自动纺织机控制系统设计

摘要随着电力电子技术、微电子技术及控制理论的发展，电气控制系统在工程中得到日益广泛的应用。剑杆织机作为一种适应性最强的无梭织机，其发展方向为电子选纬、电子送经、电子卷取控制技术的研究和应用。本论文采用DSP2407作为剑杆织机电气控制系统的主控芯片。并对重要组成部分进行了较为系统的阐述，涉及送经卷取系统，引纬系统及其电机的驱动控制，故障检测做出具体的分析，同时对剑杆织机的经纱张力做出检测并及时反映给单片机。送经卷取电机采用无刷直流电机来完毕，并在微解决器的控制下实现送经卷取的同步运营，保持张力恒定。引纬电机采用三相混合式步进电机。本文一方面对纺织机和其电控部分的总体设计做出概述，然后是设计的主体部分，一方面是对三相电的整流，滤波做出设计并进行整流二极管和滤波电容的选择。本文对送经卷取电机和引纬电机都使用双极性PWM控制，选取MOSFET作为桥式逆变的开关器件。送经电机部分选用驱动芯片IR2113来驱动开关器件。同时对电路进行检测，本文对整流输出母线电压和送经电机定子短接电流进行检测经A/D转换将信号传给控制芯片。引纬部分对三相混合式步进电机的驱动和检测做了具体设计。设计中采用“S”型张力传感器对经纱张力进行检测，将检测信号传递给控制芯片进行解决，若张力超过限定值则发出停车信号。再次是软件设计部分对织机控制主程序，张力调节子程序和送经电机启动子程序做出设计。在文章的最后应用MATLAB对PWM逆变和无刷直流电机的控制部分进行仿真。关键词剑杆织机无刷直流电机三相混合式步进电机驱动AbstractWiththepowerelectronics,microelectronicsandcontroltheoryofthedevelopment,electricalcontrolsystemincreasinglywidelyinengineeringapplications.Asamostadaptablerapierinloom,itsdirectionfortheelectronicweft,electroniclet-off,e-coilingcontroltechnologyresearchandapplication.

Inthisthesis,DSP2407ascontrolchipelectricalcontrolsystemofrapierchip.Andthemaincomponentofamoresystematicexposition,includingthedeliverybythetake-upsystem,theweftinsertionsystemanditsmotordrivecontrol,faultdetectionandmakespecificanalysis,whilethetensionontheloomtomakedetectionofthewarpandpromptlyreflectedtothemicrocontroller.Sentbythetake-upmotorwithbrushlessDCmotortocomplete,andunderthecontrolofthemicroprocessortoachievesynchronousoperationsentbythetake-up,maintainconstanttension.Weftchiocethree-phasehybridsteppingmotormotor.

Firstly,thetextilemachineandelectriccontrolpartofitsoveralldesignmadetomakeanoverview,andthenthemainpartofthedesign,thefirstofthethree-phaserectifier,thefilterwasdesignedandcalculatedtomaketheselectionofrectifierdiodesandfiltercapacitorselection.Inthispaper,sentbythetake-upmotorandweftareusingbipolarPWMmotorcontrol,selecttheMOSFETasabridgeinverterswitchingdevices.SentbythemotorpartoftheIR2113driverchipusedtodrivetheswitchingdevices.Whiletestingthecircuit,therectifieroutputpapersentbythebusvoltageandshortcircuitstatorcurrentwasdetectedbytheA/Dconversionsignalstocontrolchip.Weftpartofathree-phasehybridsteppingmotordrivedesignandtestingindetail.Designby"S"TypeTensionroadwarptensionsensordetection,willdetectthesignalstocontrolchipDSPprocessing,ifthetensionexceedsthelimitvalueofthestopsignalisissued.Forthesoftwaredesignpartonthemainloomcontrol,tensionadjustmentandlet-offmotorstarterssubroutinesubroutinetomakethedesign.ApplicationofMATLABtothePWMinverterandbrushlessDCmotorcontrolpartofthesimulation.

