（控制理论与控制工程专业论文）无刷电机控制器在细纱机中的应用.pdf

摘要 细纱机是纺纱工艺中极为重要的机械设备，同时，是纺织机械中消耗能源量 最大的设备之一。因而，对细纱机进行节能控制的改进无疑具有十分深远的意义。 以直流无刷电动机作为细纱机的主电机，取代传统的交流电机+ 变频调速模 式是本课题最为显著的特征。采用直流无刷电动机，不仅能很好的实现传统细纱 机中变频器所完成的各项功能，而且比应用变频器节省能源。无刷直流电动机由 于其固有的结构简单、高效、低噪声、高功率密度、启动扭矩大、寿命长等特点， 在工业领域中得到越来越广泛的应用。 本文重点论述了在细纱机的电气控制中，直流无刷电机控制器的设计。旨在 说明直流无刷电机控制器对电动机转速控制以及换相控制的实现方法和技术优 势。对于转子位置传感器及其检测电路的硬件设计、p w m 脉宽调制技术的实现、 i g b t 逆变单元的设计，以及串行通讯接口的设计进行了详细的描述；介绍了以 t m s 3 2 0 家族的d s p 为核心控制器的控制系统的设计方案。 本文还阐述了上位机可编程逻辑控制器对直流无刷电机控制器的控制方式： p l c 采用异步串行通讯方式控制直流无刷电机控制器，定时比较检测锭速和设定 锭速，对无刷电机控制器输出自动做适当修正，实现一种简易的速度闭环控制。 关键词：细纱机直流无刷电动机p w md s p 位置传感器 换向控制转速控制 a b s t r a c t t h es p i n n i n gf r a m ei st h ee x t r e m e l yi m p o r t a n te q u i p m e n tw i t h i nt h et e x t i l e s p i n n i n gp r o c e s s a tt h es o n i ct i m e ，i ti sa l s oo n eo ft h ee q u i p m e n t st h a tc o n s u m e m u c he n e r g yr e s o n r e c st h e r e f o r e ，i ti sd e f i n i t e l ym e a n i n g f u la n db e n e f i c i a lt o i m p r o v et h ee f f i c i e n c ya n de f f e c t i v e n e s sn f e n e r g ys a v i n gs y s t e mo f s p i n n i n gf r a m e t h em o s to b v i o u sc h a r a c t e r i s t i c so ft h i sr e s e a r c hi st h a td cb r u s h l e s sm o t o r w o r k sa st h em a i nm o t o r , t a k i n gt h ep l a c eo ft h et r a d i t i o nm o d e lo fa cm o t o rp l u s s p e e dr e g u l a t i o nv i af r e q u e n c yc o n v e r s i o nd cb m s h l e s sm o t o rc a nn o to n l yf u l f i l la 1 1 f u n c t i o n si m p l e m e n t e db yt h et r a d i t i o n a lf r e q u e n c yc o n v e r t e r , b u ta l s os a v em u c h m o r ee n e r g yt h i nt h et r a d i t i o n a lo n ed o e sb e f l o r e n o w a d a y s d cb r u s h l e s sm o t o rh a s b e e nw i d e l yu s e di nt h et e x t i l ei n d u s t r y , d u et oi t sa d v a n t a g e ss u c ha s ：s i m p l e s t r u c t u r e ，h i g he f f i c i e n c y , l o wn o i s e ，h i g hp o w e rd e n s i t yl a r g es t a r t i n gt o r q u e ，l o n g l i r ep e r i o da n ds oo n t h i sp a p e rm a i n l ye x p l o r e st h ed e s i g no fd cb r u s h l e s sc o n t r o l l e ri nt h es p i r m i n g f r 0 j n e f o c u s i n go n 也ep r o c e s so fe l e e t