（机械电子工程专业论文）剑杆织机送经驱动控制系统研究.pdf

西北工业大学硕士学位论文 摘 要 : - 11 杆织机作为一种主流织机，在国外己经达到很高的技术水平，但口前国内 只能生产低档的剑杆织机， 究其原因，在于电子送经系统技术难度大。电机驱动 控制作为电子送经系统重要的 一 环，突破其技术瓶颈，研究高档的剑杆织机，就 成为我国织机制造厂家能否生存的关 键所在。 本文针对 织机的工作特性， 参照目 前的技术趋势， 完成了对电子送经驱动系统以及刹车慢车电源系统的应用设计研 究 刹慢车电源控制织机断纬以后的停车或者必要时的慢车。 由于织机的特殊工 艺要求，必须使主轴停在特定位置，故必须在断纬以后监测主轴的位置，进而断 纬离合器在电 源电流控制下实现准确的停车。 作者针对此设计了功率 m o s f e t 的驱动电路，该电路能提供要求的脉冲电流，适应了织机的停车要求。 送经系统 的驱动设计是本文的另一个重点， 由于织机送经系统的要求精度高， 这使得交流 伺服系统和其他伺服系统均不能取得很好的效果， 而传统的直流电机由于噪声和 维修问 题也逐渐被淘汰。 直流无刷电 机作为新兴的直流电 机， 调速性能优异， 因 而是目前的发展趋势。本文正是基于此，采用双极性 p wm 可逆调速系统，设计 了送经驱动系统。由于其良好的中低速特性，更好的适应了织机的工作要求。 关键词剑杆织机电子送经p wm无刷直流电机电源 西北工业大学硕士学位论文 ab s t r a c t a s a d o mi n a t i n g l o o m , t h e r a p i e r l o o m h a s d e v e l o p e d t o a n e x c e l l e n t t e c h n i c a l l e v e l . b u t i n o u r d o m e s t i c a r e a ， w e c a n j u s t p r o d u c e t h e l o w - e n d r a p i e r l o o m, t h e r e a s o n r e s t w i t h t h e d i f f i c u l t y o f c o n t r o l a n d d r i v e o f t h e e l e c t r o n i c le t - o f f . t h e d o m e s t i c c o r p o r a t i o n w a n t t o s u r v i v e , m u s t c a n t h e y b r e a k t h r o u g h t h e c h o k e p o i n t o f t e c h n i c al a n d d e v e l o p t h e t o p g r a d e r a p i e r l o o m. a i mi n g a t t h e w o r k i n g c h a r a c t e r i s t i c o f t h e l o o m a n d r e f e r r i n g t o t h e t r e n d o f t h e l o o m t e c h n i c a l . t h i s a r t i c l e d e s i g n e d a n d r i v e s y s t e m o f e l e c t r o n i c l e t - o ff a n d e l e c t r i c a l s o u r c e o f t h e b r a k e t h e e l e c t r i c a l s o u r c e o f t h e b r a k e c o n t r o l t h e s h u t d o wn o f t h e l o o m. d u e t o t h e n e e d o f t h e p a r t i c u l a r c r a th v o k o f t h e l o o m. p r i n c i p a l a x i s i s l i m it e d t o a s p e c i a l p o s i t i o n a f t e r s t o p o f t h e l o o m， s o i t mu s t t o d e t e c t t h e p o s i t i o n o f t h e p r i n c i p a l a x i s . a n d t h e s n a p p i n g w e ft c l u t c h m u s t c o n t r o l t h e a c c u r a t e s t o p p i n g o f t h e p r i n c i p a l a x i s u n d e r t