KeywordsrapierbrushlessDCmotorhybridsteppingmotordriver 目录摘要 IAbstract II第1章绪论 11.1纺织机的概述 11.1.1纺织业的发展 11.1.2纺织机的概念及分类 21.2剑杆织机发展趋势 41.3纺织机中自动控制的应用 5第2章自动纺织机电控系统设计方案 62.1织机的基本组成部分和织造原理 62.2织机电控系统设计 8第3章硬件设计 113.1送经卷取控制系统设计 113.2送经电机的选取 113.3送经电机驱动设计 143.3.1整流电路设计 143.3.2逆变电路设计 163.3.3驱动电路设计 173.4检测电路 183.4.1电机电流检测电路 183.4.2整流输出电压监测电路 203.4.3转子位置检测电路 213.5引纬系统 233.5.1引纬电机的选择 233.5.2步进电机的驱动控制 253.5.3MOSFET的驱动电路 263.5.4步进电机电流检测电路 273.6张力信号测量电路设计 283.7刹车系统设计 293.8电源设计 30第4章软件设计 324.1软件设计总体方案 324.2主程序 334.3张力调节子程序 344.4送经电机启动子程序 37第5章仿真系统设计 395.1MATLAB简介 395.2逆变电路的仿真分析 395.3无刷直流电机仿真系统 42经济性分析 46总结 47致谢 48参考文献 49 CONTEINTSAbstract(chinese) IAbstract IIChapter1Introduction 11.1Overviewoftextilemachines 11.1.1Textileindustry 11.1.2Conceptsandcategoriesoftextilemachines 21.2Rapieroftrends 41.3AutomaticcontrolofTextileMachine 5Chapter2ElectriccontrolsystemdesignofAutomatictextile 62.1Thebasiccomponentsandweavingprincipleoftextilemachines 62.2Electriccontrolsystemoftextilemachines 8Chapter3HardwareDesign 113.1Coilingandsendwarpcontrolsystemdesign 113.2Selectthemotortosendwarp 113.3Designofwarpdrivesystem 143.3.1Rectifiercircuit 143.3.2Choppercircuitdesign 173.3.3Drivecircuitdesign 183.4Detectorcircuit 193.4.1Motorcurrentdetectioncircuit 193.4.2Rectifieroutputvoltagedetectioncircuit 213.4.3RotorPositionDetectionCircuit 223.5Weftinsertionsystem 243.5.1Motorchoiceweft 243.5.2Steppermotordrivecontrol 263.5.3MOSFETdrivercircuit 273.5.4Steppingmotorcurrentdetectioncircuit 283.6Thetensionsignalmeasurementcircuit 293.7BrakeSystem 303.8PowerSupplyDesign 31Chapter4SoftwareDesign 334.1Softwaredesigntheoverallprogram 334.2Themainprogram 344.3Tensionadjustmentsubroutine 354.4Motorstartroutine 38Chapter5SimulationSystem 405.1MATLABIntroduction 405.2SimulationofInverter 405.3BrushlessDCMotorSimulationSystem 43EconomicAnalysis 47Conclusions 48Acknowledgements 49References 50第1章绪论1.1纺织机的概述1.1.1纺织业的发展纺织业有数千年的发展历史，可以认为纺织业的出现和发展是与人类社会的文明发展是同步的，由于在人类历史上，纺织生产几乎是和农业同时开始的，纺织生产的出现，标志着人类脱离了茹毛饮血的原始状态，进入了文明社会。