r i c a lc o n t r 0 1 t h em a i np u r p o s ei st oi l l u s t r a t e t h es o l u t i o na n dt e c h n o l o g y a d v a n t a g e so fd ch r u s h l e s sc o n t r e l l e r , i na c c o u n to f r o t a t i o n a ls p e e dc e n t r e la n dp h a s i n gr o t a t i o nc o n t r o lf u n c t i o n i ta i s 0i n t r o d u c e s ：1 t h e h a r d w a r ed e s i 蛆o fr o t o r - p o s i t i o ns e n s o ra n di t sd e t e c t i n gc i r c u i t ；2 t h et t t i l i z a t i o no f p w mt e c h n o l o g y ；3 t h ed e s i g no fi g b tr e v e r s ec o n v e r s i o nu n i t ；4 t h ed e s i g no f s e r i e s c o m m u n i c a t i o ni n t e r f a c e s ；5 t h ed e s i g no fc e n t r e ls y s t e m , i nw h i c ht h ed s po f t s 3 2 0f a m i l yi su t i l i z e d t h ec o r ec o n t r o l l e r f u r i h e r m o r e ，t h i sp a p e re l a b o r a t e st h ec o n t r o l l i n gm o d eo fd cb r u s h l e s s c o n t r o l l e rb yt h ep l c ：c o n t r o l l i n gt h ed cb m s h l e s sm o t o rb ya s y n c h r o n o u ss e r i e s c o m m u n i c a t i o n ，d e t e c t i n g ，c o m p a r i n ga n di n s t a l l i n gt h es p i n d l es p e e d ，r e v i s i n gt h e o u t p u tf r o mt h i sc o n t r o l l e r , r e a l i z i n gt h ec l o s e d - m o ps p e e dr e g u l a t i o n k e yw o r d s ：s p i n n i n gf r a m e d cb m s h l e s sm o t o rp w m d s p p o s i t i o n i n gs e n s o rr e v e r s i n gc o n t r o l r o t a t i o ns p e e dr e g u l a t i o n 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作和取得的 研究成果，除了文中特别加以标注和致谢之处外，论文中不包含其他人已经发表 或撰写过的研究成果，也不包含为获得丞洼王些太堂或其他教育机构的学位或 证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文 中作了明确的说明并表示了谢意。 学位论文作者虢栽名水 签字慨加侔l 胴r 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解丞潼王些太堂有关保留、使用学位论文的规定。 特授权丞洼工些太堂可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行 检索，并采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编以供查阅和借阅。同意学 校向国家有关部门或机构送交沦文的复印件和磁盘。 ( 保密的学位 仑文在解密后适用本授权说明) 学位论文作者签名：翁舞水 签字同期：p 。f 年卫月弼r 导师签名： 签字同期：2 i 弛年2 _ 月醒同 学位论文的主要创新点 一、在细纱机的电气控制中采用了直流无刷电机控制器 位置传感器将采集到的转子磁极位置信号经控制电路进行逻辑 变换后产生脉宽调制p w m 信号，再经过驱动电路放大后，控制逆变器 各功率开关管，从而控制电动机各相绕组按一定的顺序工作。同时， 实时调整p w m 占空比等来实现定子电流调节，从而控制电机转速。直 流无刷控制器不仅克服了原来的有刷电机系统可靠性低、寿命短、噪 音大等缺点，而且，能够实现高产优质、节约能量、节省人力的目的。 