（纺织工程专业论文）经编多速电子送经系统的研究与开发[纺织工程专业优秀论文].pdf

摘要 摘要 经编机电子送经装置是通过伺服控制系统驱动经轴送出经纱来满足编织需要的系 统。它是经编机中最重要的组成部分之一。多速送经系统增加了经编产品起花可能性的 实现，配合电子横移编织的产品种类多样，图案效果丰富。本课题主要进行了基于c a n 总线的伺服控制经编机多速电子送经系统的开发，为提高我国经编产品的国际竞争力打 下了基础。 论文介绍了经编送经系统的发展历史，分析了国内外经编送经系统的应用现状，指 出了国内外经编机电子送经系统生产存在的差距，而目前国内经编企业多数经编机都采 用的机械式送经系统且即将损坏，迫切需要自主开发经编电子送经系统来代替。文章首 先详细分析了目前比较流行的两种电子送经系统一全闭环与半闭环多速电子送经系统 的原理，提出了系统的控制算法，为经编机多速电子送经系统的实现打下了理论基础； 接着，文章介绍了经编多速电子送经控制系统的实现，系统采用基于单片机的c a n 总 线技术，各经轴控制单元分散控制，由上位机统一管理，满足了生产对数据传输和控制 命令传输的实时性要求，提高了生产、管理效率，同时文章还针对在开发过程中遇到的 一些关键问题提出了切实可行的解决方案；随后，根据目前在实际生产中讨论的比较多 的经轴测速压辊在电子送经系统中的必要性，文章通过实测在不同剩余圈数时某经轴实 际周长与理论周长的差异，比较得出：只要整经工艺合理，控制简捷的半闭环控制式送 经系统也能保证良好的送经精度，符合经编工艺要求；最后论文通过对现有多速电子送 经系统的硬件部分进行合理改造，并植入数字化采样程序准确获得了主轴和经轴转速的 跟随关系，经过分析得出：本课题设计的多速电子送经系统在序列变换时经轴电机转速 切换动作的完成可以控制在2 0 m s 左右，不会在布面留下运转横条而影响产品质量，完 全符合经编工艺要求，可以在实际生产中大量投入生产、使用。 总之，本课题开发出了能够大量投入实际生产的多速电子送经系统，并用实验验证 了在正常整经的情况下不带经轴测速罗拉的多速电子送经系统能够符合经编工艺要求； 通过可控程序跟踪主轴与经轴转速的变化来测定本多速电子送经系统对经编产品的影 响，为经编机械国产化打下了基础。 关键词：经编；多速电子送经；测速压辊；序列切换 a b s t r a c t a b s t r a c t 1 1 1 ew a r pk n i t t i n gm u l t i - s p e e de l e c t r o n i cy a ml e t o f fs y s t e mi sa s y s t e mw h i c hs e n d s y a mb ys e i v om o t o r , a n di so n eo ft h em o s ti m p o r t a n tp a r t si nt h ew a r pk n i t t i n gm a c h i n e t h e m u l t i - s p e e dy a m l e t - o f fs y s t e mi n c r e a s e dt h ep o s s i b i l i t yo ft h er e a l i z a t i o no ft h ep a u e mf o r t h ep r o d u c t s ，w i t he l e c t r o n i cs h o gs y s t e mi tc a n p r o d u c taw i d ev a r i e t yo fp r o d u c t sw i t hr i c h p a r e me f f e c t s n l em a i nt o p i cw a sb a s e do nt h ed e v e l o p m e n to fc a nb u ss e r v oc o n t r o lf o r t h em u l t i s p e e de l e c t r o n i cy a r nl e t - o f fs y s t e m ，i tl a i dt h eg r o u n d w o r kf o re n h a n c i n gt h e c o u n t r y si n t e m a t i o n a lc o m p e t i t i v e n e s so nw a r p k n i t t i n gp r o d u c t s t l l i sp a p e ri n t r o d u c e dt h eh i s t o r yo fw a r p - k n i t t i n gy a ml e t o 行s y s t e m ，a n a l y z e dt h e p r e s e n ta p p l i c a t i o ns i t u a t i o na th o m ea n da b r o a d ，p o i n t e do u tt h eg a pb e t w e e nh o m ea n d a b r o a d ，f u r t h e r m o r e ，m