h e c u r r e n t o f e le c t r i c a l s o u r c e o f t h e b r a k e , b a s e d o n t h i s d r i v e c i r c u i t s y s t e m o f t h e p o w e r mo s f e t , a n d i t c a n s u p p l y , t h e w r i t e r d e s i g n e d a t h e p u l s e c u r r e n t t o a d p a t i n g r e q u e s t o f t h e s t o p p i n g o f t h e l o o m . a n o t h e r e m p h a s e s o f t h i s a r t i c l e i s t h e d e s ig n o f t h e d r i v e s y s t e m o f t h e e l e c t r o n i c le t - o ff , d u e t o t h e h i g h p r e c i s i o n o f l e t - o ff o f t h e l o o m , t h e a c s e r v o a n d o t h e r s e r v o s y s t e m i s c a n t p e r f o r m v e r y w e l l ， a n d t h e t r a d i t i o n a l d c s e rvo h a s b e e n s l o wly w a s h e d o u t b e c a u s e o f i t s n o i s e . a s a b u r g e o n i n g m o t o r . t h e d o b r u s h l e s s m o t o r p o s s e s s e s o f o u t s t a n d i n g c a p a b i l i ty o f t i m in g ， a n d i s t h e t r e n d o f t h e r e c e n t t i m e - b a s e d o n t h i s ， t h i s a r t i c l e a d o p t e d t h e p wm t e c h n i c a l , a n d d e s i g n e d th e d r i v e s y s t e m o f e l e c t r o n i c l e t - o f f , d u e t o i t s e x c e l l e n t p e r f o r m a n c e o f m i d d l e - l o w s p e e d , t h e s y s t e m a d a p t e d t h e n e e d o f t h e w o r k of t h e l o o m b e t t e r . k e y w o r d s r a p i e r l o o m e l e c t r o n i c l e t - o f p wm d c b r u s h l e s s m o t o r th e c ur r e n t s ou r c e 西北工业大学硕 上学位论文 第一章 绪论 1 . 1引言 随着纺织_ l 业的发展，由于有梭织机存在着入纬率低、产品质量低等明显 问 题，使其渐渐被无梭织机等其他类型织机所替代。 剑杆织机作为无梭织机的 优秀代表，因入纬率高、加工范围广、选色 自由度高而到了迅速的发展。从其 技术层面看，由i - 计算机、 信息， 微电 子， 传感检测、以 及随着新型电力电 子 器 件出现而出现的新型调 速技术的发展， 使剑杆织机的自 动化水平和织造速度 有了 较大的提高，一般均可 达到了2 0 0 . 6 0 0 m / m i n 分钟的 入纬率。 这极大的提 高了生产率，大大降低了生产成本。 山于剑杆织机总体技术难度大，研发投入因而较高，据资料:一种剑杆织 机从设 计制图到生产费时为 1 0 年一2 5 年， 开发费 用超过2 0 0 0 万美 元。再加上 我国起步晚，故现今只能生产低档低附加值织机。大量的高档织机不得不靠进 口 来弥补。因此研发自己的高 档织机，实现从制造大国向 技术大国的转变，就 是我们国内厂家一项迫切的任务。现实的情况对我们也及其有利。这是因为多 数型号织机的性能己趋成熟，入纬率的增加不会象过去的 2 0年那样显著。近 2 0 年无梭引纬入纬率的大幅度增加， 其中非常重要的因素是由于纺纱和纱线准 备 技术方面的进步，随着这方面技术的成熟， 只要我们抓住时机，一定能生产 出自己的高档织机产品。 