二、位置传感器的设计 采用了有位置传感器的电机控制系统，由于转子位置检测电路、 启动控制电路的减少，使得整个控制系统的硬件电路趋于简单化。 三、速度检测电路 将霍尔传感器信号接入d s p 的捕获单元触发引脚时，接入一无刷 直流电动机闭环适配器，输出一列宽窄不变的窄脉冲信号，从而简化 了软件算法，提高了d s p 运行效率。 第一章绪论 1 1 细纱机简介 第一章绪论 1 1 1 细纱机的任务和工艺流程 细纱机足纺纱：i ：艺的术道机器，其任务是：牵伸粗纱所需细度的须条：将须 条加捻成有一定强度的细纱；将细纱绕成一定卷装，供贮存、运输、迸一步加工 用。粗纱从粗纱筒管上退下来，经过导纱杆和横动装置上的喇叭口，进入牵伸装 置被牵伸成一定粗细的须条。须条从前罗拉晕吐出来立即被加捻成细纱，然后穿 过导纱钩和钢丝圈，绕在紧套锭秆顶部的筒管上，锭杆高速回转，通过纱条拖动 钢丝圈在钢领上回转。出于钢丝圈与钢领之间的接触摩擦力及气圈纱条上空气阻 力的作用，钢丝圈的转速落后于筒管或锭杆的转速。钢丝圈每转一转就给纱条加 上一个捻回，同时钢丝圈相对于筒管的转速差就完成了细纱在筒管上的卷绕。钢 领装在钢板上，随着板的升降，细纱便均匀的分布在简管的锥形卷绕面上；并且 每次短动程升降之后，钢领板随即做一次级升运动，使细纱绕在新形成的锥面上。 这样，多锥( 台) 面纱层的连续叠合即形成了外形呈圆柱装的细纱卷装。 1 1 2 细纱机的发展概况与趋势 我国棉纺行业在近十几年来主机不断设计改进，各种纺纱元件器材不断开发 创新，其中，环锭细纱机有较大提高，其工艺成熟，纺纱质量稳定。f a 系列细 纱机已完成九八年原纺织工业部制订的棉纺工艺路线中细纱播拈工艺中速度中 播装的要求。由于当前国内外市场产品种的要求，棉纺织工业的产品向“轻、 精。粗、旷”两极发展，纤维多样化的开发应用，使棉纺工业正在向中粗支与 高支、特高支发展。已生产6 0 支、8 0 支、1 0 0 支甚至更高的1 2 0 支及其以上纱 支，以适应无梭织机的生产的高支高密度高档质量的要求。棉纺企业纺高支特高 支后，细纱产量大幅度降低，而i j i 纺设备又大量富余，这就对细纱机播拈部分提出 了新的要求。要求提高f a 5 0 6 系列新老机锭速与新设计环锭细纱机锭速，挖掘老 厂细纱机生产潜力与新建厂细纱机的生产能力，提高棉纺织厂技改后使用无梭织 机织“轻、薄”高支、特高支的高密度高质量产品的生产能力以取得较高的经济 效益。 如今虽然各种新型纺纱技术f 在日益成熟和完善，且生产效率高、工艺流程 短，适纺范围广等；但由于其成纱结构及性能与环锭纺纱相比还存在一定的缺陷 第一章绪论 和局限性，所以新型纺纱不可能完全替代环锭纺纱，环锭纺纱仍然是现代纺纱生 产中最重要、最核心的纺纱形式。随着科学技术的发展，环锭纺纱技术也经历了 不断创新的过程，其高速、高效、节能、机电一体化、自动化技术已成熟，尤其 是各类纺专器材的研制与丌发，极大地推动了环锭细纱机的技术进步。 环锭细纱机新技术包括： 1 ) 气压加压：气压加压是继螺旋弹簧、板簧之后发展起来的新技术，近年 来己成功的用于牵伸摇架。气压加压属软弹性加压，有吸振能力，适用于高速运 行；加压元件简单，可以方便的调节压力，压力变化由气压表显示，可以实现半 释压和全释压。在平时并不耗费空气，关键是各管道连接的密封要求高，橡胶气 囊质量要求弹性好、酬老化。 2 ) 新型高速锭子：细纱锭子按其生产应用和技术发展的速度要求，可分为 普通型( 工作转速1 2 0 0 0 一一1 6 0 0 0 r m i l 3 ) 和高速型( 工作转速1 6 0 0 0 一一 2 2 0 0 0 r m i n ) 两类。锭子高速化的实现取决于锭子结构和制造水平的创新和提高， 起决定因素的是锭杆上下支承结构的抗振性能。总的目的是以小振幅、低噪声、 低电耗为前提，实现合理卷装下的高速化。 3 ) 细纱落纱技术：为摆脱繁重的手工落纱操作，提高机械效率和管理水平， 细纱生产迫切需要配套的机械化、自动化落纱技术。国产细纱机经过多年的创新 和实践，该项技术已经成熟。 4 ) 细纱断头在线检测：细纱断头是生产管理和质量水平的反映。在生产过 程中，实时检测并系统的提供信息资料，进行科学管理，很有必要。 5 ) 竹节纱装置：在环锭细纱机上加装一套竹节纱生产装置，通过电气控制 使细纱机兼有纺常规纱和纺竹节纱的功能。它是在普通单纱的长度方向上纺制出 有一定规律的粗节，粗节的长度及节距可根据要求自行设定。竹节纱可使织物具 有独特的立体花式效果，广泛应用于色织、毛织的服装面料及装饰织物。 6 ) 滚动钢丝圈：由于环锭细纱机中钢领与钢丝圈的摩擦，使得细纱机的产 量及效率的提高受到了限制。针对这种情况而开发的滚动钢丝圈技术取代了传统 的钢丝圈，使钢领与钢丝网之阳j 的滑动摩擦变为滚动摩擦，一方面提高了钢丝圈 的运转速度，另一方面扩大了适纺纱号数，降低了纱线断头。 我国环锭细纱机虽有较大提高，但与国外环锭细纱机相比，在播拈部分的基 础工作锭子钢领钢丝嗜等专件器材还有相当大的差距。国际上环锭细纱机的纺纱 工艺速度己达到锭速2 ) j - r m i n 以上，纺出产质量、细纱断头毛羽与用工均达到较 高水平，现代化技术、自动化技术、微电子技术、智能化技术已融入细纱机，使 环锭细纱机的装备技术已达到空前的水平。 