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多电机同步控制的应用研究 摘要 ( 随着世界经济一体化的发展以及中国加入世贸组织，中国的纺 织品出口量将大大增加。纺织机械的市场也由此活跃起来。国内各 厂商争相开发新机型适应市场需求。正是在这种大环境的促使下， 安徽第二纺织机械厂与我校合作开发机电一体化粗纱机，希望能够 尽快占领自己的市场。 新机型取消了传统粗纱机的上、下锥轮，差速器，龙筋升降传 动部件和成型机构，由计算机控制器经四台变频器对驱动锭翼、罗 拉、筒管和龙筋的电机进行协调同步控制，使粗纱质量控制变得较 容易，从而使生产效率、操作性能和粗纱质量均得到飞跃性的提高。 粗纱机的控制系统中，同步控制尤其显得重要，同步控制性能的好 快将直接影响纺纱质量和纺纱的成功与失败。斗 文中从两个方面分析了同步控制的实现方法。并且提出了自己 的控制模型和控制算法。 1 卷绕模型的建立 l 粗纱机的主要工艺过程是牵伸加捻和卷绕成形。卷绕模型的确 立一直是机电一体化粗纱机的难题。模型的好坏将影响纱层之间的 张力均匀性。7 本文在传统粗纱机锥轮轮廓线的基础上，找到建立自 适应的卷绕模型的方法，使得模型能够适应特定场合的纺纱工艺。 减少纺纱质量对温度、湿度、纺纱品种等因素的敏感性。 2 闭环控制的实现 由于本系统使用异步电机变频调速系统，系统中采用速度闭环 控制是必不可少的。尤其是在整机启动和停止阶段，同步性能的好 坏将影响纺纱的成功与失败。我们采用编码器作为速度和位置检测 元件。采用分段p i d 控制器实现系统的闭环控制，减少系统的斜坡 响应误差。采用筒管给定的二次补偿算法微调启停过程中的纱线张 力。， f 新机型参加了第八届上海纺织机械展，我们总结了国内外同行 的成果与经验，分析了新机型存在的问题并提出了改进的方法。1 关键词：同步控制i 矢量控制i 变频器i 卷绕模型；编码器 a p p l i e dr e s e a r c ho fm u i j im o t o r s y n c h r o n o u sc o n t r o l a b s t r a c t w i t ht h ed e v e l o p m e n to fw o r l de c o n o m ya n dc h i n a s ee n t e r i n go fw t o t h e e x p o r to fc h i n e s ed r yg o o d sw i l l b el a r g e l yi n c r e a s e dt h em a r k e t i n go fr o v i n g m a c h i d ew i l lb e c o m em o r ea c t i v er e l a t i v e l y m a n u f a c t u r e r si nt h ew o r l da r ee a g e rt o d e v e l o pa l lk i n d so fn e wt y p em a c h i n et of i tf o rt h en e e do f t h em a r k e tw i t ht h i s b a c k g r o u n d w ec o o p e r a t ew i t ha n h u is e c o n dr o v i n gm a c h i n ef a c t o r yt od e v e l o p t h en e wt y p em e c h a t r o n i cr o v i n gm a c h i n e w eh o p ew ec a l l g e to u rs h a r eo ft h e m a r k e t t h en e w t y p ec o m p u t e r c o n t r o l l e dr o v i n gm a c h i n e h a sb e e nd i s c a r d e dt h eu pa n d d o w nc o n ep u l l e y , d i f f e r e n t i a lg e a r , s p i n d l eb e a r i n gp l a t ed r i v ea s s e m b l ya n dc o p p i n g m o t i o nf o u r f r e q u e n c yc