o s tm a c h i n e si nd o m e s t i cc o m p a n i e sa r em e c h a n i c a la n da r en e a r l yt o b eb r o k e n ，u r g e n t l yn e e d e dt ob er e p l a c e db ye l e c t r o n i cy a ml e t o f fs y s t e m t h ea r t i c l ef i r s t l y a n a l y z e dt h ep r i n c i p l eo ft h et w op o p u l a re l e c t r o n i cs y s t e mi nd e t a i lw h i c ha r et h ew h o l e c l o s e d - l o o pa n ds e m i - c l o s e d l o o pm u l t i - s p e e de l e c t r o n i cy a ml e t o f ! fs y s t e m ，m a d et h e a l g o r i t h mo ft h es y s t e m ，a n dl a i dt h et h e o r e t i c a lf o u n d a t i o nf o rt h er e a l i z a t i o no ft h ew h o l e s y s t e m ；s e c o n d l y ，t h ea r t i c l ei n t r o d u c e dt h er e a l i z a t i o no ft h es y s t e m i nw h i c hi tu s e d s i n g l e c h i pm i c r o c o m p u t e rs y s t e mb a s e do nc a nb u st e c h n o l o g y , e a c hb e a mi sc o n t r o l l e d s e p a r a t e l yb yab e a mc o n t r o lu n i t ，w h i l ee a c hc o n t r o lu n i ti sm a n a g e dc e n t r a l l yb yt i l es u p e r c o n t r o l l e r , i tf u l l yf i l l e dt h er e q u i r e m e n to fp r o d u c t i o nd a t aa n dc o n t r o lo r d e rt r a n s f e r , a n d i m p r o v e dt h ew o r k i n ga n dm a n a g ee f f i c i e n c y ，m e a n w h i l e ，t h ep a p e ra l s om e n t i o n e df e a s i b l e s o l u t i o n st op i v o t a lp r o b l e m h a p p e n e dd u r i n gd e v e l o p m e n t ；t h i r d l y ，s i n c et h ei m p o r t a n c eo f t h eb e a mp r e s s u r er o l l e ri nt h es y s t e mi sd i s c u s s e df r e q u e n t l yi na c t u a lw o r k i n gp r o c e s s ，t h i s a r t i c l ed e t e c tt h ed i s c r e p a n c yb e t w e e na c t u a lp e r i m e t e ra n da c a d e m i cp e r i m e t e r , c o n c l u s i o n w a sc a r r i e do u t ，t h es y s t e mw i t hs e m i c l o s e dc o n t r o lc a l la l s og u a r a n t e en i c ey a mf e e d i n ； f i n a l l y , t h ep a p e ro b t a i nt h er e l a t i o n s h i pb e t w e e nm a i ns h a f ta n db e a mr o t a t es p e e db y r e c o n s t r u c t i n gt h e h a r d w a r eo fm u l t i s p e e dy a ml e t - o f rs y s t e ma n di m p l a n t i n g d i g i t a l s a m p l i n gp