环锭细纱机加拈与搂绕技术是同时进行的。细纱要高产，锭速要提高。现在 第一章绪论 锭子自身结构限制其高速( 需丌发铝管高速锭子) ，还有各有关专件制造与加工精 度机器基础精度均不适应高速细纱机的要求。同时还受到钢领钢丝嗤规格形态和 质量与速度极限的限制。上述这些都与纺织动态强力的提高与动态纺纱张力的稳 定控制与降低是制约的。要提高纺纱速度实现高产优质，很关键的问题是更新现 有中速度中播装的播拈部分理念，实现高速度、小卷装、低纺纱张力的高速纺纱 摧拈工艺的观点。从而研究环锭细纱中“环”与“锭”在高速生产中诸多矛盾。 研究丌发高速铝管锭子，高速钢领钢丝嗤，加装气圈控制环。探讨高速播拈工艺， 改善动态捻度传递从而提高动念纺纱强力，降低控制改善动态纺纱张力，减少毛 羽断头实现高产优质、节能、节人的目的。 近二十年来国外已实现了高速小卷装( 2 5 万r m i n 锭速，4 ) 3 5 1 8 0 m m 成 形) ，长机( 一般1 0 8 0 锭，最长1 4 4 0 锭) 自动落纱及细落联，过去对细落联的看法只 是节约用人，确实细落联省人。但更重要的是在细纱管纱运输中不刮不碰保证纱 型完整的按顺序喂入落筒机。同时细落联对各支细纱有关指标进行把关，及时剔 除不合格产品，并及时把在线追踪的不良纺锭的信息反馈，又能及时检修杜绝坏 的不合格的产品流向后续工序，特别在紧密纺中更为重要，实现了完好纱线的质 量监控保证体系。 在国外已经大量应用，而在我国的外资合资及部分私企国企等正在逐步扩大 应用。我国空气拈接技术已经大量的使用，自动络机在近几年的技术改造中正在 逐渐被纺织企业所普及应用，这些都是实现环锭细纱机小卷装、高速度、低张力 纺纱的物质及重要技术基础。 1 2 直流无刷电机简介 永磁无刷直流电机( p e r m a n e n tm a g n e tb r u s h l e s sd cm o t o r ) 实际属于永 磁同步电机，一般转子为永磁材料，随定子磁场同步转动。这种电机由于移去了 物理电刷，使得电磁性能更加可靠，从而在家用消费类产品( 空调、冰箱、洗衣 机) 和i t 周边产品( 打印机、软驱、硬驱) 中得到广泛的应用。它具有结构简 单、高效、低噪声、高功率密度、启动扭矩大、寿命长等其它种类直流电机无法 比拟的特性。直流电机相对于交流电机而言，它的运用范围更为广泛，不需要受 太多使用条件的限制。因而直流电机是现在电机工业方面发展的一个大的方向。 直流无刷电机相对于传统的直流有刷电机来讲，有着以下的一些优势： 由于传统的用电刷的直流电机在运转过程中，其转子电刷一直处于高速运转 状态，产生不可避免的摩擦，使得电刷的寿命减短，也就是降低了直流有刷电机 的使用寿命。掘统计一辆轿车在使用寿命周期内，它的有刷直流电机需要更换三 第一章绪论 至四次，造成极大的修理费用及材料成本提高。而无刷直流电机正是克服了这一 些缺点。在高速运转的过程中避免了直接的摩擦，有效地提高了电机的使用寿命。 由于直流无刷电机采用的是电子丌关作为切换方式，因而电机的工作效率相 当的高。当作为电子丌关的三极管处于导通状态时，由于其上的压降很小，因而 功耗很低：同样当三极管处于截止状态时，由于其漏电流相当的小，虽然电压降 很高，但是功耗依然很低。这样就大大提高了电机的工作效率。 有刷直流电机是采用电流与磁力线切割产生力矩柬驱动转子，因此存在一个 转子死角的问题，既当启动时刻电流与磁力线完全平行，则出现了死角问题。而 无刷直流电机则采用霍尔元件作为传感器来驱动电子丌关，因而不存在类似的死 角问题。 传统的有刷直流电机同时还存在着转子电刷在高速运转过程中会产生火花 干扰的现象，同样在直流无刷电机的运转过程中就完全避免了这样的情况发生。 直流无刷电机有别于传统的有刷电机，传统的有刷电机是以电刷作为换向 器，而直流无刷电机则改用电子线路方法向三相线圈绕组，分时分别供电。用脉 宽调速式变频调速控制马达的转速，用控制芯片接收霍尔原件检测到的转子的瞬 时位置及速度，然后控制电机的驱动电路，以此来实现电机的运转。 直流无刷电机运行过程要进行两种控制，一种是转速控制，也即控制提供 给定予线圈的电流；另一种是换相控制，在转子到达指定位置改变定子导通相， 实现定子磁场改变，这种控制实际上实现了物理电刷换向的机制。因此这种电机 需要有位置反馈机制，比如霍尔元件、光电码盘，或者利用梯形反电动势特点进 行反电动势过零检测等。利用光电编码器的系统在软件实现上更方便。电机速度 控制也是根据位置反馈信号，计算出转子速度，再利用比例积分( p i ) 或比例积 分微分( p i d ) 等控制方法，实时调整脉宽调制p w m 占空比等来实现定子电流调 节。因此，控制芯片要进行较多的计算过程。当然也有专门的直流无刷电机控制 芯片：但一般来说，在大多数应用中，除了电机控制，总还需要做些其他的控 制和通信等事情，所以，选用带p w m ，同时又有较强数学运算功能的芯片也是一 种很好的选择。 永磁无刷直流电机性能的发挥，除电机本身的设计以外，还要靠驱动技术和 实现这一驱动技术的驱动板来保证。驱动板是永磁无刷直流电机关键的一部分。 它的性能将直接影响整个驱动系统的性能指标。