2剑杆织机的发展趋势 未来纺织的重要特点是信息技术、新材料技术、先进制造技术、生产技术 与纺织科学技术 的交叉和渗透， 它将改变传统纺织的面貌，产生新的纺织技术 和产业。未来织造技术也会有新的发展，主要表现在以 下几个方面 1l l . 速度还会 不断提高，最新织机的入 纬率己 达 1 1 0 0 m / m i n o 2 .采 用新材料， 剑头 ， 剑带， 和导剑轮是能提高织造速度的关键部件， 因 此应用材料科学的最新发展成果将其应用于织机成为新型织机提高织造速度的 西北工业大学硕 上学位论文 第一章 绪论 1 . 1引言 随着纺织_ l 业的发展，由于有梭织机存在着入纬率低、产品质量低等明显 问 题，使其渐渐被无梭织机等其他类型织机所替代。 剑杆织机作为无梭织机的 优秀代表，因入纬率高、加工范围广、选色 自由度高而到了迅速的发展。从其 技术层面看，由i - 计算机、 信息， 微电 子， 传感检测、以 及随着新型电力电 子 器 件出现而出现的新型调 速技术的发展， 使剑杆织机的自 动化水平和织造速度 有了 较大的提高，一般均可 达到了2 0 0 . 6 0 0 m / m i n 分钟的 入纬率。 这极大的提 高了生产率，大大降低了生产成本。 山于剑杆织机总体技术难度大，研发投入因而较高，据资料:一种剑杆织 机从设 计制图到生产费时为 1 0 年一2 5 年， 开发费 用超过2 0 0 0 万美 元。再加上 我国起步晚，故现今只能生产低档低附加值织机。大量的高档织机不得不靠进 口 来弥补。因此研发自己的高 档织机，实现从制造大国向 技术大国的转变，就 是我们国内厂家一项迫切的任务。现实的情况对我们也及其有利。这是因为多 数型号织机的性能己趋成熟，入纬率的增加不会象过去的 2 0年那样显著。近 2 0 年无梭引纬入纬率的大幅度增加， 其中非常重要的因素是由于纺纱和纱线准 备 技术方面的进步，随着这方面技术的成熟， 只要我们抓住时机，一定能生产 出自己的高档织机产品。 2剑杆织机的发展趋势 未来纺织的重要特点是信息技术、新材料技术、先进制造技术、生产技术 与纺织科学技术 的交叉和渗透， 它将改变传统纺织的面貌，产生新的纺织技术 和产业。未来织造技术也会有新的发展，主要表现在以 下几个方面 1l l . 速度还会 不断提高，最新织机的入 纬率己 达 1 1 0 0 m / m i n o 2 .采 用新材料， 剑头 ， 剑带， 和导剑轮是能提高织造速度的关键部件， 因 此应用材料科学的最新发展成果将其应用于织机成为新型织机提高织造速度的 西北工业人学硕士学位论文 必然要求。 3 . 广泛的适应性和高度的灵活性， 新型织机应能在现有基础上加强其适应 不同的织物和不同纱号的能力。除此之外还 应有高的 适应能力。这就要采用积 木式设计， 使织机做到只要简单更换零部件，即可适 应不同风格织物的织造。 4 . 采用高新技术， 提高织机的自 动化能力和智能化水平。 不但包括电子送 经，电子卷取、电子提花、电子多臂，以及数显监控装置的最广泛应用 ，还应 具有在系统设置参数的能力。 1 .3织机刹慢车电 源概述 织机在织造过 程当中，如果断纬以及发生其他的故障， 则必须刹车。如果 要求慢车运动，则必须点 刹。这些刹车慢车和一般刹车慢车的不同之处在于不 能 使 刹 车 片 一直 抱紧 主 轴， 因 为 断 纬 时， 织机 的 停 车 位 置必 须保 证 在3 0 5 - - 3 12 2 1 角度之间，以 便断纬的抽出，这就要求必须以适当的方式控制该电源提供的电 流。一般做法是: 停车期间不断 检测主轴的位置，井与设定的 停车 位置比 较， 在微处理器内部通过算法计算后，发出相应的 脉冲，控制电 源的导通与截止， 实现对织机的定位停车。由于停车期间的这种控制运动，必然要求电源的稳定 安全响应，这在高频和大电流情况下，必须确保电源功率管的发热不超过允许 值，以及快速可靠导通与关断。 由于双极性晶体管的频率不能做的太高， 通常 使用功率 mo s f e t . 它可适应 4 0 k h z以上的高频信号，驱动电路简单，合理设 计各参数及保护电路后， 可保证整个板子的 稳定工 作，因 而能适应织机的刹车 及定位要求。本文正是基于此设计 一 了织机的制动电源。 1 .4织物送经和卷取驱动系统概述 送经和卷取是剑杆织机最重要的一环。直接决定 织物 质量的高 低。 传统的 机械式送经/ 卷取机构由 于张力 难设定、 控制误差大，可 适应的品种少，逐渐的 被电子送经/ 电子 卷取所取代。 作为先 进的 送经 / 卷取系 统，其 具有13 1 , 经纱张力控制灵敏，调节精度高: 织轴可大卷装: 西北工业人学硕士学位论文 必然要求。 3 . 广泛的适应性和高度的灵活性， 新型织机应能在现有基础上加强其适应 不同的织物和不同纱号的能力。除此之外还 应有高的 适应能力。这就要采用积 木式设计， 使织机做到只要简单更换零部件，即可适 应不同风格织物的织造。 4 . 采用高新技术， 提高织机的自 动化能力和智能化水平。 不但包括电子送 经，电子卷取、电子提花、电子多臂，以及数显监控装置的最广泛应用 ，还应 具有在系统设置参数的能力。 