o n v e r t e rc o n n e c t e dw i t ht h ep l c c o n t r o lf o u rm o t o rw h i c h d r i v ef l y e r , r o l l e gb o b b i na n ds p i n d l eb e a r i n gp l a t e r e s p e c t i v e l y i no r d e rt o g a i n s y n c h r o n i z a t i o nb e t w e e nt h e s e a x e s t h e r e f o r et h e q u a l i t y c o n t r o lo fr o v i n gw i l l b e c o m ee a s i e ra n dt h e p r o d u c t i o ne f f i c i e n c y , o p e r a t i n gp e r f o r m a n c ea n dr o v i n g q u a l i t yw i l l b ee n h a n c e dt oam u c hh i g h e rl e v e l i nt h ec o n t r o ls y s t e mo fr o v i n g m a c h i n e , s y n c h r o n o u sc o n t r o li se s p e c i a l l yi m p o r t a n tw h i c hw i l ld i r e c t l ya f f e c tt h e q u a l i t yo f t h ey a r n i nt h i st h e s i s ，w ea n a l y z et h er e a l i z a t i o nm e t h o d so f s y n c h r o n o u sc o n t r o l ，b r i n g f o r w a r do u ro w nc e n t r e lm o d e la n dc o n t r o la r i t h m e t i c 1t h ee s t a b l i s h m e n to f w i n d i n gm o d e l t h em a i np r o c e s so f r o v i n gm a c h i n e i n c l u d e sp u l l i n g ，a d d i n g t w i s t ，w i n d i n g , a n d e t c t h ee s t a b l i s h m e n to fw i n d i n gm o d e li sa l w a y st h ec r u xo fm e c h a t r o n i cr e v i n g m a c h i n e i t ss t a n do rf a l lw i l 】a f f e c tt h et e n s i o n u n i f o r m i t ya m o n gl a y e r s o nt h eb a s e o ft h ec o n t o u rl i n eo f t y p i c a lr o v i n gm a c h i n e sc o n ep u h e y , w ef o u n dam e t h o dt o e s t a b l i s ha s e l f - a d a p t i v ew i n d i n gm o d e lt 1 l i sm o d e lc a na d a p t t ot h es p i n n i n gp r o c e s s u n d e r s p e c i a l s i t u a t i o n t h u si tc a l lr e d u c et h e s e n s i t i v i t y o fy a r n q u a l i t y t o t e m p e r a t u r e ，h u m i d i t ya n dy a r nb r e e d s 2t h er e a l i z a t i o no f c l o s e d l o o pc o n t r o l a so u r s