随着电子产品向数字化方向的发 展，m c u 已大量应用。永磁无刷直流电机的驱动板又是连接上位控制m c u 和电力 电子变换器的桥梁：它接收上位机的命令，通过一定的控制方法，来达到预定的 控制目标；同时把当| j i 电机状态及一些基本参数返回给上位控制的m c u 。 我国是稀土大国，稀土永磁材料经过这几年的发展，已经有了一定的规模， 第一章绪论 质量和数量都有较大的提高，价格已不断下降，这将大大促进直流无刷电机在工 业上的发展。可以预计2 1 世纪直流无刷电机将成为应用最广泛的电机，并可以 取代传统直流电机和交流电机+ 变频调传统模式，成为l o k w 以下电机传动的主 角。 1 3 课题来源及性质 本课题是北京众仁智杰科技发展有限公司开发的项目。课题名为无刷电机控 制器在细纱机中的应用，陔系统由于采用直流无刷电机控制器，取代了传统的变 频器，使得整个系统在能量节约方面有了很大的提高。本课题的性质属于理论与 应用相结合。 1 4 课题意义 我国棉纺行业在近十几年来虽然在改进，但始终落后于国外。因此要不断开 发创新使其能不断完善，现代化水平不断提高。细纱机在纺纱工艺中具有举足轻 重的作用，它完成细纱、加捻、落纱等一系列重要工艺。因而，对细纱机的改进 更是十分必要的。其中，控制器、控制方法的改进创新无疑具有很重要的作用。 在传统的细纱机中，主电机往往采用交流变频电动机，而在本课题中采用了直流 无刷电动机。 在我国，交流变频电动机在细纱机中的应用已经比较成熟与完善，但根据国 家产业部节约能源的有关要求，把直流无刷控制器应用在细纱机中就成为势在必 行。细纱机是纺织机械中消耗能量最大的设备之一，因而，对细纱机进行节能控 制的改进无疑成为固家整体纺织机械改革的关键。在细纱机的电气控制中应用直 流无刷控制器，不仅能很好的实现传统细纱机中变频器所完成的各项功能，而且 比应用变频器能节省5 一1 5 能量。以一家具有2 0 0 台细纱机( 接近1 0 万纱锭) 的中型纺纱厂为例，若每台细纱机以1 8 5 千瓦主电机拖动，按最小节省量5 来 计算，那么每台细纱机每小时就可比原来节省o 9 2 5 度电，2 0 0 台细纱机每小时 可省1 8 5 度电，天整个纺纱厂可省4 4 4 0 度电，而一年下来，若按3 0 0 天工作 同计算便可省一f1 3 3 2 0 0 0 度电。由此可见，在高度呼吁能源节省的今天此课题具 有深远的意义。 此外，传统细纱机的控制系统多采用模拟电子控制电路，在本课题中应用了 i p y l 模块，使控制更为方便，设计更为简单。 第一章绪论 1 5 论文章节安排 本论文共分六章，其具体安排如下 第一章绪论 第二章 第三章 第四章 第五章 第六章 细纱机的工艺原理与电气控制 直流无刷电机基本原理分析 无刷电机控制器的硬件设计 无刷电机控制器的软件设计 结束语 第一二章细纱机的一艺原理与电气控制 第二章细纱机的工艺原理与电气控制 2 1 细纱机的工艺配置与工艺计算 2 1 1 牵伸基本工艺 细纱机前区牵伸采用“重加压强控制”工艺配置，后区牵仲分别采用针织纱 “二大二小”工艺和机织纱工艺配置。 前区工艺 前区工艺主要包括前区中心距、前胶辊前冲量、钳口隔距、前中胶辊加压量 等。前区中心距关系前区主牵伸浮游区长度的大小，对握持力和牵伸力的配置至 关重要，与成纱条干、常发性纱疵、偶发性纱疵及突发性纱疵有着密切关系。长 期以柬，国产细纱机纺纯棉品种时前中罗拉隔距以1 9i l l m 居多，即前区中心距为 4 4i n n 。近年来，国产新型细纱机在罗拉座下销棒支承形式上作了很大的改进，同 时，加压装置稳定性、可靠性、一致性不断提高，牵仲元件精度也在提高，使得前 中罗拉隔距最小可达1 6 1 5m m ，大大缩短了前区浮游区长度，有利于提高条干水 平。 前胶辊前冲量与前区浮游区长度、前区握持力、加捻三角区位置有密切关系， 一般推荐以2 m m 居多，在改造的国产细纱机上，当前区中心距为4 2 1 5m m 4 3m i l l 时，采用低硬度高弹性胶辊，前胶辊前冲量适当增加lm m 1 1 5m m ，对前区浮游 区长度、加压握持力影响不大，而对缩小细纱加捻三角区有益，利于减少毛羽和断 头。 上销钳口隔距对阿区纤维控制和牵伸力的稳定是个重要参数，在改造的国产 细纱机上共有2 1 5m m 8m m 十档调整范围，其中常规品种使用的2 1 5m m 3 1 5 m i l l 五档中，每档以0 1 2 5m i l l 递增，钳1 ：3 隔距调整细微，便于对不同品种和不同牵 伸工艺的精细调整，以收到良好的纺纱效果。 前中胶辊加压应结合胶辊性能考虑。改造的国产细纱机前区有1 2d a n 双 锭、1 6d a n 双锭两档压力可供选择，1 2d a n 双锭压力适应胶辊大中直径时使 用，1 6d a n 双锭压力适应胶辊磨砺后中小直径时使用，以稳定握持力，从而确保 纺纱品质的稳定性。 后区工艺 后区工艺主要包括后区牵伸倍数、后区中心距和粗纱捻系数等，这几项重要 牵伸工艺参数需密切配合和合理配置，并适应牵伸机构特点，彳能对成纱质量起 到稳定和提高作用。 