1 .3织机刹慢车电 源概述 织机在织造过 程当中，如果断纬以及发生其他的故障， 则必须刹车。如果 要求慢车运动，则必须点 刹。这些刹车慢车和一般刹车慢车的不同之处在于不 能 使 刹 车 片 一直 抱紧 主 轴， 因 为 断 纬 时， 织机 的 停 车 位 置必 须保 证 在3 0 5 - - 3 12 2 1 角度之间，以 便断纬的抽出，这就要求必须以适当的方式控制该电源提供的电 流。一般做法是: 停车期间不断 检测主轴的位置，井与设定的 停车 位置比 较， 在微处理器内部通过算法计算后，发出相应的 脉冲，控制电 源的导通与截止， 实现对织机的定位停车。由于停车期间的这种控制运动，必然要求电源的稳定 安全响应，这在高频和大电流情况下，必须确保电源功率管的发热不超过允许 值，以及快速可靠导通与关断。 由于双极性晶体管的频率不能做的太高， 通常 使用功率 mo s f e t . 它可适应 4 0 k h z以上的高频信号，驱动电路简单，合理设 计各参数及保护电路后， 可保证整个板子的 稳定工 作，因 而能适应织机的刹车 及定位要求。本文正是基于此设计 一 了织机的制动电源。 1 .4织物送经和卷取驱动系统概述 送经和卷取是剑杆织机最重要的一环。直接决定 织物 质量的高 低。 传统的 机械式送经/ 卷取机构由 于张力 难设定、 控制误差大，可 适应的品种少，逐渐的 被电子送经/ 电子 卷取所取代。 作为先 进的 送经 / 卷取系 统，其 具有13 1 , 经纱张力控制灵敏，调节精度高: 织轴可大卷装: 西北工业人学硕士学位论文 必然要求。 3 . 广泛的适应性和高度的灵活性， 新型织机应能在现有基础上加强其适应 不同的织物和不同纱号的能力。除此之外还 应有高的 适应能力。这就要采用积 木式设计， 使织机做到只要简单更换零部件，即可适 应不同风格织物的织造。 4 . 采用高新技术， 提高织机的自 动化能力和智能化水平。 不但包括电子送 经，电子卷取、电子提花、电子多臂，以及数显监控装置的最广泛应用 ，还应 具有在系统设置参数的能力。 1 .3织机刹慢车电 源概述 织机在织造过 程当中，如果断纬以及发生其他的故障， 则必须刹车。如果 要求慢车运动，则必须点 刹。这些刹车慢车和一般刹车慢车的不同之处在于不 能 使 刹 车 片 一直 抱紧 主 轴， 因 为 断 纬 时， 织机 的 停 车 位 置必 须保 证 在3 0 5 - - 3 12 2 1 角度之间，以 便断纬的抽出，这就要求必须以适当的方式控制该电源提供的电 流。一般做法是: 停车期间不断 检测主轴的位置，井与设定的 停车 位置比 较， 在微处理器内部通过算法计算后，发出相应的 脉冲，控制电 源的导通与截止， 实现对织机的定位停车。由于停车期间的这种控制运动，必然要求电源的稳定 安全响应，这在高频和大电流情况下，必须确保电源功率管的发热不超过允许 值，以及快速可靠导通与关断。 由于双极性晶体管的频率不能做的太高， 通常 使用功率 mo s f e t . 它可适应 4 0 k h z以上的高频信号，驱动电路简单，合理设 计各参数及保护电路后， 可保证整个板子的 稳定工 作，因 而能适应织机的刹车 及定位要求。本文正是基于此设计 一 了织机的制动电源。 1 .4织物送经和卷取驱动系统概述 送经和卷取是剑杆织机最重要的一环。直接决定 织物 质量的高 低。 传统的 机械式送经/ 卷取机构由 于张力 难设定、 控制误差大，可 适应的品种少，逐渐的 被电子送经/ 电子 卷取所取代。 作为先 进的 送经 / 卷取系 统，其 具有13 1 , 经纱张力控制灵敏，调节精度高: 织轴可大卷装: 西北工业大学硕十学位论文 3纬密适应范围广; 4 . 适应织机高速化和智能化，并有助于消除开车细密路。 电子送经系统 ( 电子卷取系统)是由张力传感系统、控制系统、以及送经轴驱 一机 位 上 一j一月 减 速 装 置 i k * 1 妙 h张 力 传 感 器 直流无刷电 机驱动 一百一 _ l_ _ _ 控制器 送经轴 _ 奄 一日 .瑟 薄 姿 通 卜 直流无刷电 机驱动 图1 . i电子 送经 / 电子卷取示意图 动系统三个部分组成。示意图如图 1 . 1 所示。 三部分紧密联系，互相配合完成 整个织机的送经。工作时，由s作人员 通过上位机设定 各参数，传递给控制系 统，并通过传感器检测张力信号，对比调节，达到控制织轴驱动系统的目的。 为了 保证各送经系统张力和速度的灵敏及时调节， 显然，一方面应在提高传感 器的灵敏度，改进检测电路、改进控制算法下功夫。另一方面，应提高送经轴 驱动系统的灵敏 度。只有这样，才能使张力和速度的稳定在硬件上得到有力保 证。对送经轴驱动系统来讲，通常由放大器，电机、减速器、以及织轴组成， 重要的是电机伺服系统。目前) 一 范应用的伺服系统有直流伺服系统，交流伺服 系统、 以及步进电 机伺服 系统。 交流伺服系统电 磁干扰少， 低速调速性能优异， 但机械特性较软。