r o g r a m ，t h er e s u l ti st h a t ，t h es y s t e mw ed e s i g n e dc a nt r a n s f e rf r o mo n es p e e dt o t h eo t h e ri n2 0 m si nt h es e q u e n c ew i t h o u ta n yr t m n i n gb a n d s a f f e c t i n gt h eq u a l i t yo fp r o d u c t s ， i ns t r i c tc o m p l i a n c ew i t ht h er e q u i r e m e n t sf o rp r o c e s s ，s ot h es y s t e mc a nb eh e a v i l yi n v e s t e d a n du s e di n t ot h ep r o d u c t i o n i ns h o r t ，t h i si s s u eh a sd e v e l o p e de l e c t r o n i cm u l t i - s p e e dy a ml e t o f fs y s t e mw h i c hc a n b eh e a v i l yi n v e s t e da n du s e di n t ot h ep r o d u c t i o n , a n dw i t he x p e r i m e n t a lv e r i f i c a t i o n ，t h e s y s t e mw i t h o u ta n yb e a mp r e s s u r er o l l e rc a na l s og u a r a n t e et h eq u a l i t yi ft h ew a r p i n gi s n o r m a l ；i ta l s oo b t a i n e dt h er e l a t i o n s h i pb e t w e e nm a i ns h a f ta n db e a mr o t a t es p e e db y r e c o n s t r u c t i n gt h e h a r d w a r eo fm u l t i - s p e e dy a ml e t - o f fs y s t e ma n d i m p l a n t i n gd i g i t a l s a m p l i n gp r o g r a m ，i tm e a s u r e dt h ei m p a c tt ot h ep r o d u c t ，l a i dt h ef o u n d a t i o nf o rd o m e s t i c w a r p k n i t t i n gm a c h i n e r yi n d u s t r y k e y w o r d s ：w a r p - k n i t ；m u l t i s p e e de l e c t r o n i cy a m l e t o f fs y s t e m ；b e a mp r e s s u r er o l l e r ； s e q u e n c es w i t c h 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及取 得的研究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文 中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含本人为获得江南 大学或其它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谢意。 签名： 关于论文使用授权的说明 t ，口g - ，3 o 本学位论文作者完全了解江南大学有关保留、使用学位论文的规定： 江南大学有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘，允 许论文被查阅和借阅，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，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编学位论文， 并且本人电子文档的内容和纸质论文的内容相一致。 保密的学位论文在解密后也遵守此规定。 签名：1 量递 枷伊，；， 导师签名： 绪论 第一章绪论 第一台经编机创制至今已经超过二百年，在本世纪，特别是在最近的二十年期间， 经编技术发展的标志为机器运转速度大幅度提高，增强了适应各类原料、纱支、花色、 规格和各类成品的生产能力，加大卷装和增添各种质量控制与检测装置，以提高产品质 量和设备、劳动生产率n 1 。为了达到上述目的，除对成圈机件及其传动机构作根本性的 改革，并附加以各种必要的附属装置外，经编机的送经运动亦随而作了根本性的改革。 