y s t e m u s ea s y n c h r o n o u sm o t o rv v f s p e e d c o n t r o ls y s t e m ，c l o s e d l o o p s p e e dc o n t r o li san e c e s s a r y , e s p e c i a l l yw h e n t h em a c h i n ei ss t a r t i n go rs t o p p i n g w e u s ee n c o d e r sa ss p e e da n dp o s i t i o ns e n s o r s ，u s ep i dc o n t r o l l e rt or e a l i z ec l o s e d - l o o p c o n t r o lt or e d u c et h ee i t o rf r o mt h e s l o p er e s p o n s ei n o u rs y s t e m w ea l s ou s e c o m p e n s a t i o na r i t h m e t i co f t h ep r e s e ts p e e do f b o b b i nt oa d j u s tt h et e n s i o no f t h e y a r n w h e n s t a r t i n go rs t o p p i n g t h en e w t y p em a c h i n ea t t e n d e dt h es h a n g h a ie i g h t he x h i b i t i o n o f r o y i n g m a c h i n ew es u m m e d u pt h ef r u i t sa n de x p e r i e n c eo fo t h e rm a n u f a c t u r e r s ，a n a l y z e d t h er e m a i n e dp r o b l e m so f m a c h i n ea n d p u tf o r w a r dt h ea m e l i o r a t i o nm e t h o d s k e y w o r d s ： s y n c h r o n o u sc o n t r o l , v e c t o rc o n t r o l ，c o n v e r t e r , w i n d i n gm o d e l ，e n c o d e r 上海交通大学硕士学位论文 第一章纺织行业的发展现状和课题背景 1 1 纺织工业的发展现状 我国纺织工业经过5 0 年的建设，特别是改革开放2 0 年的飞速发展，已成 为世界纺织生产和贸易的大国，但还远不是强国。随着全球经济一体化进程的 加陕( 如wto 的加入) 和知识经济时代的逼近，国内外市场竞争将更加激烈。 2 l 世纪纺织工业产品的竞争，将是以科技水平为主的实力较量。在技术领域， 我国纺织工业与国际先进水平相比，还存在明显的差距。纤维原料中化学纤维 质量低、品种少、生产效率较低，高性能和特种纤维开发滞后；高新技术改造 传统纺织工业的进展缓慢，工艺设各陈旧落后：产品技术含量低，附加值不高； “绿色”环保型生产技术尚待起步；产品结构不适应国民经济和科技现代化的 要求。 “十五”期间，纺织科技发展的主要任务是：围绕结构调整和产业的优 化升级，加陕建设以企业为主体，产学研相结合的纺织技术创新体系；应用高 新技术改造和提升纺织工业，发展高技术产业，大力推广应用先进适用技术，提 高我国纺织工业的国际竞争力；按照有所为、有所不为的方针，加强集成，突 出重点，对纺织行业中的共性关键技术，如新材料及其制品开发技术、信息网 络技术、纺织机电一体化技术及清洁生产技术等集中力量进行攻关。 “十五”期间，我国初步考虑的研究开发重点是：纤维加工技术，纺纱 技术，织造技术，染整技术。服装设计、加工与营销技术等。 其中纺纱技术将主要围绕着提高棉纱成纱质量，以适应后工序络简、整经、 浆纱、无梭织机和针织设备高速生产的要求，棉纺技术应以先进、实用、适合 国情为原则。除继续改进提高和积极推广清梳联成套设备、精梳成套设备、带 中、短片段自调匀整装置、并条机、机电体化悬锭粗纱机和带落纱装置细纱 机长车外，在提高各道工序设备质量和单机自动化基础上，迸一步发展在线检 测、控制、显示等功能，开发棉纺工序机台间连续化生产各类机构，为逐步实 现棉纺生产的柔性化和连续化自动化生产准备条件。 