第二章细纱机的r 艺原理与电气控制 在其他条件不变的情况下，后区牵伸倍数的变化影响喂入前区纱条的条干均 匀度和紧密度，随着后区牵伸增大，牵伸波相应增大，不仅恶化牵伸纱条条干均匀 度，而且会使纱条解体而松散，纱条紧密度降低，使喂入前区牵伸的纱条所受摩擦 力强度不足。采用较小的后区牵伸利于提高进入前区纱条的均匀度和紧密度，在 成纱品质上反映为细节指标好，但牵伸倍数减小将会导致牵伸力的加大，因此，较 大后区中心距往往与较小后区牵伸倍数相配套，以稳定牵伸力，同时提高成纱质 量。 在后区工艺不变的条件下，粗纱捻系数也是影响进入前区纱条紧密度和均匀 度的重要参数。随着捻系数的不断增大，对成纱粗节将产生影响，因而体现为黑板 条干和布面风格中阴影分配的变化。因此，细纱后区工艺各项参数都是相互配合 的，而各工艺配置是以喂入粗纱条捻系数为基础。以现代粗纱机生产的粗纱内在 结构、产量及现代细纱机牵伸机构来看，粗纱捻系数配置在l _ 1 0 以上，后区牵伸 及隔距在此基础上合理配置，其成纱品质较优。 后区牵伸力变化曲线如图2 1 所示： 后区牵伸倍戢 图2 1 后区牵伸力变化曲线 2 1 2 牵伸工艺配置的可靠性 在牵伸工艺的配置上，握持力和牵伸力是一对矛盾，必须确保相互适宜，而在 成纱质量上，则体现为条干与纱疵的矛盾。当采用较小浮游区、集中牵伸、较大 粗纱捻系数等工艺配置时，对成纱条干的改善有益，但同时又增加了牵伸过程的 牵伸力，容易引发纱疵波动，甚至突发。特别是当握持力与牵伸力不相适应、握持 力波动、其他条件导致牵仲力波动等情况发生时，更易发生纱疵波动。因此，牵伸 工艺应确保握持力和牵伸力相适应，在可靠的前提下确保先进，避免“临界”工艺。 一百一掣霉r廿 第二章细纱机的j 艺原理与也气控制 牵伸工艺配置的可靠性原则就是要以确保纱疵稳定为前提，兼顾条干质量的 改善，而不应片面追求条干质量的改进，即当纺纱环境、半制品条件发生变化时， 也即牵伸力发生变化时，应确保牵伸系统中握持力的稳定，以避免偶发性纱疵和 突发性纱疵的产生和波动。 2 1 3 牵伸机构的性能要求 高档针织用纱和高档机织用纱要求稳定可靠的针织纱工艺，对现代牵伸机构 有更高要求，现代牵伸机构在确保握持力适应牵伸力的基本条件下，要有优良的 稳定性和一致性。稳定性主要体现在压力方面，具体为加压机构和上销弹簧压力 的稳定性，致性体现为锭与锭差异要小，使成纱条干小。 牵伸工艺要综合配置爿能在成纱质量上有所体现。综合配置应考虑两方面问 题，一是牵伸工艺与牵仲机构的适应性问题，二是牵伸工艺各参数间的相互配置 问题，正交设计结合单因素试验是较好的工艺优选方法。 2 1 4 加捻卷绕工艺 细纱加捻卷绕工艺是以围绕提高成纱强力、降低细纱断头、适应高速生产为 目标的。随着细纱加捻卷绕工艺的发展，细纱机械结构和关键性部件、器材不断 创新，为棉纺工业实现优质、高产、低耗、争取较大的经济效益提供了有利条件。 纱条捻度 加捻卷绕过程中纱条上动态捻度分布如图2 2 所示： 幽2 - 2 加捻卷绕过科中纱条上动态捻度分布 第二章细纱机的i ：艺原理与电气控制 一般规律是： t b t w t s t f r 式中：t 卜气圈段( 导纱钩钢丝圈) 纱条动态捻度； t 卜卷绕段( 钢丝圈管纱) 纱条动态捻度； t s 纺纱段( 前罗拉导纱钩) 纱条动态捻度； t f r 前罗拉包围弧上纱条动态捻度。 纱条张力 加捻卷绕过程中纱条上的张力分布 t w t o t r t s 式中：t w 卷绕张力； t ( 卜一气圈顶端( 导纱钩处) 张力； t r 气圈底端( 钢丝圈处) 张力； t s 纺纱段张力。 2 、气圈底端张力的表达式 g ， t 2 k ( c o s1 i r ，+ s i nv 。s i n 日。) 一s i ndr 【 式中：g t 钢丝圈重量( c n ) ： f 钢丝圈与钢领间的“楔摩擦系数”； 1 l ，x 纱条卷绕角； on 钢领对钢丝圈反力n 的方向角： r 气圈底角； k 张力比，k = t w t r 。 3 、一落纱过程中纺纱张力变化曲线 靛 螺 钢顸板位雹 落纱过科中纺纱张力变化曲线 ( 2 - 1 ) ( 2 2 ) ( 2 3 ) 第二章细纱机的1 ：艺原理与电气控制 气圈形态 】、平面气圈方程式 r 护i 而 式中：a 离心力系数 2 、气圈最大直径6 。与波长九 2r 6 - 22 y - n 2 i 而 凡= 2 兀o 单气圈纺纱应满足h 九2 。 3 、气圈形念与卷绕工艺关系 表2 - 1 气罔形态与卷绕r 艺关系 ( 2 4 ) ( 2 5 ) ( 2 - 6 ) l 卷绕 ：艺锭述变化钢丝罔重钢领、l 径气罔高度管纱卷绕钢领钢丝罔钢领、钢丝i 及变化量增加增人增大、f 径增人“楔摩擦系数”阎走熟期i 增人内 气罔形态 基本不变缩小缩小增人变人变小较小 一落纱断头分布规律 1 、一落纱中断头分布的一般规律是小纱多、中纱少、大纱又有所增加，大致比 例为5 ：2 ：3 。 2 、不同纺纱线密度的断头分布曲线略有区别，纯棉纱锭速不变时一落纱断头分 布一般规律见图2 4 ： 册 琳 菊 豁 蟊 图2 - 4 落纱断头分布一般规律 钢领板位置 第二章细纱机的 艺原理与电气控制 2 1 5 传统细纱机的工艺计算 f a 5 0 6 型细纱机是在纺织领域较为常用的传统细纱机，其工艺计算如下： ( 1 ) 锭子转速： n ，0 a i n ) = 1 4 _ 6 0 x ( b + 5 ) d ， ( d + s ) d 。 