本章主要介绍经编机送经系统的发展概况，国内外对经编电子送经系统的研究和开发现 状，并介绍本课题研究的目的和意义。 1 1 经编机送经系统的发展 经编机在正常运转时，经纱从经轴上退绕下来，按照一定的送经量送入成圈系统， 供成圈机件进行编织，这样的过程称为送经。完成这一过程的机构称为送经机构。送经 机构是经编机中晟重要的组成部分之一，直接影响经编产品的质量和花型品种口1 。不同 的经编组织对送经装置和送经量有不同的要求。如通过减少送经量抽紧地组织纱线可形 成褶裥类缺垫组织，加大送经量可使线圈松弛在坯布表面形成毛圈。送经量必须准确控 制，使其与坯布结构相一致，才能形成符合工艺要求的织物。如果送经量控制不好，可 能会引起纱线断头，影响生产效率，坯布的密度也不能保证，影响坯布质量。由此可见 送经在经编生产中起着举足轻重的作用。 自1 7 7 5 年第一台经编机诞生至今已有两百多年历史，在本世纪，特别是在最近的 二十年期间内，随着电力电子技术的进步，微机技术的应用和新型控制策略的出现，经 编技术有了飞速发展。其主要机构如成圈机构、送经机构经历数代革新。就送经系统而 言，最初的消极式机械送经系统，由经纱张力直接拉动经轴进行送经，只能在低速下运 转；积极式机械送经系统，由主轴经传动装置驱动经轴回转，并通过无级变速装置按工 艺要求调整转速，适应高速经编机的要求；目前在实际生产中广泛使用的电子送经系统， 如e b a ，e b c 等，为更高车速的获得和生产更多花型品种提供了可能。 1 2 送经系统的类型 历史上出现过多种形式的送经系统，了解这些不同种类的送经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，下面分别予以介绍一下阳】。 一按工作特点来分 为了寻求一个比较理想的、性能良好的送经机构，在经编生产的历史发展中，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经编机各机构中最复杂的之 一。从简单经轴制动、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，种类繁多。这些系统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。 1 消极式送经机构 江南大学硕士学位论文 由经纱张力直接拉动经轴进行送经的送经机构称为消极式送经机构。消极式送经机 构结构简单，调节方便，特别适应于送经量多变的花纹复杂的组织。由于经轴转动惯性 大，将造成经纱张力较大的波动，所以这种送经方式只能适应较低的运转速度，一般用 于拉舍尔经编机。该类送经机构根据不同控制特点又可分为经轴制动、可控制的经轴制 动和纱架供纱三种形式。消极式送经机构，机器的速度最高为6 0 0 转分。 2 积极式送经机构 由经编机主轴通过传动装置驱动经轴回转进行送经的机构称为积极式送经机构。随 着编织进行，经轴直径逐渐变小，因此主轴与经轴之间的传动装置必需相应增加传动比， 以保持经轴送经速度恒定，否则送经量将愈来愈少。在现代高速特利科和拉舍尔经编机 中，最常用的积极式送经机构有机械式f a g 送经、e b a 电子送经、e b c 电子送经和喂入 罗拉等。 二按机构的驱动方式来分 按照送经系统的驱动方式来分，是把送经作为一个整体来看的，这也是一种目前常 用的一种分类。这种分类可分为以下两种： 1 机械送经系统 即通过一系列的机械结构( 杠杆，齿轮，铁炮，链条等) 进行经纱线速度检测和张力 自动调节，从而控制送经量。实践表明，机械送经系统使得经编机结构复杂，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，尤其是不能适应高速经编机的速度要求。所以机械送经控制系 统无法满足新型经编机的高速度、高质量、控制方便、可靠性好的要求。 2 电子送经系统 在电子送经系统中，经轴的转动由送经执行部分的送经电机单独传动控制，它受主 控制部分的控制，主控制部分根据织物的送经量经驱动电路放大去驱动经轴电机进行控 制。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恒定， 保证编织正常进行。 从以上分析可知，属于积极式送经机构的电子送经系统由于具有较多的优点，是当 前经编机送经系统的发展方向。 1 3 国内外经编机电子送经系统的研究和应用现状 1 3 1 国外研究现状 国外对电子送经系统的研究已经非常成熟，产品性能也很稳定，目前国外生产电子 送经系统的主要有德国k a r lm a y e r 公司和l i b a 公司，电子送经系统已经成为他们生产 的经编机的基本配置。 早期的e b c 电子送经系统采用直流伺服技术，但是受直流伺服电机本身缺陷的影响， 其发展受nt 限制。随着微处理器技术、大功率高性能半导体功率器件技术和电机永磁 材料制造工艺的发展及其性能价格比的日益提高，交流伺服技术已经逐渐取代了原来的 技术。交流伺服电机克n t 直流伺服电机存在的电刷、换向器等机械部件所带来的各种 缺点，特别是交流伺服电机的过负荷特性和低惯性等优势在送经过程中发挥的淋漓尽 2 绪论 致，保证了在经编织造过程中送经量的稳定，大大提高了织物布面效果。 