1 2 国内外粗纱机的发展现状 90 年代初期，随着计算机技术、变频调速技术的发展，德国和日本先后 推出了b f 9 1 - l 型和f l l 0 0 型粗纱机，这2 种机型代表当时粗纱机发展的最高 水平。日本丰田公司9 0 年代中期将采用三电机分部传动的f l l 0 0 型悬锭粗纱 机推向市场。德国青泽公司在1 9 9 9 年法国巴黎国际纺织机械展览会上推出了多 电机分部传动的6 7 0 型悬锭粗纱机。这两种机型彻底取消了传统的变速装置、 成形装置和相关的轮系等机构，采用计算机控制多电机分部传动、液晶显示屏 和触摸式操作键盘，进行人机对话，使纺纱工艺调整和更换品种极为方便。具 上海交通大学硕士学位论文 有控制精度高、机械机构简单、自动化程度高等优点。 受国外先进技术的影响，国内纺织机械行业也雨后春笋般的开始了纺织机 械的机电体化改造，并取得了巨大的成果。在粗纱机的机电一体化改进中， 天津宏大，无锡宏源，河北太行三家企业走在了国内同行的前沿，率先实现了 计算机控制的粗纱机的国产化。以天津纺机厂为例，该企业跟踪世界先进水平， 研究开发了分部传动悬锭粗纱机f a 4 8 1 ，并已取得阶段性成果。样机已通过了 中国纺织总会组织的科技成果鉴定。f a 4 8 1 型粗纱机采用了计算机技术、p l c 控制技术、变频调速技术等新技术，是高度机电一体化的产品。f a 4 8 1 型控制 系统的硬件配置由工控机、液晶显示、触摸屏、r s 一4 8 5 接口、可编程控器、变 频器、变频专用异步电动机、光电编码器等组成。p l c 既是工控机的一个下位 机，按照工控机的指令执行动作，又是一个独立的逻辑控制器，完成各种逻辑 控制。在纺纱过程中，工控机、p l c 共同完成粗纱的卷绕成形。整机采用2 台 变颏电动机，在工控机内建立电机输出速度、纺纱卷绕成形和纺纱能力控制的 数学模型，主电动机和卷绕电动机的速比随着纱锭直径和纺纱张力的变化而变 化，两台电动机的惯性负载亦随纱锭直径的增大而增大，因此该系统属惯量变 化大的非线性时变速度同步随动控制系统，并采用了闭环控制方式，由光电编 码器测得速度反馈信号输入计算机，提高了系统抗负载变化能力。f a 4 2 5 型粗 纱机是在f a 4 8 1 的基础上发展起来的。它的计算机为5 8 6 工业控制机，选用了 日本d i g i t a l 公司的g p - 4 7 0 型触摸显示屏，采用r s 2 3 2 通讯口。f a 4 2 5 随机 供应c c d 三套光电检测元件，用于检测粗纱张力。粗纱机在实际工作过程中， 尽管两台电机的速度同步性能很好，对于给定速度的跟随误差也较小，但由于 棉纱质量和空气湿度等外部因素，在粗纱机正常运行时，纱的张力仍会有微小 的变化。c c d 将张力检测信号传入计算机与设定值进行比较，微调卷绕电机速 度，从而保持粗纱张力处于设定的范围之内。 1 3 安徽二纺机的市场策略 正是在这种大环境的促使下，安徽第二纺织机械厂与上海交通大学机电控 制研究所联合开发机电一体化高速悬锭粗纱机以适应国际发展的潮流，争取入 关以后能够在国内国际棉纺设备市场上占得自己的席之地。 2 上海交通大学硕士学位论文 第二章粗纱机的工作原理及其主要机械结构 2 1 传统粗纱机的主要机械结构及其工作原理 粗纱机按工艺可以分为喂入、牵伸、加捻、卷绕和成形五大部分。传统粗 纱机采用一台电机驱动。其导条辊、牵伸罗拉、锭子以及简管的运动，都由主 轴直接驱动。根据粗纱的卷绕运动规律，要求筒管的卷绕转速和筒管龙筋的升 降速度，须随简管卷绕直径的增加而减少。因此粗纱机简管龙筋升降速度和筒 管卷绕速度的变速部分，都经下铁炮来驱动。差动装置将主轴传来的恒速和下 铁炮传来的变速合成后传给筒管，并驱动龙筋升降。 传动粗纱机的机械传动原理图如图2 一l ： 图2 一l 传统粗纱机机械传动原理图 有上图可以看到，粗纱机的主要机械与电器结构包括： 1 差速箱 差速箱采用行星齿轮把筒管的变速部分和固定速度部分叠加再输出给筒管 主轴。其中固定速度部分由锭翼主电机经过齿轮传动到差速箱，变速部分由上 铁炮经过铁炮皮带传到下铁炮再经齿轮离合器传到差速箱。 2 铁炮变速 铁炮变速装置实际上是两个相反的锥轮组成的。它的理论轮廓线是双曲线 铁炮皮带在不同的位置将得到不同的传动比，每纺一层纱换向机构将推动皮带 行走一定距离改变传动比，从而改变简管速度，使卷绕速度与纱管直径相对应。 