d 。 = 1 6 0 6 0 x d 式中：d l 电动机皮带轮节径 d ：主轴皮带轮节径 d x 滚盘直径( 2 5 0 m m ) ； d 锭盘直径( 2 2 r a m ) ： 6 锭带厚度( o 8 m ) 。 ( 2 ) i j f 罗拉转速： ( 2 5 0 + 0 8 ) d 。 = 1 4 6 0 x ( 2 2 + 0 8 ) x d 。 d 。x 2 8 x 3 2 z l x z ；z 。2 7 r l 。0 m i n ) = 1 4 6 0 x d 。x 7 1 x5 9 五x z 。x 37 r x2 7 = 8 4 _ 4 x d ：x 五x 五x z 。 d 。x z 。x z 。 式中：z n 、z 厂_ 捻度成对变换齿轮( z a + z ，= 1 2 0 ) z “z 厂_ 一捻度变换齿轮 z l 捻度变换齿轮( 与锭盘直径有关) ( 3 ) 捻度 t ( 捻m ) 2 ( d 5 + 6 ) x 7 1x5 9 x z 。x z 。x3 7 x1 0 0 0 ( d + 6 ) x 2 8 x3 2 x z x 孟x z 。x 丌x d ， ( 2 7 ) ( 2 8 ) 第二章细纱机的i ：艺原理与电气控制 ( 2 5 0 + 0 8 ) x 7 1x 5 9 x z 。x z 。3 7 x1 0 0 0 ( 2 2 + 0 8 ) x 2 8 x 3 2 x z x z 。x z ：x 兀x 2 5 = 2 4 2 2 7 哇x z 。x z 。 z x 五x z ： 式中： d l f i 罗拉直径( 2 5 r a m ) 。 ( 4 ) 牵伸倍数： 总牵伸倍数 后牵伸倍数 e = 3 5 x z 。x 5 9 x 五x 1 0 4 x 2 7 2 3 x z j 2 8 x z - x 3 7 x2 7 ：9 0 1 2 9 3 5 3 6 盎 u 一一= 2 3 x z 。xd s z z 。 z x 焉 3 5 x 3 6 2 5 5 4 7 8 2 6 2 3 x z 。x 2 5z 。 式中： z w 、z v 、z k 、z j 总牵伸变换齿轮 z “后牵伸变换齿轮 d 2 中罗拉直径( 2 5 r a m ) d 一 后罗拉直径( 2 5 r a m ) 。 ( 2 9 ) ( 2 - 1 0 ) ( 2 - 1 1 ) ( 5 ) 卷绕螺距p ( r a m ) ：如图2 - 5 所示，钢领板每升降一次，前罗拉输出长度l ( 册) 用下式计算： l = 兀x d 。x 3 5 x2 5 x z 。2 0 x 1 0 4 2 7 1 x 2 5 z ，x2 0 x 3 7 x2 了 第一章细纱机的i 艺原理与电气控制 兀2 5 3 5 x2 5 乙2 0 1 0 4 x 2 7 1x 2 5 x z ，x2 0 x3 7 x2 了 ：7 7 2 6 6 2 幽2 - 5 管纱锥面卷绕儿俐形状 ( 2 - 1 2 ) 同一时间内管纱绕纱长度l7 ( m ) 可 用下式计算： d - + d o a4 l7 = 丁丌x 了x 了 丌( 盯一d 。2 ) 五而( 2 - 1 3 ) 因l = l7 ，以上两式经整理后得 0 0 0 0 1 3 5 6 x ( d m 2 一出2 ) x 磊 z 。xs i nq 2 式中：z i 、z 。：卷绕螺距成对变换齿轮( z r + z c j ：1 2 2 ) d 。管纱直径( r a m ) ； d 。筒管直径( m m ) ： a 圆锥斜高( m m ) ； p 卷绕螺距( m m ) ； q 卷绕锥角( o ) ( 2 1 4 ) 4 3 束缚层于卷绕层之比为1 ：3 时的系数。 ( 6 ) 钢领板级升距y ( m m ) ：钢领板每升降一次，级升距变换棘轮z 。撑过1 3 齿，从 而获得级升距y ( 其中，d 4 = d 5 ：i 3 0 m m ，d 6 ：1 4 0 m m ) 。 第一章细纱机的i 艺原理与也气控制 r l x l x n x l x l 4 0 n y 2 西丽面几x n2 云而4 0 1 3 0 兀x 1 3 0 = 1 。9 9 5 6i 。 z ，x 4 0 d 。 z 。x xz t ( 2 1 5 ) 2 2 细纱机传动基本原理 2 2 1 细纱机的传动路线 细纱是纺纱过程中的最后一道工序。细纱机性能的好坏直接影响到纱的质 量。传统的细纱机的锭子、罗拉及钢领板的升降都靠主电机传动，主电机多使用 双速电机。慢速只用于启动，高速为正常工作且速度不变，在锭子及牵伸罗拉传 动之间以及前后牵伸罗拉之间使用较多的变换齿轮以改变纱的捻度及牵伸倍数。 而纱的成型与卷绕剐依靠钢领板的升降与级升通过成型凸轮及棘轮机构实现。 传统细纱机的传动路线如图2 6 所示： 主电动机+ 主轴一滚盘一锭子 捻度变换齿轮- 前罗拉 卜卷绕变换齿轮一成形凸轮一成形摆臂一升降分配轴一 钢领板、导纱板升降 l 牵伸变换齿轮中间轴_ | 后牵伸变换齿轮中罗拉 l 后罗拉 图2 - 6 传动路线 细纱机传动以键联结固定在轴上的齿轮为传动元件，按一定的路线和速比分 别传动前、中、后罗拉，锭子及钢领板、导纱板，使各部分以不同的转速转动。 