另外，k a r lm a y e r 公司在2 0 0 4 年开发了全新的k a m c o s 系统，采用触摸屏技术，减 少了操作的复杂性，体现了人性化设计h 1 。 1 3 2 国内研究现状 自2 0 世纪5 0 年代，国内才开始对经编送经理论进行初步研究，7 0 年代进行了一系 列深入研究，如经编机上纱线的消耗和运动、纱线张力对成圈运动的影响、成圈过程中 的送经运动规律等，另外还进行了大量机械改造工作，包括对消极式、积极式送经系统 装置的工作、弹性张力杆的工作、经编停车横条的成因以及消除方法进行了大量尝试， 尽管效果不是很明显，但为经编送经技术革新打下了基础。经编生产车间除了进口的电 子送经系统，就是机械送经系统。在国内有人对电子送经系统进行过研究，部分企业已 经开发出了双速e b a 电子送经系统，对于多速e b c 电子送经系统的研究仅有少数几个单 位，但仅仅停留在理论水平上，生产出来的产品横条现象较严重，不能够适应实际生产 的要求。另外，我国自动化制造水平相对较低，经编机电子系统的开发侧重于实现单台 设备的经编工艺性能自动化，将机器所具有的先进功能封闭在单机系统内，而忽略了系 统的开放性，其结果使机器的结构( 特别是其控制系统) 愈来愈复杂，机器成为经编机械 自动化体系中的“孤岛”，系统的集成度较低，大量的生产信息难以共享，不利于经编 行业的发展。到目前为止，我国对送经机构的改造进行了大量的实践工作，但电子送经 系统的开发仍未完全取得成功。当前，在石油、化工、汽车制造业、纺织印染业等行业 都在提倡国际产品国产化的形势下，开发经编机电子送经系统已是当务之急。通过对本 课题的研究，可以提高国内经编生产自动化程度，发展计算机及计算机网络技术在经编 行业中的应用，缩短与国外的差距。 1 4 本课题的目的、任务与意义 经编送经系统从消极式机械送经发展到今天，功能日益完善。特别是f a g 稳定的送 经，使经编机的车速大大提高。然而，机械式送经系统仍然存在着无法克服的缺陷，系 统内仍存在着许多传动间隙，致使控制作用滞后于实际转速的变化，同时其反馈性能不 足，在更高车速下，经轴转速控制不准确，并且随着车速的提高，传动和调速零件磨损 严重，不仅能量损耗大，而且带来噪音1 ：特别是在停车与开车时易产生明显停车横条； 只能使用一种送经量，不能满足送经量变化的要求；此外由于技术上的原因，停车换轴 时，人工转动经轴非常困难，因此，操作舒适程度不高。 电子送经高速经编机作为一种新型经编设备，与普通高速经编机相比具有很大的优 势。采用计算机控制的数字伺服控制系统，送经精度高，送经量调节范围大，织物成圈 均匀，工艺设计方便，产品开发迅速。该系统不仅具有控制方便，性能稳定，成本低廉 等优点，同时也为经编机械实现网络化、智能化控制开辟了发展空间m 1 。 当前，国内对高档经编电子送经系统的开发因为各种原因，都没有成功实现产业化。 目前国内各行业都在提倡国际产品国产化，所谓国产化，就是在消化吸收引进国外先进 技术和设备的基础上，形成本国的技术研发和制造能力。虽然国内已对经编送经技术做 了大量实践工作，但电子送经系统的开发仍未取得成功，高档电子送经系统仍然大量依 江南大学硕士学位论文 赖进口，卡尔迈耶e b c 电子送经系统一根经轴的售价在1 0 万左右，价格相当昂贵，这 对国内的企业来说投资成本太大，这也是阻碍经编行业在中国发展的个重要原因。目 前国内经编企业存在大量二手经编机，大都采用f a g 机械式送经系统，且即将损坏，迫 切需要更换，因此迫切需要在吸收国内外先进技术的基础上，自主开发技术先进、控制 方便、价格低廉的经编电子送经系统。 本课题的主要任务是开发出一种成本低廉、性能稳定并且具有自主知识产权的基于 c a n 总线的经编机伺服控制多速电子送经系统。文章将对经编机多速电子送经系统的控 制原理作详细阐述，对经编机多速电子送经系统的控制过程、控制算法作细致的分析； 在深入研究了控制过程的基础上，文章还将对多速电子送经系统硬件、软件的实现进行 深入研究。另外，作为一个开放性的系统，文章还将研究c a n 总线技术在电子送经系统 中的应用，实现经编设备的自动化、高速化、连续化、智能化。最后本文将针对经轴测 速罗拉在电子送经系统中的必要性，系统在序列变换时切换时间对经编产品质量的影响 作深入研究。 本课题的意义在于：提高我国的经编机械机电一体化水平；推动我国经编企业的产 业升级；缩小与国外先进技术的差距；增强我国经编产品的国际竞争力。同时开发该系 统将有助于打破国外先进国家的技术垄断地位，有效的降低该系统在国内市场的价格， 可以提高国内经编生产自动化程度，发展计算机在经编行业中的应用，缩短与国外的差 距，提升我国经编机生产企业的国际竞争力。 4 电子送经控制系统原理及控制单元算法研究 第二章电子送经控制系统原理及控制单元算法研究 在经编织造中，送经的连续性、稳定性对成圈机件的工作、成品坯布的线圈结构和 质量花色的形成都有着重大的影响。如果送经系统控制不好送经量，可能会引起纱线断 头，影响经编机生产效率和坯布质量。采用计算机控制的数字伺服控制系统，送经精度 高送经量调节范围大，织物成圈均匀，工艺设计方便，产品开发迅速。该系统与模拟 控制相比不仅具有控制方便，性能稳定，成本低廉等优点，同时也为经编机械实现嘲络 化、智能化控制开辟了发展空间。