人类的文明史，从一开始便和纺织生产紧密地联系在一起。纺织业不是“夕阳产业”，我们可以预见在将来，不管世界上有多少尖端的高新技术出现，也不管纺织业是否在个别国家或地区也许会衰退，甚至消失，但就总体而言，纺织业将继续保持作为一门“永恒的产业”或一门“不可替代的重要产业”而长期存在[1]。尽管我国是世界纺织服装生产和出口大国，是世界上最大的棉花、蚕丝、羊绒生产国，也是羊毛、羊绒、亚麻、兔毛等资源的重要生产国，毛纺织、化纤、呢绒产量已位居世界第一。但是，我国近代纺织业的工业化进程几乎比欧洲晚了一个世纪。与纺织发达国家或地区相比，我国的纺织生产仍处在中低水平。这重要表现在原材料的开发能力、生产技术设备和后期整理技术与世界先进水平有着一定的差距，纺织品的生产工艺与花色设计也难以赶上世界潮流。中国早在公元前1世纪就已使用多综织机生产丝织物，宋代已制成现代称为开口机构的大型提花机。16世纪后，欧洲手工纺织机器开始有较大改善,1533年德国人制成装有翼锭和筒管的手工纺车,1733年英国人发明手拉机件循筘坐投梭装置，182023法国人J.M雅卡尔发明用穿孔卡控制生产复杂图案的织机。19世纪70年代以前，纺织生产重要是手工操作。20世纪50年代开始采用各种传感器检测非电量参数，并实现自动控制。20世纪80年代以来开始采用蒸汽拖动织机，并逐步使投梭、换纬等手工操作实现机械化，从原料进入车间到纺成纱，以及织成布的各个工序都在提高自动监控水平的基础上加快了纺织速度、缩短了纺织生产周期，先后诞生了许多自动生产线，纺织生产有的已实现了无人车间、无人工厂、无人工序，纺织生产也在自动化进程中加快了步伐。自动化及自动监控水平的实现，不仅减少了工人的劳动强度，提高了纺织效率，还显著提高了纺织品的质量，使纺织工业走向高科技阶段，估计再通过若干年时间，纺织业在自动化进程中会向着更加完善、更加高级的水平发展，甚至会实现无人操作工厂。下图分别为古代纺织机械和现代化自动纺织机从中我们不难看出纺织业的发展。图1-1古代纺织机图1-2自动纺织机1.1.2纺织机的概念及分类纺织机又称织布机就是把线、丝、麻等原材料加工成丝线后织成布料的工具全称。人类的第一台织布机称作纺纱机史哈格里夫斯发明的，纺纱机的名字叫“珍妮”，是用其女儿的名字命名的。织布机有很多种类按织物纤维分类可分为棉纺织机、毛纺织机、麻袋织机、丝绸织机等，按织造的引纬方法的可分为有梭织机和无梭织机两大类：有梭织机——有梭子引纬的传统织机；无梭织机——喷气织机、喷水织机、剑杆织机、片梭织机等。有梭织机是二十世纪八十年代和九十年代初以前的重要织布机，比如在浙江一些地区的乡镇公司中特别多见。由于有梭织机的梭子尺寸重量大，规定的梭口高度大，撞击剧烈，噪声高，机物料消耗大，综框动程大，纺织速度低(最大也只有230r/min)，幅宽窄，织物档次相对较低，己处在淘汰的过程中，在浙绍地区，几年前就已基本淘汰。无梭织机是运用高速射流和轻巧的引纬器来牵引纬纱通过梭口，无梭织机具有速度高、运动幅度小、噪声低、损耗低、入纬率高、织物档次较高等优点，是目前重要的织造设备。喷水织机是运用高速水流进行引纬的，重要用于不需要上浆的疏水性纤维织物的加工。喷水织机的速度高(入纬率高达2200m/min)，但喷嘴射程较小，不能用于宽幅织造(最大2.3m剑杆织机是以剑杆作为引纬器，剑杆的剑头握持纬纱，穿越梭口，完毕引纬。剑杆引纬运动具有较低的启动加速度和纬纱交接加速度，引纬过程平稳，纬纱张力较小，断纬瑕疵少，有助于真丝织造；其采用夹持式引纬，可不受纬纱密度的限制，纬纱处在受控状态，其退捻和收缩可以较好的受到克制，减少纬纱瑕疵，这对花式引纬、和厚重织物的生产非常有利，剑杆织机的选纬能力较强，可以8色任意选纬，最多可达16色。我国引进的剑杆织机重要用于毛织、色织、装饰类织物及特种工业用织物的生产。喷气织机是运用高速流动的空气对纱线表面所产生的摩擦力牵引来进行引纬的。喷气织机的引纬速度很高(主轴转速可达1000r/min，入纬率高达2023m/min)。