为了弥补这一点，通常在电机头端装有测速电机，构成闭环 系统，致使系统体积增大，故 一 般只用在 低档的剑杆织机中，总的来说性能不 如直流伺服控制系统。步进电机伺服控制系统，其输入脉冲与步进电机的角位 移量成严格的比 例关系，步距误差不会积累，速 度与控制信号的 频率也成严格 的对应关系，抗干扰能力强， 且在一定的频率内可以 快速启动， 停止和反转， 又具有 自锁功能，使其成为电子送经驱动系统的一只生力军。但总的来说其性 能还是不如直流伺服驱动控制系统。直流伺服驱动系统机械特性硬，线性调速 西北工业大学硕士学位论文 范围广、易 控制、 效率高，最适合作送经电 机。 但传统的直流电机存在电 刷， 电磁干扰大，维护麻烦，并且低速时存在换向器死角。限制 了它的应用。随着 传感技术、电力电子 技术以及稀土永磁材料的发展，直 流无刷电机在中小功率 范围内成功的克服了传统直流电机的缺点，成为最有发展前途的电机，因而送 经系统的发展趋势是由 直流无 刷电机构成的 伺服控制系统， 这是目前 最新织机 大多所采用的技术，也是本伺服驱动系统所采纳的。 5直流伺服控制系统概述 直流 伺 服 控制 系 统是 最旱 发 展 起 来的 伺 服 系 统3 l 1 。 直 到 现在， 如前 节 所述， 仍广泛应用于重要的场合。 最早的直流伺服系统采用旋转变流机组调节 转速， 现 已被淘汰。 后来采用晶闸管整流调速，通过调节触发装置的控制电压， 改变整流电压，从而实现平滑调速。但由于晶闸管的单向导电性，它不允许电 流反相，给系统的可逆运行带来困难。由半控整流电路构成的调速系统只允许 单象限运行，全控整流电路可以实现有源逆变，允许电机工作在正反转状态， 因而能获得二象限运行。必须允许四象限运行时，只好采用 正，反两组全控整 流电 路，增加了 系统的体积和复杂性。 此外，晶闸 管整流的其他问 题也很多， 比如谐波和无功功率等问题，限制 了其进一步的发展。 自从全控型电力电子器件出现以来，发展起 了较新的直流脉宽调制控制技 术 ( p w m调 速 技 术) 1 ， 原 理图 如 图1 .2 v t 0一 一 图1 . 2 直流斩波器一电 动机系统原理图 相比较于晶闸管调速，该调速技术有很多较大的优越性: l ， 电路简单，需用的功率器件少; f 开关频率f 7 ，电流很容易连续，因而省去了整流以后的电感，l 波少， 西北工业大学硕士学位论文 范围广、易 控制、 效率高，最适合作送经电 机。 但传统的直流电机存在电 刷， 电磁干扰大，维护麻烦，并且低速时存在换向器死角。限制 了它的应用。随着 传感技术、电力电子 技术以及稀土永磁材料的发展，直 流无刷电机在中小功率 范围内成功的克服了传统直流电机的缺点，成为最有发展前途的电机，因而送 经系统的发展趋势是由 直流无 刷电机构成的 伺服控制系统， 这是目前 最新织机 大多所采用的技术，也是本伺服驱动系统所采纳的。 5直流伺服控制系统概述 直流 伺 服 控制 系 统是 最旱 发 展 起 来的 伺 服 系 统3 l 1 。 直 到 现在， 如前 节 所述， 仍广泛应用于重要的场合。 最早的直流伺服系统采用旋转变流机组调节 转速， 现 已被淘汰。 后来采用晶闸管整流调速，通过调节触发装置的控制电压， 改变整流电压，从而实现平滑调速。但由于晶闸管的单向导电性，它不允许电 流反相，给系统的可逆运行带来困难。由半控整流电路构成的调速系统只允许 单象限运行，全控整流电路可以实现有源逆变，允许电机工作在正反转状态， 因而能获得二象限运行。必须允许四象限运行时，只好采用 正，反两组全控整 流电 路，增加了 系统的体积和复杂性。 此外，晶闸 管整流的其他问 题也很多， 比如谐波和无功功率等问题，限制 了其进一步的发展。 自从全控型电力电子器件出现以来，发展起 了较新的直流脉宽调制控制技 术 ( p w m调 速 技 术) 1 ， 原 理图 如 图1 .2 v t 0一 一 图1 . 2 直流斩波器一电 动机系统原理图 相比较于晶闸管调速，该调速技术有很多较大的优越性: l ， 电路简单，需用的功率器件少; f 开关频率f 7 ，电流很容易连续，因而省去了整流以后的电感，l 波少， a北 工业大学硕士学位论文 电机损耗及发热都较小; 3 _ 低速性能好，稳速精度高，调速范围广; 4若与快速响应的电动机配合，则系统频带宽， 动态响应快， 动态抗 于 扰 能力强; 5 .功率开关器 件一 作在开关状态， 导通损耗小， 当开 关频率适当时， 开关 损耗也不人。因而装置效率较高; 6 . 直流电源采用不 控整流时，电网功率因数较高。 以上优点使得 p wm 调速系统应用日益广泛，特别是在中小容量的高动态 性能系统中完全取代了晶闸管调速系统。因 而特别适宜于织机电子送经系统的 应用要求， 6本文主要研究内 容及论述特点 综 所述，本课题主要研究织机的慢刹车电源以及结合织机的技术性能参 数要求，设计送经直流伺服驱动系统。 1 . 完成整个控制电源的设计- l 作。 为了确保使该电源工作稳定，设计了相 应的各种监控报警电路及保护电路。 i织机驱动控制系统的设计工作。