本章研究了采用计算机控制的数字伺服控制送经系统 的组成和原理，阐述了经轴电机是如何根据主轴速度、外周长的变化在不同速度之问切 换的过程；在深入研究了控制过程的基础e ，还对多速电子送经系统的控制算法进行了 深入研究，根据主轴转速、工艺要求的送经量算出了电机转速的操作值。 2 1 系统组成 经编机电子送经系统主要 由三部分组成如图21 ，包括： ( 1 ) 主控制管理层，由工控机、 触摸屏和控制软件的送经部分 组成，该单元主要负责数据输 入、输出、保存，同时把机器运 行的反馈数据显示出来。另外 电子送经系统作为经编厂网络 管理的一个节点，主控制单元也 负责本节点与其他节点及主控 q ? ? 世 h w a 4 0 9 “1 2 “ 幽2 - 1 经编机电子送经系统组成 制室的数据交换。管理层的数据计算必须准确无误，同时软件的设计台理与否直接影响 了操作的便捷性。 ( 2 ) 子控制层，由嵌入式微控制器构成的分离式独立控制单元构成，即包括伺服控制 的母板和子板，通过c a n 卡与管理层连接，进行通信。同时，该控制层向驱动器发出指 令，控制经轴电机按照规定的转速转动。 ( 3 ) 现场层，包括驱动器，经轴电机和经轴，驱动器控制电机带动经轴转动柬完成送 经。这是整个电子送经系统的执行部件，直接影响了织物的布面质量。 2 2 控制原理 经编机对电子送经系统的基本要求是在编织过程中经轴电机应按照工艺要求的送 经量在规定的横列数内准确地输出规定长度的纱线，即经轴电机必须随主轴的角位移量 变化及经轴盘头当时的外周长来确定经轴电机的角位移量。 经编电子送经系统控制有两种方式，采用经轴表面测速编码器或不采用经轴表面测 速编码器，这也是目前在工厂广泛应用的两种控制系统。其控制原理有所不同，以下对 这两种方式分别介绍。 2 2 1 不采用表面测速罗拉的控制原理 ，一io c 让南人学硕十学位论文 图22 是电子送经系统的控制过程图。 周，经编机编织一个横列。送经系统与经 编机相连的是个主轴编码器，子控制单 元定时采集该编码器发出的主轴角位移脉 冲信号，作为系统的同步信号。每根经轴 由经轴电机通过皮带涡轮涡杆减速装置带 动作主动送经，经轴电机上的编码器发出 脉冲信号送至子控制单元作为经轴角位移 反馈信号，用以问接测量经轴的角位移， 这就构成了一个半闭环控制系统。在该系 统中经轴电机的实际角位移量通过经轴电 机的脉冲编码器反馈给子控制单元，通过 与设定值相比较确定位置差值，再由控制 程序把位置差值转化为速度调节值，从而 确定了经轴电机的速度指令值输出给伺服 交流驱动装置，进而驱动电机使经轴按照 工艺要求的该序列送经量送纱。 电子送经系统由主轴电机驱动，主轴旋转 圈2 - 2 电子送经控制过群幽 在运行前通过触摸屏把要求的织物工艺参数输入到工控机即主控制单元”1 。在机器 运转时，子控制单元定时采集主轴编码器发出的脉冲信号，主控制单元根据累计的主轴 脉冲数，即可计算出机器的转速、当日口横列数、电子齿轮比，依次即可在存储器中找到 编织花型的送经量序列及该序列的送经量。 2 2 2 采用表面测速罗拉的控制原理 采用经轴表面测速编码器的全闭环伺服系统与半闭环系统在硬件上的区别就是在 经轴上多了一套经轴转速钡4 量压辊装置。1 ( 如图2 2 ) ，所咀它们实际值的反馈与半闭环 系统有所不同，要求输入外周长和送经量以确定经轴电机初始值。予控制单元根据累计 的主轴脉冲数，输入的工艺参数，经轴表面测速罗拉测出的上一操作周期经轴表面线速 度反馈值来确定本周期经轴电机的操作值。其它的比较、调整环节都相同。此外早期 还出现过一种全闭环伺服系统，将编码器与经轴同轴安装，直接测试经轴角位移。因为 主轴一转经轴角位移量很小单位时间内编码器不能保证很高的脉冲数，所以控制精度 不够。 由于半闭环伺服系统比全闭环伺服系统更容易实现，并且现代的伺服电机已经具有 非常精确的反馈精度，因此目前在经编企业中也有很多经编机多采用半闭环的控制方 式。对于这两种控制方式对电子送经系统的影响，及经轴测速压辊在经编电子送经系统 控制系统中的作用，文章还将在下文作深入探讨。 2 2 3 精确送经的实现 为了实现精确送经控制系统必须保证经轴电机始终保持良好的动态响应和精确的 跟随性能。全数字伺服控制系统根据应用场合的不同可以采用位置控制、速度控制和转 电子送经控制系统原理及控制单元算法研究 矩控制的三环结构阳1 。 ( 1 ) 转矩控制 在某些场合，比如螺栓拧紧机构，只需要电机提供必要的紧锢力，并根据需要紧锢 力的大小决定伺服电机转矩控制和转矩限制，而对伺服电机的速度和位置没有要求。 ( 2 ) 速度控制 在有些场合，要求在各种运行状态下对伺服电机的速度加以控制，以满足负载的工 作要求。 ( 3 ) 位置控制 为了实现控制对象的准确定位，可以采用位置控制方式。它采用位置传感器检测电 机轴转角，来间接测量执行机构的实际位移，从而实现位置伺服控制。 在多速电子送经系统中采用了位置控制，这是因为在该系统中需要实现系统的精确 定位n 们。位置控制通常由上位控制器产生一定频率和个数的脉冲来决定电机的转速和转 过的角度，当指令脉冲当量和位置反馈脉冲当量不一致时，就必须采用改变电子齿轮比 的方法来进行调节。 图2 - 3 中位置环的作用是 产生电机的速度指令并使电机 准确跟随和定位。