和喷水织机相比，由于空气的惯性小，单向流动，所以喷气织机可以进行宽幅织造。喷气织机的选纬能力也不强，一般可选4色或6色。喷气织机最适合于大批量生产单色织物。片梭织机的引纬过程是运用片状钢梭作为引纬器，将纬纱引过梭口。整个引纬过程分为击梭阶段、飞梭阶段和制梭阶段。片梭织机与有梭织机不同，片梭不装载纡管(纬纱)，因此可以加工的很轻巧，实现高速飞行。一台织机可以同时有十几片片梭，片梭的夹持力大，可以合用于各种密度的纬纱。片梭织机的转速也较高，可达470r/min，幅宽可达5.4m；片梭织机的启动加速度大(约为剑杆引纬的10～20倍)，不合用于强力低的细弱纬纱。片梭织机一般不会产生缩纬疵点；片梭织机的结构复杂，价格高，适合生产附加值高的产品。片梭织机的使用量目前不大此外尚有多相织机区别于一般的织机，多相织机同时具有多个梭口，即同时有多根纬线被引入，入纬率大大提高，从而大幅度提高产量。如SuzerTextil的M8300多相织机。M8300多相织机无疑是生产最高质量普通织物的织造系统的先锋，高达5500m/min的投纬速度赋予了这款机型数倍于传统的单相高速织机的性能潜力。即使在如此高的投纬速度下，投入的纬纱仍保持了连续且均一的速度为22m/s，因此纬纱的负荷被显著减少了。1.2剑杆织机发展趋势在现代纺织工业中，用新型织机替代有梭织机是发展织机工业的重要课题。剑杆织机是无梭织机中合用性最强、使用最多的一种织机。近几年来，国际上的剑杆织机的发展趋势可以概括为：高速化、智能化、高可靠性和多样性，以适应纺织物小批量、多品种和高质量的需要。重要表现在以下几个方面[2-3]：(1)计算机技术的应用：剑杆织机技术具有革命性的发展是原动力技术的发展。与计算机技术相关联的自动控制技术的发展，使织机的原动力技术有了主线性的变化，加上无刷直流电机、步进电机等的应用，可使织机的速率在较大的范围内变化，以适应各种纱线和织物织造技术的规定。(2)织造工艺技术的改善：新奇的原动力技术和计算机控制技术同样促进了织造技术的进一步改善，例如受控的纬纱张力器的应用，使引纬变成更积极的过程，这样减少了纬纱的应力，使现代化的剑杆织造技术更合用于纤细及易受损的纬纱。(3)送经卷取系统的改善：送经装置和卷取装置均为单独传动，并应用微电脑和电子耦合技术，可随时调整织机在运转过程中经线的张力和纬纱密度，保证织物的优质化。(4)自动解决断纬技术：通过断纬自动解决装置，减少织机停台时间，提高织造的有效率。我国剑杆织机研究工作起步较晚，织机机电一体化产品产量少并且面窄，总体设计水平不高，特别是在自动化控制方面与国外先进水平尚有相称大的差距，国内的高档剑杆织机市场重要被国外织机占有。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，减少劳动强度．提高劳动生产率，是我国织机的一个重要的问题和发展方向。目前，采用计算机控制，实现人机对话，完毕各种控制功能，是高档剑杆织机标志和发展趋势。而送经卷取系统作为新型织机的通用性的运动装簧，对提高剑杆织机的织造速度和运转效率，改善织物质量，具有重要意义。当前随着科学时代的发展，高新科技正在迅速地向纺织工业渗透，成为改造传统纺织工业的巨大力量。机电一体化和计算机技术的广泛应用，为纺织设备实现优质、高效、自动化、连续化发明了极为有利的条件。1.3纺织机中自动控制的应用80年代后，开始用单片或单板计算机作分散控制，用微型计算机或超级微型计算机作集中监测控制。计算机群控以及同自动化管理相结合的计算机网络相继建立起来。纺织自动化的发展，推动了纺织业的高速发展。现在纺织机逐渐实现自动化即将电子技术和计算机技术应用于纺织设备，使之成为具有高速、高效的机、电一体化的自动化单机或联合机。如配有计算机控制装置的化纤弹力丝机,配有检测仪器。通过微机控制的烧毛机。尚有自动轧纹版机、自动抓棉机、自动络筒机、自动穿经机、自动卷染机、自动缫丝机、自动横机等。国外先进的纺织设备已普遍采用电子技术。如配有电子清纱器，自动拈接器，自动计长、自动换管、自动落筒和自动监控的络纱机，具有按钮开停车、电子控制传动、定位制动、电子探纬、选纬、送经、自动采集数据的喷气、剑杆片梭等新型织机。目前的纺织机有两种控制方式，一种是硬件控制，一种是软件编程控制，两者比较之下，硬件控制的成本较低，但机器的设计电路复杂不宜调节，变动性生硬，不易修复，且机器寿命不长；而用软件编程控制可靠性好，易于控制、故障易修复但是成本较高。