由于本系统织机采用直流无刷电机， 因 而针对其特点和工作环境设计了各种检测电路，由于本系统使用的芯片较多， 电源要求各不相同，因而采用开关电源技术设计了辅助电源，确保整个伺服系 统的稳定工作。由 于本文所要探讨的多为电力电子电 路和模拟电路， 参数的选 择较复杂，有时需要反复的计算查询，故只给出主要参数的 选择依据和过程， 次要的只给出结论 或选择依据。这样才能 探讨问题的 本质，而不至于陷 入数字 的泥坛。 a北 工业大学硕士学位论文 电机损耗及发热都较小; 3 _ 低速性能好，稳速精度高，调速范围广; 4若与快速响应的电动机配合，则系统频带宽， 动态响应快， 动态抗 于 扰 能力强; 5 .功率开关器 件一 作在开关状态， 导通损耗小， 当开 关频率适当时， 开关 损耗也不人。因而装置效率较高; 6 . 直流电源采用不 控整流时，电网功率因数较高。 以上优点使得 p wm 调速系统应用日益广泛，特别是在中小容量的高动态 性能系统中完全取代了晶闸管调速系统。因 而特别适宜于织机电子送经系统的 应用要求， 6本文主要研究内 容及论述特点 综 所述，本课题主要研究织机的慢刹车电源以及结合织机的技术性能参 数要求，设计送经直流伺服驱动系统。 1 . 完成整个控制电源的设计- l 作。 为了确保使该电源工作稳定，设计了相 应的各种监控报警电路及保护电路。 i织机驱动控制系统的设计工作。由于本系统织机采用直流无刷电机， 因 而针对其特点和工作环境设计了各种检测电路，由于本系统使用的芯片较多， 电源要求各不相同，因而采用开关电源技术设计了辅助电源，确保整个伺服系 统的稳定工作。由 于本文所要探讨的多为电力电子电 路和模拟电路， 参数的选 择较复杂，有时需要反复的计算查询，故只给出主要参数的 选择依据和过程， 次要的只给出结论 或选择依据。这样才能 探讨问题的 本质，而不至于陷 入数字 的泥坛。 西i 七 丁业大学硕 l 学位论文 第二章 刹车电源设计 刹慢车电源对保证整个系统的工作是很重要的，织机能否在故障发生时， 及时停车以及准确定位与电d控制板能否顺利安全工作有重要的关系，对其合 理的设计将有助 于整个系统的安全稳定工作。整个控制电源板包括:主制动控 制电路，主离合器驱动电路，以及寻纬离合器驱动电路。由于主离合器驱动电 路和寻纬离合器驱动电路结构完全一样，故只介绍其中一路。 2 .，主制动控制电路设计 当织机需要停车和发生故 障时一方面 应停止主电机的运行并制动， 以方 便 维修人员排除故障。同时 ， 也应设置 监测电路对刹车电路进行监测， 以停止各 控 制器工作。本设计利用简单的比较器 l m3 9 3对该刹车电路进行工作状况监测， 整个电路原理图如图 2 . 2 所示。 l m 3 9 3能 参数 如 下: 供电电 压范围:2 . o v - 3 6 v 输入电流 ( 0 . 4 m a ) ( 与 供电电压无关) 输入共模电压范围包括地 输出 饱和电压: 2 5 0 m v ( 电流为4 m a时) 输出电压与t t l , c mo 5 电平 兼容 fxxr x x.jx.rixfixr. fxrnf1xwxmn+wx iewe x v imxfixfxm xx xn.xxhmnx iyytf 图2 . 1 i m 3 9 3封装图 停车时，由于 无主离 合器 ( 将主电 机的动力传递给主 轴) 吸和信号，继电 器k l 闭合， 同时， 继电器k 2 动作， 使二 极管桥式整流电 路得电， 由9和e组 成的放大电路相当于达林顿放大管，其大电流使主制动器制动。织机刹车接通 时，由l m 3 9 3 组成的监 测电路向 外部报警， 以使主电 机断电。 同时， 为了监 测 刹车电路的状态，便于维护，由发光二极管监测刹车电路的电源。该信号同时 输出给外部处 理器，并经通过r : 的 信号监测c a 和认的状态。 应该说的是: 最 初的刹车信号是 通过继电 器k 3 输入信号实现的。 为了 安全的 刹车，必须在k 2 动作以前，无主离合器信号，这是正常的时序。为了防止不正常的时序产生， e ll 置卞刹车外部安个装置，这是通过继电器 k z 实现的，由图可见，当主离合 西i 七 丁业大学硕 l 学位论文 第二章 刹车电源设计 刹慢车电源对保证整个系统的工作是很重要的，织机能否在故障发生时， 及时停车以及准确定位与电d控制板能否顺利安全工作有重要的关系，对其合 理的设计将有助 于整个系统的安全稳定工作。整个控制电源板包括:主制动控 制电路，主离合器驱动电路，以及寻纬离合器驱动电路。由于主离合器驱动电 路和寻纬离合器驱动电路结构完全一样，故只介绍其中一路。 2 .，主制动控制电路设计 当织机需要停车和发生故 障时一方面 应停止主电机的运行并制动， 以方 便 维修人员排除故障。同时 ， 也应设置 监测电路对刹车电路进行监测， 以停止各 控 制器工作。本设计利用简单的比较器 l m3 9 3对该刹车电路进行工作状况监测， 整个电路原理图如图 2 . 2 所示。 l m 3 9 3能 参数 如 下: 供电电 压范围:2 . o v - 3 6 v 输入电流 ( 0 . 