通过设定的目 标位置与电机的实际位置相比 较，利用其偏差通过位置调节器 来产生电机的速度指令。在经编 机运行过程中，经轴电机作脉冲 给定位置翟 _ _ _ 叫卜 蹩譬 图2 3 位置环结构图 跟随，驱动器与主轴编码器进行同步，当经轴电机实际转速与指令转速发生偏差时，通 过速度指令进行调节，直至最终定位。为避免超调，位置环的调节器应设计为p i d 调节 器，为了系统能实现准确、稳定、连续的跟踪，位置环还应设置前馈环节。 在电子送经系统中，位置信号由上位控制器的指令脉冲决定，其格式为脉冲序列+ 方向信号。系统通过判断方向信号来获得电机的给定转向，脉冲序列中的脉冲频率决定 电机的转速，累计的脉冲个数决定电机转过的角度。因此在位置环实现时，需要对输出 脉冲和反馈脉冲的误差进行累计。并且，由于字长的限制，当指令脉冲频率较大且电机 响应速度跟不上时，需要考虑误差脉冲的溢出情况，一旦出现脉冲溢出现象，便控制位 置环输出最大值，即给定最高转速，同时通过子控制单元控制经编机停机n 。当输入脉 冲的频率不断变化时，则系统的跟踪速度不断变换，此时误差值不断变化，并且最后把 误差的滞留脉冲全部输出，从而实现无误差定位。 对于多速电子送经系统而言，编织过程中对经轴电机跟随、定位的要求可能出现三 种情况： ( 1 ) 当编织素织物、花色织物的底布或在同一序列时，送经量保持不变，随着编织时 经轴直径的减小，送经量必须保持恒定值： ( 2 ) 在多速送经过程中，当织物编织到序列变换时经轴电机的速度要发生变化，此时 7 江南大学硕士学位论文 电机必须做出快速反应，以实现送经量的突变，使其符合织物组织的要求； ( 3 ) 当主轴速度发生变化时u 引，经轴电机速度也要随之变化，特别是在经编机发生掉 电时，由于存在惯性，主轴并不会立即停止，此时要求有掉电保护电路，使经轴继续送 纱，以保证不发生纱线断头甚至崩纱。 2 3 控制单元算法设计 按经编生产工艺要求，多速电子送经系统可以编制1 9 9 种不同的序列，累计循环可 达8 0 0 0 线圈横列。要求从一个送经序列向另一个送经序列变化时，不得在布面上留下 明显横条，即这个过程必须在一个横列内完成。因此，可以将多速送经分解为两个动作： ( 1 ) 每个序列内的恒速送经；( 2 ) 序列切换。 但是，不管是每个序列内的恒速送经还是序列切换，送经系统的控制方式都是脉冲 加方向，即改变输出脉冲的频率和方向来控制电机的转速和转向。当系统在同一序列内 运行时，系统保持恒定的送经量，每个横列的线圈长度基本不变或很少变化，经轴角速 度和经轴直径呈直线关系变化，随着编织进行，经轴直径逐渐变小，此时必须相应增加 经轴与主轴之间的传动比，即增加输出脉冲，以提高经轴角速度，保持经轴送经速度恒 定，使经编机顺利完成成圈；当系统由一个序列向另一个序列变化时，送经量将发生变 化，控制单元必须马上控制经轴电机改变转速，以满足工艺要求的送经量。 2 3 1p i d 控制器调节 上文已经提过，电子送经的控制方式是通过位置环的调节器来实现速度调节的，在 工程实际中，应用最为广泛的调节器控制规律为比例、积分、微分控制，简称p i d 控制， 又称p i d 调节n 驯。p i d 控制器就是根据系统的误差，利用比例、积分、微分计算出控制 量进行控制的。 比例( p ) 控制 比例控制是一种最简单的控制方式，其控制器的输出与输入误差信号成比例关系。 增大比例系数p 一般将加快系统的响应，在有静差的情况下有利于减小静态误差，但是 过大的比例系数会使系统有比较大的超调，并产生振荡，使稳定性变坏。 积分( i ) 控制 在积分控制中，控制器的输出与输入误差信号的积分成正比关系。增大积分时间i 有利于减小超调，减小振荡，使系统的稳定性增加，但是系统静差消除时间变长。 微分( d ) 控制 在微分控制中，控制器的输出与输入误差信号的微分( 即误差的变化率) 成正比关 系。增大微分时间d 有利于提前判断误差的趋势，使系统超调量减小，稳定性增加，但 系统对扰动的抑制能力减弱。 在p i d 控制回路投入运行时，首先可以把它设置在手动状态下，这时设定值会自动 跟踪测量值n 引，当系统达到一个相对稳定的状态后，再把它切换到自动状态下，这样可 以避免系统频繁动作而导致系统不稳定。 2 3 2 采样周期 按生产工艺要求编制多种送经量时，序列转换的过程必须在一个横列内完成，因此， 8 电子送经控制系统原理及控制单元算法研究 系统的采样周期必须小于经编机设计的最高转速时运行一个横列的时间。根据采样定 理，若信号上限频率为圪，则采样周期t 满足n 引： t i ( 2 f h ) ( 2 1 ) 所得采样信号完全可代表信号而不丢失任何信号但采样定理仅规定了t 的上限值。 根据主控制单元的计算速度和系统控制回路、调整装置的实际响应等因素来确定t 的下 限值： t m xr( 2 2 ) 其中m 为控制回路数，r 为采样一次工作时间。 因该系统采用多处理机控制，每根经轴对应于一个子控制系统，故m 取1 。当采样 周期不满足上述条件时，控制单元会发生重迭现象。设经编机的车速为2 5 0 0 r m i n ，每横 列的时间为2 4 m s ，为满足上述的要求，采样时间选取1 2 横列，即1 0 m s 。如果采样周 期过长，不能保证送经量突变的及时性；如果过短，会大大影响控制单元的计算能力。 