度相适应，直至达到原来调节的速度为止。 圆网印花机是使用无接缝圆筒筛网进行连续印花的一种筛网印花机，既保持了筛 网印花的风格，又提高了印花生产效率。其基本工艺参数见表2 1 【1 3 1 5 1 。 表2 1 圆网印花机基本参数 项目基本参数 机器公称宽度m m 1 6 0 0 、1 8 0 0 、2 4 0 0 、2 8 0 0 、3 2 0 0 适用织物宽度m m 1 4 0 0 、1 6 0 0 、2 2 0 0 、2 6 0 0 、3 0 0 0 圆网周长( 花回) m m 6 4 0 、8 2 0 、9 1 4 、1 0 1 8 印花套色数 8 、1 2 、1 6 、2 0 、2 4 烘房工作温度 c 1 0 0 1 5 0 车速m m i n 1 6 8 0 对花精度m m 相邻圆网误差不大于o 1 ，任意两圆网误差不大于o 3 圆网印花机生产中正常运行速度为3 0 - - 6 0 m m i n ，选取圆网印花机最低车速为 4 m m i n ，最高车速为8 0 m m i n ，则调速比d 为：最高速( 8 0 m r a i n ) 最低速( 4 m r a i n ) = 2 0 。圆网印花的四个单元中：印花导带电机因其容量最大定为主令机，这 样有利于同步控制；在从动机中，烘房单元对同步要求较高，选取烘房单元的电机为 从动机。由于印完花的布在未经烘房烘干前，上面涂满各种染料，若采用松紧夹等有 接触的同步调节装置必将使刚印制在织物上的浆料经导辊接触而污染花布，故印花单 元与烘房单元之间不能设置机械松紧夹，必须采用无接触同步方式。本设计采用光电 垂环检测，比采用机械松紧夹接触式系统更安全、可靠，使控制系统的精度和稳定性 得到有力的保障。同步调节元件光电垂环通过对布料悬垂程度的检测，输出正确的高 低电平值送入单片机，以精确控制布料的加、减速运动。 圆网印花机光电垂环同步控制器研究 第三章总体方案设计 第三章总体方案设计 3 1 系统模块划分 根据系统控制要求，系统可分为光电检测模块、采集值输入模块、模数转换模块、 转换和显示模块、输出控制模块。其总体方案框图如图3 1 所示。 抽电机姚卜i 曩_ 煦卜_ 锨l 。弗的黻卜+光电撞凇妞卜 图3 - 1 系统总体方案框图 丧i 冀瑕 闭耳 熏毵 3 1 1 光电检测模块 通过光电检测模块检测系统的加减速信号。当加速开关触发时调用加速程序从而 实现系统的加速，当减速开关触发时则调用减速程序以实现系统的减速。 3 1 2 采集值输入模块 主令机的速度经运算放大器按比例变为0 - - 一5 v 的电压，然后经过a d c 0 8 0 9 转换 变为数字信号输入到单片机中，从而达到控制系统输出的要求。 3 1 3 模数转换模块 用d a c 0 8 3 2 完成系统的输出转换，使系统的一个数值量转化为模拟量并输出。 3 1 4 转换和显示模块 把采集到的数据转换为相应的要输出的模式，其间要经过相应的转换。完成对系 统的最直接的控制，其性能指标对系统的完成有着十分重要的作用。 3 1 5 控制输出模块 这个模块的输出控制电压给直流双闭环调速系统，使电机加减速。系统设置两个 9 圆网印花机光电垂环同步控制器研究第三章总体方案设计 调节器，分别调节转速和电流，二者之间实行串级连接，即以转速调节器( 圆网印花 机光电垂环同步控制器) 的输出作为电流调节器的给定，再将电流调节器的输出作为 晶闸管触发装置的控制电压。从闭环反馈的结构上看，电流调节环在里面，是内环； 转速调节环在外面，成为外环。这就形成转速、电流双闭环调速系统。 3 2 模块的设计 3 2 1 光电检测模块 作为一个完整的检测系统，应包括信息的获得、变换、处理和显示等几个部分。 因此，具体来说，光电检测系统由光电传感器、处理电路和显示控制等三个基本部分 组成，如图3 1 所示。 图3 1 光电检测系统的基本组成 显然，光电传感器是检测系统的核心部分。它以光为媒介，以光电探测器件为手 段，将各种待检测量变换成电量( 电流、电压或频率) 。它将决定整个检测系统的灵 敏度、精度、动态响应等。