3 成型机构 成型机构控制龙筋上下动程的大小，在龙筋每次换向的时候将改变下一次 动程的大小，从而使动程逐层递减少，实现纱管的圆锥形外形。这样才能保证 _ 匕矸父越兀罕坝士罕忸他卫 纺纱的实现，防止在纱管两头出现冒纱现象导致纺纱失败。 4 防细节装置 在粗纱机停车过程中，由于没有软停止，所以主轴电机在断电后就失去控 制作用，粗纱机四个关键轴在各自的惯量下自由停车。其中，罗拉、锭翼和龙 筋由于是齿轮啮合，停止过程中仍然保持同步关系。但是简管的变速部分由于 是经过铁炮由皮带传动，所以停车过程因为转动惯量的不同，皮带在铁炮上打 滑，使简管的卷绕失去同步关系纱线张力过大，出现“细节”。 为了克服细节的出现，传统的做法是设置两个时间继电器，在停车过程中 的某段时间内下铁炮离合器松开，使这段时间筒管速度有所下降，这样在整个 停止过程中平均张力可以保持适中。部分的解决了停车细节的现象。 5 换向机构 换向机构的作用是使龙筋到达动程上限或者下限时改变运动方向，通常的 做法可以用机械齿轮机构实现，也可以使用离合器伞齿轮实现。 6 牵伸机构 牵伸机构由三个或四个罗拉组成，各个罗拉的转速互不相同，从前排看， 逐个递减。这套罗拉的作用是完成棉条的牵伸和整理，生成未加捻的粗纱。他 们之间的传动比由齿轮机构实现。运动路线由锭翼主电机侧直接传过来。在改 变棉纱种类而需要改变牵伸倍数时，通过改变齿轮齿数比来实现。 2 2 传统粗纱机的弊端 传统粗纱机的主要弊端包括机械结构复杂，工艺调整麻烦，张力控制不理 想等。具体来讲： 1 传统粗纱机的传动系统的机械结构较为复杂，用齿轮和皮带传动实现各 种协调同步关系。传动系统的齿轮总数达5 0 0 至6 0 0 多只，这不仅造成了转动 惯量大，而且存在众多的间隙非线性环节，影响系统的稳定性和动态性能，出 现故障很难诊断。 2 当改变纺纱种类时，需要改变变换齿轮，需要专门钳工调整试车，占用 劳动力和工时，降低生产率。 3 由于张力主要有铁炮传动机构实现，因此张力调整不方便，也不理想。 为此，人们想出各种各样的方法来改进粗纱机。其中，最典型的就是实现 多轴分立传动。我们将在下一章讨论改进措施与方法。 4 上砰父坦天罕戗士罕忸他又 第三章安徽二纺机机电一体化粗纱机配置方案 3 1 项目背景 国内粗纱机的机电一体化虽然取得了高速的发展，但是还有待进一步改进， 进一步简化机械机构，改进控制算法实现恒张力控制，优化纺纱工艺参数等。 为追踪世界最新技术，提高参与国内国际竞争的能力，上海交通大学机电控制 研究所和安徽第二纺织机械厂合作，共同开发研制计算机控制的四电机分部传 动粗纱机。四台变频调速交流异步电机独立传动罗拉牵伸，锭翼转动，龙筋升 降及简管卷绕的运动。 新的机电一体化粗纱机机械传动图如下： 图3 1 机电一体化粗纱机机械传动图 3 2 项目要求 根据国内主要粗纱机的结构特点，安徽第二纺织机械厂对新型高速粗纱机 的技术性能和结构特点的设计要求如下： 1 高速化 锭翼机械转速最高达16 0 0 r t m i n ；锭翼工艺转速最高达1 4 0 0 r l m i n 。 2 机电一体化 由四台变频调速电机分别独立驱动罗拉牵伸、锭翼传动、龙筋升降和筒管 上海交通大学硕士学位论文 卷绕运动。采用先进的微电子技术和变频调速技术控制各台电机的速度，利用 闭环控制达到各传动轴同步控制的工艺要求。 3 高质量 取消上、下锥轮，差速器，龙筋升降传动部件和成型机构等装置，整机机 械结构简化，故障率大幅度降低。由多个高精度的旋转编码器检测粗纱机锭翼、 筒管、龙筋升降及罗拉等运动的实时转速，通过工控机或者可编程控制器和变 频装置按设定的数学模型进行合理的控制，完善解决粗纱机开、关机的张力控 制难题，有效抑制粗纱机开、关车细节，并保证粗纱张力在整个纺纱过程中的 一致性，生产出高质量的粗纱。 4 高效率 锭速提高；断头减少，相应减少停车次数；减少准备时间：满纱定长，定 位停车即缩短了纺纱时间，又减少了废纱。 5 操作简单 采用触摸屏为人机对话界面，各种纺纱工艺参数可在显示屏上实时显示和 实时设定，调整方便、快捷并且简单易用。不需调换电机皮带轮；机构简化， 减少调整、维护、清洁和加油。 6 张力微调功能 在纺纱过程中，粗纱张力对粗纱质量的优劣起重要作用。粗纱张力的适度， 主要由牵伸和卷绕两大传动系统的线速度匹配结果决定。仅此，还不足以保证 在纺制全过程中稳定的纺制优质粗纱，原因是影响纺纱的因素有很多，其中包 括温度，湿度，纺纱品种，产地等等。鉴于此，要求设置( c c d ) 张力微调装 置，还要求设置张力微调的手动调整功能。 