4 m a ) ( 与 供电电压无关) 输入共模电压范围包括地 输出 饱和电压: 2 5 0 m v ( 电流为4 m a时) 输出电压与t t l , c mo 5 电平 兼容 fxxr x x.jx.rixfixr. fxrnf1xwxmn+wx iewe x v imxfixfxm xx xn.xxhmnx iyytf 图2 . 1 i m 3 9 3封装图 停车时，由于 无主离 合器 ( 将主电 机的动力传递给主 轴) 吸和信号，继电 器k l 闭合， 同时， 继电器k 2 动作， 使二 极管桥式整流电 路得电， 由9和e组 成的放大电路相当于达林顿放大管，其大电流使主制动器制动。织机刹车接通 时，由l m 3 9 3 组成的监 测电路向 外部报警， 以使主电 机断电。 同时， 为了监 测 刹车电路的状态，便于维护，由发光二极管监测刹车电路的电源。该信号同时 输出给外部处 理器，并经通过r : 的 信号监测c a 和认的状态。 应该说的是: 最 初的刹车信号是 通过继电 器k 3 输入信号实现的。 为了 安全的 刹车，必须在k 2 动作以前，无主离合器信号，这是正常的时序。为了防止不正常的时序产生， e ll 置卞刹车外部安个装置，这是通过继电器 k z 实现的，由图可见，当主离合 西北工业大学硕 十 :学位论文 图 2 ?主制动电路原理图 器吸合时 ( k 1 动作) ， 电流只能 通过d 。 和发光二 极管l e d ， 由于电流很大， 电 磁式热敏开 关切断电源， 保护了刹车片不被 损坏。 稳压管d z 和功率二极管d 4 用于主制动器线圈关断时的续流， 稳压二极管的选择， 应使 l m3 9 3的输入电压 不超过其允许范围。 l m3 9 3组成的监测比较器电路， 为了限制 i n i 一 端的输入信号上升斜率，设 置由r、凡 : 、c 阻容网 络。由于l m 3 9 3 是集电极开路输出 ，需要上拉电 源， 西北工业大学硕十学位论文 这 是 通 过2 4 v电 源 经r ,: 、 r 1, 实 现的 ， l m 3 9 3 输出 在 电 源为1 5 v时， 输出 低 电 平 为1 v , 山 此 可 合 理 分配凡 : 和药 ， 阻 值， 取拭 2 为1 5 0 f l , 风 : 为i o k q ， 则可 计算出q , 集射极 之间的电 压约为0 .3 5 v , 选择一般的 锗晶体管即可点 燃发光二 极管。当l m 3 9 3 输出高电平( 1 1 v ) 时很显然不能点燃发光二极管， 不合要求。 电容 c， 是为了滤除电源的输出波动 ( 该电源直接经整流桥输入) ，为了保证比 较器的逻辑输出不因电源的影响而错误，其值较大，约为 1 0 uf 。 同理，电容 c 和电 阻r , 也 是为 了 滤 除电 源 的 输出 波 动。 其 选取 原 则 可 见 2 9 ，比 较 器选 择 l m 3 9 3 的原因是其1 n 1 - 端的 输入比较电 压可以高于供电电 压很多。 这在制动关 断时可以防止感应电势对比较器的损坏。 由于 制动器功率较大， 其峰值电流大约 2 0 a多，自 身的压降大约 1 5 0 v以 上左右，这么大的电流一般应选用 s c r或功率晶体管，为了便于控制，选用达 林 顿功 率 晶 体管 。 设计 的 放 大网 络见 图2 .2 ， 其山 q , i 达、 r _ , r , . r , 组 成， 必选用m ii 1 0 0 1 5 , q , 选用b u r 1 1 a . 它们的基射极电压降分别为2 . 7 5 v 和 1 . 3 v , 为了有助于q , 基极一 射极之间偏压的 形成， 便于 开通和快速关断， 设置了电阻 r , , r ., 。 其结构很像达林顿晶体管的内 部结构。 通电时， q : 的 输出电流为2 0 a 左 右 ( 此 时 放大 倍数 约 为2 5 ， 选 集射 极电 压 为v ,-,; 5 v时 的 计 算 参 数) ， 可 知 基 极电 流 约 为0 .8 a 。 若 选r : 与r ; 大 小 相 近， 则 此电 流 可 认 为由 q , ( 放大 倍 数为 2 4 左右， 选集 射极电 压为叭 、 5 v时的计 算参数) 的 输出电流 提供，因而可算得 q . 的 基 极电 流 大约 为0 .0 0 3 3 a ， 因q 、 基 射极 的 压 降 为 1 .3 v ， 可 知 加 在r , 上 的 电压差约为3 . 7 v多， 故选r : 为i l o ci， 选r : 为 l o o n. 则流经其的电流为0 . 0 5 a , 若选大的电阻r , ，则可以 认为9的基极电流为0 . 8 5 a ， 与 要求的0 . 8 a相近。实 际上由 于加必集射极之间的电压大于5 v( 约为7 .7 5 v ) ， 故 放大系数大于2 5 , 这样r ， 应选择稍大于 1 1 0 5 2 。上面参数的选择充分考 虑到了晶体管安全工 作区 的限制，即使电源电压稍有变化，仍可安全工作。 西北t业大学硕 卜 学位论文 2 .2断纬离合器控制电路设计 2 2 . .