本课题重要采用软件编程控制容易实现。第2章自动纺织机电控系统设计方案2.1织机的基本组成部分和织造原理一台织机重要由开口装置（凸轮开口、电子多臂开口、曲柄开口）、引纬装置（梭子引纬、喷水引纬、剑杆引纬、喷气引纬片梭等）、打纬装置、送经装置和卷取装置等五个核心组成部分。这五个核心部分就组成了一台织机的五大运动：开口（也称为提综）、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，是通过以五大运动过程实现的。织机的其他辅助装置有：启制动装置、断经纱断纬纱自停装置、选纬器、储纬器和布边装置等[4]。1．卷取和送经运动为了保证织造生产过程的连续进行，纬纱被打入织口形成织物后，必须按照织物纬密的规定将织物引离织口，卷绕到卷布辊上；同时，经纱轴上必须放出相应长度的经纱，使经纬纱不断地进行交织。这就形成了织机的此外两大重要运动：卷取和送经。卷取运动中重要的一点是必须按照织物的纬密规定进行卷取辊转动速度的设定；而送经运动重要的一点是必须合理控制经纱的张力，使织造过程中经纱张力波动稳定，防止经纱断裂和经纱张力波动大而形成的疵点。卷取和送经有机械式和电子式两种。机械卷取是通过传动齿轮和减速齿轮箱将主轴和卷取辊联动起来，主轴转一周打一次纬，相应的，卷取辊转过一定角度。通过改变传动齿轮的齿数，可以在很大的一个范围内进行纬密的设定。机械送经是通过连杆、凸轮传动的方式，在一个主轴回转周期内，经纱张力大的时候织轴放送经纱，张力小的时候停止放送经纱。当织机生产不同的织物时，必须调整送经装置的机械参数，以适应不同经纱的不同张力。电子卷取是用微电脑控制的新型卷取装置。这种卷取机构中，采用了单独的直流伺服电机作为动力源，通过减速轮系驱动卷取辊对织物进行卷取。减速轮系的各个齿轮都是固定的，不必根据织物的纬密规定而变更。织造过程中，通过控制器来控制伺服电机的电压，改变电动机转速，从而实现纬密的变化。通过程序参数的设定就可以适应不同织物的纬密，十分方便。电子送经也是通过独立的直流伺服电机来作为动力源，使用张力传感器来检测经纱的张力，检测信号作为负反馈信号，通过闭环控制，保证送经调节的准确性，克服机械特性软，线性区小的缺陷。即当张力很大时，微电脑控制伺服电机正转送经，减少张力；当张力很小时，微电脑控制伺服电机反转卷经，增大张力。这样，织造的过程中，经纱的张力比较平衡。在织轴传动部分中，送经电机通过齿轮、蜗杆轴、涡轮、送经齿轮、织轴编码盘齿轮等一系列机械部件，带动经纱轴转动。此外，在无梭织机中尚有一个十分重要的运动即绞边运动。在有梭织机中，纬纱是连续的，在梭子的来回运动中会自动形成布边。而在无梭织机中，每次引纬后，纬纱都被剪断，这就容易导致布两边的经纱容易外泄。为了纺织这种情况的发生，必须使用绞边装置将布边上的经纱“锁住”。在较高档织机上，一般采用电子旋转式纱罗边绞边装置，程序控制绞边方式。2．引纬运动剑杆织机的引纬和打纬机构均为纺织机主轴带动的机械式运动机构。引纬方式重要由两大类：有梭引纬和无梭引纬。无梭引纬是运用高速射流(如空气、水)或体积小、重量轻的引纬器来牵引纬纱通过梭口，无梭引纬的特点是：(1)射流引纬器的质量减轻，使织机速度有也许大幅度提高，特别是以流体作为引纬工质时，织机的主轴转速可达成1000r/min以上；织物幅宽也得到成倍的扩大，片梭织机的幅宽已经达5.4m。(2)引纬射流和引纬器具有很小的截面尺寸，因此筘座动程和经纱开口高度得到了相称的缩小，从而对经纱起到良好的保护作用。(3)部分引纬器的运动规律还受到控制，因此引纬动作比较缓和，纬纱所受张力也比较合理。(4)噪声低，机物料消耗低，工作环境改善。(5)入纬率高。一般织机的主轴一转引一根纬纱，提高入纬率的关键是提高引纬速度(纬纱的平均飞行速度)，从而使提高织机转速和增大织机幅宽才干得以实现，因此无梭织机的入纬率有了明显的提高，这是无梭引纬的一个特殊优点。多梭口引纬在不提高织机速度的情况下，增长织机每转的入纬根数也可以成倍地提高入纬率。剑杆织机引纬机构将纬纱引入由经纱所构成的梭口，以便和经纱交织，形成织物。它一般采用双剑杆作为引纬器，引纬由两根分别位于梭口两侧的剑杆协同完毕。这两根剑杆分别称之为送纬剑和接纬剑。引纬时，纬纱由