处理电路的作用是将光电传感器输出的微弱电信号进行放 大、处理( 解调、数模或模数转换) 、运算等，以适应后续显示、控制或执行机 构的要求。 光电传感器通常都由光源、光学系统和光电探测器三部分组成，他们间的关系如 图3 2 所示。用于光电传感器中的光源可采用白炽灯、气体放电灯、半导体发光器、 激光器等器件。光学系统的器件可以是透镜、棱镜、反射镜等，光电探测器有光敏电 阻、半导体光电管、光电池、光位置敏感器件等。 图3 - 2 光电传感器方框图 本设计采用的开关式光电检测系统，通过检测光的有无来检测待测量( 模拟量) ， 并以开关量形式输出。 1 0 圆网印花机光电垂环同步控制器研究第三章总体方案设计 多单元同步拖动中，为了消除运行过程中联合机组中各单元机的线速度不一致， 在单元机之间设有线速度调节装置，它作为速差积分元件，既起到检测的作用，又作 为调节元件在动态过程中起缓冲作用。线速度调节装置是靠非电量信号检测转换成电 量信号( 电压或电流) ，以控制从动单元机的线速度，使各单元线速度达到同步。本 设计的线速度调节采用的是垂环式线速度调节装置，它是利用单元之间织物垂环长度 ( 松弛程度) 的变化，通过光电效应控制从动单元机速度，这是一种低张力线速度调 节装置，结构简单，适用于既不能承受张力，又不允许折皱的平幅织物( 如针织物、 丝绒织物等) 。 图3 3 ( a ) 为光电垂环式结构示意图，当v 2 与v l 产生速度差时，垂环的高度发 生变化，从而发出加减速调节指令，( 光电垂环式设置如图3 3 ( b ) 所示，图3 3 ( c ) 为其俯视图) ，经过圆网印花的布料，经胶毯送至导带，再经导带送至烘房单元烘干。 在未烘干前，布的印花面不允许与机械有接触，因此要使导带与主令机胶毯保持协调 运行，必须采用无接触同步方式，其同步调节元件就是光电垂环。从图3 3 ( b ) 上可 以看出，当导带线速度v 2 与胶毯线速度v l 保持协调时，处于正常的“0 ”位置。此时 光电开关幻的反射光被垂环遮挡，v0i 为“0 ”，而光电开关k a 的反射光不被遮挡， v02 为“1 ”。若v 2 v l ，垂环绷紧，布处 于2 ，位置，v o j 为“1 ”，而光电开关k 2 的反射光被垂环遮挡，v 0 2 为“0 ”，这时发出 减速信号。 v 1 具体电路设计方案： v ：髫谚 v ：蛰! ，创 ： 专 h删一牛 圆网印花机光电垂环同步控制器研究第三章总体方案设计 方案1 ：采用3 5 * 5 1 圆形子弹头l e d 和3 d u 2 1 三极管组成光电垂环电路。当 布形成垂环时，输出由发射极经单门限比较电路转换为输出电压为零然后送入单片 机：当布不形成垂环时，输出由发射极并经单门限比较电路转换为+ 5 v 电压然后送入 单片机。 方案2 ：采用反射型红外光电传感器组成光电垂坏电路。这可以模拟实际，当白 色物体挡住红外光电传感器时，输出电压为零。反之，当白色物体未挡住红外光电传 感器时，输出电压为+ 5 v 。 图3 _ 4 光电垂环检测电路 图3 4 为光电垂环检测电路，即前面提到的光电开关k 1 、k2 ，它由红外发射管 v d 和光敏三极管v t 组成。由于光敏三极管的输出电压较低，我们通过由压比较器 l m 3 2 4 组成的单门限比较电路提高输出电压，使其能够作为送入单片机p1 口的开关 电平信号。r w i 和r w z 作为调节电位器，可分别调节光电传感器输出和比较器门限 电压。 3 2 2 采集值输入模块 a d c 0 8 0 9 是用来实现模拟量向数字量的转化，a d c 0 8 0 8 0 8 0 9 是双列直插式集成 电路芯片，是8 通路8 位a d 转换器，a d c 0 8 0 8 0 8 0 9 是一种带有8 位转换器、8 位 多路切换开头以及与微处理机兼容的控制逻辑的c m o s 组件。a d c 0 8 0 9 的转换方法 为逐次逼近法，a d c 0 8 0 9 无需调零和满量调整，又由于多路开关的地址输入能够进 行锁存和译码，而且它的三态1 几输出也可以锁存，所以易于与微处理机进行接口。 a d c 0 8 0 9 由两大部分所组成，第一部分为八通道多路模拟开头，它用于控制c 、 b 、a 端子和地址锁存允许端子，可使其中一个通道被选中。