实质上是依靠轮系传递运动。传动路线相同的细纱机，在以不同的程度和形式落 实纺纱生产对传动从工艺、结构、操作等方面提出的要求时，所表现出的主要特 征基本上是相同的。f a 5 0 6 细纱机为经纬纺织机械厂设计生产的、目前较普遍应 用在纺织领域的一种细纱机，其传动图如图2 7 所示： 第。章细纱机的工艺原理与电气控制 级升：竖换 剀2 7f a 5 0 6 细纱机传动图 f a 5 0 6 型细纱机采用的传动路线具有明显的优点： 夺符合传递功率“先大后小的原则”，可以减小传递功率损失和传动件尺寸： 夺中后罗拉头段仅负担自身所消耗的功率，避免了其他传动路线中总有一列罗 拉头段需要负担两列罗拉功率的缺陷，中后罗拉头齿轮受力小，不易磨损并 运转平稳： 夺在大牵伸条件下，可以充分利用部分牵伸速比，减少了速比要求过大时机构 安排的困难。 2 2 2 细纱机的牵伸调整 第二章细纱机的i 艺原理与电气控制 牵伸调整或称牵伸变换是利用牵伸变换齿轮的齿数变化，改变牵伸倍数来控 制纺出纱条的单重，以适应纺制各种纱支的需要，并要符合国家标准中规定的重 量偏差范围；牵伸倍数调整范围要大，档数要多，即一般在1 0 5 0 倍，不论工 艺上需要何种牵伸倍数，牵伸传动机构都应保证达到。以最少的齿轮数量实现上 述要求是牵伸变换齿轮的设计要求。 1 、改变后区牵伸倍数不影响总牵伸，这样在总牵伸确定以后，可优选后区 牵伸，提高成纱质量。 改变后区牵伸变换齿轮的齿数，将使后区牵伸倍数发生变化。而后区牵伸变 化是否会影响总牵伸，则决定于后区牵伸变换齿轮在牵伸传动路线中的位置。一 般将后区牵伸变换齿轮设计在以下两个位置：( a )以与后罗拉头齿轮相啮合的 齿轮作为后牵伸变换齿轮，因其在主牵伸路线上，故其齿数影响总牵伸；( b ) 以 中罗拉头齿轮或与其相啮合的齿轮作为后牵仲变换齿轮，因其在独立的后牵伸路 线上，故其齿数不影响总牵伸。 后区牵伸倍数的常用范围是1 o 1 5 0 。根据其牵伸作用性质，一般分为两 段：1 0 1 2 是弹性牵伸，大多用于生产针织纱；1 2 1 5 0 是位移牵伸，多用 于生产机织纱。仅用一只齿轮作后牵伸变换齿轮实现1 0 1 _ 5 0 范围的变化时， 后牵伸的变化档数与齿轮种数相同，只有增加后牵伸齿轮种数才能增加后牵伸变 换档数。然而，同时再将与后牵伸齿轮相啮合的凿轮作为阶段变换齿轮( 一般设 计两种齿数) ，则在后牵伸齿轮种数相同时，既可成倍增加后牵伸变化档数，又 能方便的实现两种性质牵仲的转换。 2 、利用一对牵仲变换齿轮同时实现两面总牵伸倍数的变化。根据牵仲传动 可知，细纱机两面牵伸罗拉的运动，均来自同一中间轴。因此，将蝴蝶牙1 0 4 t 和中间轴输入端问的三对齿轮中任何一对作为牵伸变换齿轮，均能同时改变两面 的总牵伸。但是，考虑到装拆方便，一般是将中间轴输入端齿轮和与其啮合的齿 轮这一对作为牵伸变换齿轮。因减少了牵伸变换齿轮的数量，从而降低了设备成 本。 3 、利用1 6 种17 只牵伸变换齿轮和两对牵伸阶段变换齿轮，实现可调牵伸 范围1 0 5 0 倍、均布1 4 4 档、级差小于1 3 。 2 3 细纱机电气控制原理与设计 2 3 1 控制原理 细纱机电气控制系统具备纺纱过程所需的自动开车、钢领板自动升降、中途 停车后自动跟踪丌车、自动落纱、自动留头等功能，此外，还能设定显示纺纱的 第：章细纱机的艺原理与电气挖制 工艺参数，实现定长落纱和锭子速度曲线控制以及班产累计等功能。可按设定条 件对纺纱过程的锭速、牵伸倍数、细纱号数、捻度等进行计算并自动显示，并依 据机上各部分传感器自动协调控制。特别是定长落纱和自动落纱，降低操作者劳 动强度：锭子曲线控制提高了纱线的质量和保证了纱锭成型，提高了全机的产量。 细纱机电气控制具有触摸屏操作显示、可编程逻辑控制器p l c 自动控制、无 刷电机控制器p w m 调速等特点。p l c 读取触摸屏中设定的数据并加以运算，采集输 入端的各种信号，通过对无刷控制器、接触器进行控制驱动各电动机运转，使全车 按程序自动协调运行，同时把需要显示的数据或故障信息通过触摸屏显示出来。 p l c 对直流无刷电机控制器通过通讯进行控制，定时比较检测锭速和设定锭速： 当偏差过大时( 3 ) ，全机自动停车，触摸屏显示报警信息；当偏差较大时( 设置s c i c t l 2 ，允许与禁止相应的中断； 设置波特率寄存器s c i b h a u d 、s c i h a u d ，使上位机和下位机以相同的速 率传输数据； 使能s c i p c 2 中的相应位，打丌t x d 与r x d 引脚； p 再次设置s c i c t l i ；启动s c i ，允许发送与接收； 在程序运行中，根据s c i r x s t 的状态，读取s c i r x b u f 或向s c i t x b u f 写 所发送的数据。 由于电机的转速与换向主要是通过无刷电机控制器来控制，而无刷电机控 第四章无刷电机控制器的硬化没计 制器又受p l c 的控制，所以p l c 与无刷电机控制器之间的通讯就显的尤为重要。 如果通讯失败或者是通讯因为受到干扰而发生错误，就会导致整个细纱机工作的 失败。美国e i a