2 3 3 电子齿轮的设计 数字交流伺服系统的主控制器发送的位置脉冲指令有三中形式n 6 1 ：( 1 ) 脉冲序列+ 方向信号；( 如图2 4 ) ( 2 ) c c w 脉冲序n + c w 脉冲序列；( 3 ) 正交二相脉冲序列。上 文已经介绍过，在经编机电子送经系统中指令脉冲的形式是方向信号+ 脉冲序列。指令 脉冲包含两个方面的信息：1 是指明电机运行的位移，2 是指明电机运行的方向。 电机正转指令电机反转指令 葬 厂厂n 厂厂 一 方 向 l 图2 4 脉冲序列+ 方向信号 通常指令脉冲单位是0 0 0 1 m m 或0 0 1 m m 等，而伺服系统的位置反馈脉冲当量由光电 编码器的分辨率以及电机脉冲对应的机械位移量等决定。当指令脉冲单位与位置反馈脉 冲当量二者不一致时，就可以用电子齿轮使二者完全匹配。使用了电子齿轮功能，可以 任意决定一个输入脉冲所相当的电机位移量。图2 - 5 是具有电子齿轮功能的电子送经系 统结构。 指令伺服电机 图2 5 具有电子齿轮功能的电子送经系统结构图 9 光电编码器 江南大学硕士学位论文 在图2 5 中，机械传动机构的转速是w ，指令脉冲当量是l ，光电脉冲编码器每转 脉冲数为m ，电机轴与经轴是通过减速箱相连的，减速比为p ，这样就可以确定反馈脉 冲当量m 。 矽 埘= _ 一 ( 2 3 ) 4 尸m 。 式中：4 p - 光电编码器作为反馈元件时输出的脉冲进行了4 倍频处理。 从上面的分析可以知道，指令脉冲当量l 与反馈脉冲当量a m 不一定相等，这就需 要通过指令脉冲的倍率系数a b 来建立二者的对应关系。具体的计算公式为： a , ：= a m x a b ( 2 4 ) 根据一个指令脉冲的位置当量和反馈脉冲的位置当量，可以确定电子齿轮的倍率系 数。在式( 2 4 ) 中a 和b 必须为整数，a b 成为电子齿轮的齿轮比。其中a 、b 都可以 单独设置，其范围在卜6 5 5 3 6 之间。 设在电子送经系统中，主轴转速x 转秒，盘头外径d m m ，此时经轴电机转速为y 转 秒，经轴电机到经轴的减速比为p ，送经量为e ，经轴电机编码器分辨率经，主轴编 码器分辨率主。 则在电子送经系统中，指令脉冲即为主。x ，反馈脉冲可表示为主。x 。i a 。 在机器编织端，运行1 秒需要的纱线为4 8 三_ 0 。x ( 胁) ，而在经轴端，此时1 秒需要 放出的纱线为告y ( 咖) ，将两者物理链接得： 互x ：旦1 ， ( 2 5 ) 4 8 0p 根据电子齿轮比的原理经轴电机转速y 可以表示为： n 。z 一a 卜寻 ( 2 6 ) 将( 2 6 ) 式代入( 2 5 ) 可算得电子齿轮比为： 兰：墨：! ：丝 ( 2 7 ) 2 3 4 序列变换控制 多速电子送经系统可按生产工艺要求编 织多种送经量。系统要求从一个送经序列向另 一个送经序列变化时，不得在布面上留下明显 横条，即这个过程必须经编机运行的一个横列 的时间内完成n7 1 。 在多速送经过程中，设一个循环有行个序列，第 l o 表2 1 送经序列控制 电子送经控制系统原理及控制单元算法研究 1 个序列有x 1 个横列，送经量为l ( m 耐腊克) ，第2 个序列有x 2 个横列，送经量为n 2 ( m 耐腊克) 第有所个序列以个横列，送经量为卅( m m 腊克) 第胛个序列有以个横列，送经量为m ( m m 腊克) ( m n ) ，如表2 1 。 在经编机开启后，控制单元读取主轴编码器发送的脉冲数，计算出当前横列数只 并将当前横列数与送经序列进行比较： 假设当前横列啪合： 墨+ 五十墨+ + 以一1 y 控制单元的反馈通道仅使控制单元获取了经轴即时的实际剩余圈数。 4 1 2 全闭环控制式电子送经系统 全闭环控制式电子送经系统采用了由经纱到控制单元的反馈装置测速压辊，即 是经轴上的经纱实际送出量通过紧压在经纱表面的测速压辊进行检测，并反馈到控制单 元，如图4 - 2 所示。 送经参数 图4 - 2 全闭环控制式电子送经系统控制原理 由于测速压辊将实际送经速度进行检测并反馈，因而在全闭环式控制系统中，经轴 电机即时转速的控制算法也就相应发生变化，即为： 一定送经量下测速压辊的转速仰。： 仰。= 丽f z i n r _ n j ( 4 3 ) 换经轴时初始经轴电机转速n j 。： 驴等= 华 4 ， 对于任一( i - 1 ) 时刻，有： 1 ) q = 等c f 一。 u 。：堑签! ( 4 5 ) 乃( ，一1 ) 则i 时刻经轴电机转速： = 半n r o 。n j u - 1 ) = f z ，i n 。丽n j ( ，- 1 ) 6 ， 式中：c 一。和c y 分别为( i - 1 ) 时刻的经轴周长和测速压辊的周长( m ) 。 乃o 、乃( i - 1 ) 和分别为初始时刻、( i - 1 ) 时刻和i 时刻的经轴电机的转速( r p m ) ； 唧o 、n r ( ) 为初始时刻、( i - 1 ) 时刻的测速压辊的实际反馈转速( r p m ) 。 在这一系统中，要求：在经编织造过程中，测速压辊输出的速度信号即为经纱实际 的送出速度，即经轴表面的经纱与测速压辊之间为无滑动的同步传动。在全闭环控制系 统中，由经轴电机编码器向控制单元反馈经轴当前剩余圈数，由测速压辊向控制单元反 馈经轴上的经纱