地址选通关系是c 、b 、 1 2 圆网印花机光电垂环同步控制器研究第三章总体方案设计 a 按二进制编码选通i n o i n 7 ，如表3 1 所示。 表3 1 通道选择 地址码c b a oo0 l oo o0l 10l 010 1l0 o1 1 111 被选择的模拟通道 i n o i n l i n 2 i n 3 i n 4 i n 5 i n 6 i n 7 a d c 0 8 0 9 为一逐次逼近型加转换器，它由比较器、控制逻辑、输出缓冲锁存 器、逐次逼近寄存器以及2 5 6 r 电阻分压器组成。 由于芯片使用+ 5 v 电源，基准电源也为+ 5 v ，可转换的模拟量为0 , - 一5 v 。由于所 设计的电路是由电位器给定电动机的转速并把电位器给定的0 - 5 v 电压转换为数字 信号送入单片机，因此只需要一个通道，可以使a 、b 、c 同时接地，即a = b = c = 0 ， 送入零信号选中i n o 通道。8 0 5 1 的w r 、r d 与p 2 0 通过逻辑门控制a d c 0 8 0 9 的启 动、锁存和输出。当p 2 o = 0w r = o 时启动a d c 0 8 0 9 ：当p 2 o = 0 、r d = 0 时，读转换 结果。a l e 的输出经过二分频送入c l k 引脚。同时a d c 0 8 0 9 的数据线d o , - 一d 7 接于 8 0 5 1 的数据总线p0 o p0 7 端，转换结果由p0 口送入c p u ，电路如图3 5 所示。 图3 5电位器给定电机和a d c 0 8 0 9 与8 0 5 1 的接口电路 圆网印花机光电垂环同步控制器研究第三章总体方案设计 3 2 3 模数转化模块 单片机输出为数字信号，因此，还需要模拟量输出通道。模拟量输出通道的作用 是把数字量二进制信号转换为模拟量输出信号。d a c 0 8 3 2 是双列直插式2 0 引脚集成 电路芯片，先完成d a 转换，再把信号放大到0 - - 9 v 。其主要性能如下：输入数字 为8 位二进制数，基准电压工作范围为+ 1 0 v 1 0 v ，供电电源是单电源+ 5 v + 1 5 v ， 电流稳定时间是l u s ，与，丌l 电平兼容，功耗为2 0 m w 。 d a c 0 8 3 2 内部有一个t 型电阻网络，用来实现d a 转换。它需要外接运算放 大器才能得到模拟电压输出。在d a c 0 8 3 2 中有两级锁存器，第一级为8 位输入锁存 器，它的锁存信号为a l e 。第二级8 位d a c 锁存器，它的锁存信号也称为通道控制 信号x f e r 。因为有两级锁存器，所以d a c 0 8 3 2 可以工作在双缓冲工作方式，即在 输出模拟信号的同时可以采集下一个数字，先存入输入寄存器而不影响此时的模拟电 压的输出，可有效的提高转换精度。另外，有了两级锁存以后，当多个d a 转换器 要求同步输出时，就可以先将各个待转换数字一一对应的存入各个输入寄存器中，然 后向各个转换器同时发出第二级锁存信号而达到同步输出的目的。 当a l e 为高电平，c s 和w r l 为低电平时，a l e l 为l ，此时输入寄存器的输出 随输入而变化。此后，当w r l 由低电平变高时，a l e l 成为低电平，数据被锁存到输 入寄存器中，输入数据的输出端不再随外部数据的变化而变化。 对第二级锁存器来说，x f e r 和w r 2 同时为低电平时，a l e 2 为高电平，这时8 位的d a c 寄存器的输出端随输入而变化，此后，当w r 2 由低电平变高时，a l e 2 变 为低电平输入寄存器输入的数据将锁存到d a c 寄存器中。 可以用下面两种方法使d a c 0 8 3 2 工作于单缓冲方式。第一种方法是使输入寄存 器工作在锁存状态。具体的说就是使x f e r 和w r 2 都接低电平，这样，d a c 寄存器 的锁存端l e2 总处于高电平，其输出端总根据输入数据变化；对输入寄存器，让a l e 总处于高电平，当在c s 和w ri 端同时加负脉冲时，即可将数据锁存到输入寄存器， 从而将数据加到8 位d a 转换器的输入端而开始一次转换。