功率mo s f e t的 选取及驱动电阻的 选择 由于断纬离合 器所需的电流大约为 1 0 a 由 厂家给出) ， 故功率m o s f e t 选取 i r f p 2 5 0 ，其性能参数如下: 漏 源击穿 电 压u (1 1 )/ 、 2 0 0 v ; 通态电阻凡、0 . 0 8 5 s 2 漏极电流 3 0 a ( t = 2 5 最大 耗 散 功 率r 1 9 o w e 由i r f p 2 5 0 的性能参数可 知，其导通电 阻较一 般的功 率 m o s f e t小很多， 这在频率较高的情况下，导通和管断损耗小，发热小，并且其在内部集成 了续 流二极管，因 此设计 时简化了电 路，这也是本系统选择它的重要两点原因。 功 率m o s f e t 在 直流 状 态 时ir 7 (9 1栅 极 无 驱 动电 流 流 过 ， 因 而 栅 极驱 动电 路简单。 又因驱动电路的负载为容性负载。 功率mo s f e t的栅极输入端相当于 一个容性网络， 因而功率m o s f e t导通后不再需要驱动电流。 鉴于栅极输入端 的容性阻抗性质 ，故工作速度与驱动源内阻抗有关，如果希望开关时间越短则 所需的驱动电流峰值越大;为了能提供大的峰值电流， 就要求驱动源内阻抗小; 如果开关时间 相同，则寄生电容 越大，所需的 驱动电流也越大。其开通时间， 关断时间与各寄生电容的关系如下 设给定的开通时间为t , ， 栅源电 压为6 , s ， 则开通驱动电 流为 1 , ( 二 )二 ( ( 、 u , 、 ) i t , = ( (c、 +c , ， ) +r ;, ) t , ( 2 . 1 ) 式中 ，c 7n - c ,二 十c 1 为器 件生 产 厂 家 推荐 的 一 种 工 程 近 似 计算 方法 。该 式 是 选取开通驱动元件的主要依据，设 功率m o s f e t 截至时漏源极电 压为u i i s r 要 求的 关 断 时 间 为; 、 ， 则 关 断驱 动 电 流 为 i r , ( u 7 7 ) 一( ( 、 o r s ) / 1 ( 2 . 2 ) 西北t业大学硕 卜 学位论文 2 .2断纬离合器控制电路设计 2 2 . .功率mo s f e t的 选取及驱动电阻的 选择 由于断纬离合 器所需的电流大约为 1 0 a 由 厂家给出) ， 故功率m o s f e t 选取 i r f p 2 5 0 ，其性能参数如下: 漏 源击穿 电 压u (1 1 )/ 、 2 0 0 v ; 通态电阻凡、0 . 0 8 5 s 2 漏极电流 3 0 a ( t = 2 5 最大 耗 散 功 率r 1 9 o w e 由i r f p 2 5 0 的性能参数可 知，其导通电 阻较一 般的功 率 m o s f e t小很多， 这在频率较高的情况下，导通和管断损耗小，发热小，并且其在内部集成 了续 流二极管，因 此设计 时简化了电 路，这也是本系统选择它的重要两点原因。 功 率m o s f e t 在 直流 状 态 时ir 7 (9 1栅 极 无 驱 动电 流 流 过 ， 因 而 栅 极驱 动电 路简单。 又因驱动电路的负载为容性负载。 功率mo s f e t的栅极输入端相当于 一个容性网络， 因而功率m o s f e t导通后不再需要驱动电流。 鉴于栅极输入端 的容性阻抗性质 ，故工作速度与驱动源内阻抗有关，如果希望开关时间越短则 所需的驱动电流峰值越大;为了能提供大的峰值电流， 就要求驱动源内阻抗小; 如果开关时间 相同，则寄生电容 越大，所需的 驱动电流也越大。其开通时间， 关断时间与各寄生电容的关系如下 设给定的开通时间为t , ， 栅源电 压为6 , s ， 则开通驱动电 流为 1 , ( 二 )二 ( ( 、 u , 、 ) i t , = ( (c、 +c , ， ) +r ;, ) t , ( 2 . 1 ) 式中 ，c 7n - c ,二 十c 1 为器 件生 产 厂 家 推荐 的 一 种 工 程 近 似 计算 方法 。该 式 是 选取开通驱动元件的主要依据，设 功率m o s f e t 截至时漏源极电 压为u i i s r 要 求的 关 断 时 间 为; 、 ， 则 关 断驱 动 电 流 为 i r , ( u 7 7 ) 一( ( 、 o r s ) / 1 ( 2 . 2 ) 西北t业大学硕士学位论文 该式是选取关断驱动元件主要依据。 以上 两 式 中 c、 一输 入电 容; c , 、 一栅源电容; 。 一反相渡 越电容 ( 即为c， 、 ) ; 各电容与漏源电压之间的关系如图 2 . 3 所示。 门门 门 卜。少 尸 ra t i ， _ _ 一三 .i75s -,idjss -rfti 二一 ,js .tiri! r;” t.- 口口 口 日 口 旧日 日 日 门1 j d 甲 -，仁 甲 1 ， .n 日 ， 州r 】 口 . t n 区口 日 止 k 日 旧 幽 口口 川 口口 1 口已 玉 门日! 门日 圈日书珑口口 日口