第二种方法是使输入寄 存器工作在不锁存状态( 直通状态) ，而使d a c 寄存器工作在锁存状态，就是将a l e 接高电平，而c s 和w r i 都接低电平，这样，输入寄存器的锁存信号处于无效状态 ( l e1 为1 ) ，即输入寄存器的输出跟随输入而变化。当在x f e r 和w r 2 端输入一个 1 4 圆网印花机光电垂环同步控制器研究第三章总体方案设计 负脉冲时，数据将通过输入寄存器而锁存到d a c 寄存器中，即开始一次转换。 d a c 0 8 3 2 是电流型输出的，有电流输出1 ( i o u t i ) 和电流输出2 ( i o u t 2 ) ，i o u t l + i o u t 2 = 常数。，当d a c 寄存器为全“1 ”时，i o u t 2 输出电流最大，那么 o u t 2 的输出电流则最小， 反之亦然。通常要求d a 转换的输出是电压而不是电流，因此，需在d a c 0 8 3 2 的 输出端接一运算放大器，将电流信号转换为电压信号。 按应用要求的不同，d a c 0 8 3 2 可以接成单极性电压输出方式，也可以接成双极 性电压输出方式。下图为d a c 0 8 3 2 单极性电压输出电路。d a c 0 8 3 2 的i o u t i 和r r , 之 间已有一个15k f 2 的内部反馈电阻，通常只需将运算放大器的输出端u o u t 和r i b 端 短接起来即可。但为调整输出电压方便，有时要加上外部反馈电阻r0 和电位器r p ， 输出电压等于输出电流乘反馈电阻值。其极性总是和基准电压v r e f 相反。这样改变 v p , 正v 的极性即可改变u o 眦的极性，得到正电压输出或负电压输出。本次设计的输出 电路用来控制双闭环直流调速系统，其输出的给定电压为0 5 v 电压，所以d a c 0 8 3 2 接成单极性电压输出方式。又因为单极性电压输出的是负电压，只需再添加一个运算 比例放大器，则极性就会反过来，电压即为所需电压。 图3 6 d a c 0 8 3 2 的单极性电压输出电路 3 2 4 转换和显示模块 l e d 显示器是由发光二极管显示字段组成的显示器，有共阴极与共阳极两种。 如图所示，共阴极l e d 显示器和发光二极管的阴极连接在一起，通常此共阴极接地， 当某个发光二极管的阳极为高电平时，发光二极管点亮相应的段被点亮。同样，共阳 极发光二极管的阳极连接在一起，通常此共阳极接正电压，当某个发光二极管的阴极 接低电平时，发光二极管被点亮，同时相应的字段被显示。l e d 显示器电原理图如 1 气 圆网印花机光电垂环同步控制器研究第三章总体方案设计 图3 7 所示。 7642 191 05 76鲁 219 1 0 5 b s 2 1 2 型共阳极b s 2 0 2 型共阴极 图3 7l e d 显示器电原理图 图3 7 中的b s 2 0 2 型为共阴极l e d ，b s 2 1 2 型是共阳极l e d ，它们的几何尺寸 和字形相同。每一种l e d 又有不同的发光颜色。例如，b s 2 0 2 型中，b s r 2 0 2 发绿光； b s 2 1 2 型中，b s r 2 1 2 发红光，b s g 2 1 2 发绿光。一般地，发红光的l e d 每段流过5 m a 的平均电流，就可以有较满意的亮度，7 m a 的电流会更亮些，1 0 m a 以上也不会再亮 多少，但长期运行于1 0 m a 以上会缩短其寿命，最大电流平均值不得超过3 0 m a 。l e d 显示器允许的反向电压最大值为5 v ，此时反向电流一般小于1 0 u a 。小尺寸的l e d 显示器每段只有一个发光二极管，其正向压降约为1 5 v ，一般不大于2 v 。 l e d 显示器有静态显示和动态显示两种方式。所谓静态显示就是需要显示字符 连续通过电流，因而所显示的字段连续发光。 7 4 h c l 6 4 驱动的l e d 显示电路( 共阴极) 如图3 8 所示。 图3 87 4 h c l 6 4 驱动的l e d 显示电路( 共阴极) 1 6 厕网印花机光电垂环同步控制器研究第三章总体方案设计 整个显示电路只需要三个共阴极七段数码管和三个7 4 l s l 6 4 。其中前两个数码管 用来显示主令机的速度( 电位器给定电压) ，后一个数码管用来显示电动机需要加速 还是需要减速。当印花与烘房之间布张紧到一定程度时，光电垂环减速开关即导通， 产生减速信号，这时显示电路的最低位显示l 。一旦印花与烘房之间布垂下来形成垂 环，光电垂环加速开关即导通，产生加速信号，这时显示电路的最低位显示h ，实现 印花与烘房之间的同步控制。 3 2 5 双闭环的控制模块 在实际生产中，许多情况下希望调速系统能够正反转运行，即使不需要正反转， 也希望尽量缩短起动时间，提高生产效率。直流电动机的理想起动波形如图3 9 所 示： m i 蛔 0 图3 9 直流电机理想起动波形 这时起动电流近似方形波，而转速是线性增长的。这是在最大电流( 转矩) 限制 的条件下调速系统所能得到的最快的起动过程。 实际上，由于主电路电感的作用，电流不能突变，图3 - 9 所示的理想启动波形只 能得到近似的逼近，不能完全实现。为了实现在允许条件下最快启动，关键是要获得 一段使电流保持为最大值i d 。懈，的恒流过程。按照反馈控制规律，采用某量的负反馈 就能得到近似的恒流过程，这就需要控制转速和电流两个信号。在需要控制的两个信 号中，转速信号是主控信号，电流信号是根据转速的误差进行控制的信号。为了实现 转速和电流两种负反馈分别起作用，在系统中分别设计了两个调节器，分别调节转速 和电流，两者之间实行串级连接。把转速调节器的输出当作电流调节器的输入，再用 电流调节器的输出去控制晶闸管整流器的触发装置，如图3 一1 0 所示：。 1 7 圆网印花机光电垂环同步控制器研究 第三章总体方案设计 图3 1 0 转速、电流双闭环恒流调速系统 为了获得良好的静动态功能，双闭环调速系统的两个调节器采用p i 调节器，两 个调节器的输出均设有限幅。转速调节器a s r 的限幅电压是u * i m ，其决定电流调节 器给定电压的最大值；电流调节器a c r 的输出限幅电压是u c h i i ，其限制品闸管整流 器输出电压的最大值。 为分析双闭环系统的静特性，绘出它的稳态结构图，如图3 一1 1 所示。 图3 1 l 转速、电流双闭环直流调速系统稳态结构图 在正常运行时，由于电流调节器是不会达到饱和状态的，因此，对于静态性来说 只有转速饱和与不饱和两种情况。 转速调节的作用： ( 1 ) 使转速n 跟随给定电压u g h 变化，稳态无静差： ( 2 ) 对负载变化起抗扰作用； ( 3 ) 其输出限幅值决定允许的最大电流。 电流调节器的作用： ( 1 ) 对电网电压作用及时抗扰作用； 圆网印花机光电垂环同步控制器研究第三章总体方案设计 ( 2 ) 起动时获得允许的最大电流； ( 3 ) 在转速调节过程中，使电流跟随其给定电压u g h 变化； ( 4 ) 当电机过载甚至于堵转时，限制电枢电流的最大值，从而引起快速的安全 保护作用。如果故障消失，系统自动恢复正常。 丑 撕 ol血mhi d 图3 1 2 转速调节器( a s r ) 和电流调节器( a c r ) 在双闭环调速系统中的作用 3 3 程序设计和控制算法 3 3 1 程序设计原理 本设计中，要求对采集进来的电机转速进行速度段的判断，在判定了以后再依据 光电垂环信号进行加减速的判断。在进行速度段的判断时，由于电机转速的范围较大， 所以进行分段输出控制量来设计。低速段段数较少，中速段段数较多，因为中速是经 常运行速度，高速段段数也较少，在此总共分为了1 0 段。在3 0 6 0 m r a i n 速度段 内分了6 段，高速低速各两段，每个段都对应着电机转速的一个范围段，同样在单片 机内也对应一段数据值。分完段后，对采集进来的电机转速进行速度段的判定，并根 据光电垂环信号来判定是否进行加减速。若判定是加速则调用加速子程序，判定是减 速则调用减速子程序，不加不减则保持速度不变，从而实现加减速的要求。 由于系统要根据不同的情况进行不同的