7 断纱自停 整机共使用三路红外光电，分别在车前上龙筋面两路断纱自停，车后一路 断条自停。 8 安全防护设施 纺纱中，机器的故障自动报警，车头各门开启报警，各电机、风扇失灵报 警等。采用齐备的防护措施，除保证机器的正常可靠工作外，对于防止故障的 发生和及时排除故障均有明显效果。 9 维护方便，故障自诊断 3 3 主要改进措施与方法 为实现粗纱机的高速化，高质量，高效率，操作简单，性价比高等特点。 并以最小的代价赶上和超过国外先进水平，我们在国内同行的经验基础上准备 对粗纱机作以下几个方面改进提高。 3 3 i 主传动采用四电机分部传动，进一步简化机械结构 1 牵伸系统用一个电机传动，取消调节捻度的变换牙，通过改变电机转速来改 变捻度。 2 锭翼部分用一个电机控制。 6 3 筒管部分用一个电机控制，取消差速箱和上下铁炮。 4 龙筋升降用一个电机控制，取消升降牙和成形机构。 3 3 2 启、制动问题 采用四电机传动，启、制动瞬间的同步必须进行严格控制，因为每台变频异 步电机特性都存在差异，在启动、制动瞬间受到电机特性和负载变化的影响，尤 其低频区域输出特性较软，很难保证四电机同步。所以启、制动时一定要采用 严谨的反馈控制和补偿方法，补偿电机问存在的特性差异。采用高精度旋转编 码器作传感器检测各电机的位置和速度信号，用循环中断方式反馈到控制系统。 3 3 3 建立纺纱工艺参数的自调整和记忆系统 由于数学模型或者经验模型所确定的变速曲线都存在一定的误差，为保证 对某个品种、在某种速度下，维持太、中、小纱张力恒定，获得优化的调节参数， 常常需要有经验的人员进行调整参数，而且会掺杂人为因素。所以要建立一个 参数自调整和记忆系统，保存工艺参数的最优化。增加张力微调装置和数学模型 参数优化软件是实现优化纺纱工艺参数的必要手段。目前非接触式检测张力比 较可靠、有效的办法是采用c c d 技术。日本丰田的f l l 0 0 型粗纱机张力调节 就是利用c c d 的控制原理。通过数据分析，得出r0 ( 简管半径) ，6m ( 粗纱 的平均厚度) ，p ( 粗纱的密度) ，k ( 特征系数，与粗纱的材料、支数等因素 有关) 四个参数对纺纱的影响：r0 主要影响小纱；6m 主要影响大纱；k 主 要影响中纱；p 则对大中小纱均有影响。而我们的系统将在传统粗纱机铁炮轮 廓线的基础上通过张力检测装置调整卷绕模型，使得对于每一种品种和工艺速 度下都有其特定的卷绕模型。然后把这些特殊模型存到数据库中，当纺纱工艺 出现重复的时候，这些模型就能够得到复用。 3 4 机电一体化粗纱机控制方案选型 根据以上的改进要求，我们将采用全数字化控制方式，在主控单元与四台变 频器之间通过p r o f i b u s d p 串行通讯连接，主控单元根据数学模型，计算出每层 的电机转速，并通过p r o f i b u s - d p 通讯口传送给变频器，调节电机的转速；四只 旋转编码器的信号通过计数器与主控单元通讯。控制程序以循环中断方式记录 脉冲数，记录的脉冲信号数值经过处理后，一方面作为速度反馈，形成对电机 的闭环调速控制，另一方面实现纺纱计长、纺纱成形及位置控制等功能。主控 单元还要完成各种逻辑控制，故障处理等。 现有的控制系统可以归为以下三种方案： 主控单元是工控机；所有信号的处理都由工控机完成。此方案的控制系 统图如图3 - 2 所示。工控机通过各类板卡取得和输出各种开关量，数字量，模 拟量，通过r s 2 3 2 r s 4 8 5 与c c d 检测装置，变频器，触摸屏通讯。工控机内 还可以存储各种纺纱工艺参数库，建立纺纱工艺人工智能专家系统提高纺纱质 量。工控机具有很高的柔性，编程能力和处理能力相当强。但是工控机需要操 7 i 件x l 十叫i 性w x 作系统支持，现有的操作系统有d o s 等低级系统，他们的图形华现实能力不强。 w m d o w s 9 8 、w i n n t 等图形界面系统可靠性不高，连续稳定运行时间不长，容 易出现死机现象，这在纺纱工艺中是不允许的。 图3 2 主控单元为工控机 主控单元为p l c ：即p l c 完成所有的信号处理( 如图3 3 所示) 。p l c 通 过配置不同模块，与各种设备发生联系，取得和输出各种开关量、数字量、模 拟量等，实现有效可靠的控制。通过r s 2 3 2 t r s 4 8 5 与c c d 检测装置，变频器， 触摸屏通讯。由于各个模块封装地比较好，所以p l c 可靠性比工控机高，它的 不间断工作时间可达3 0 万小时。但是，它是从电工的基础上发展起来的工业p c ， 对逻辑控制有着强大的优势，在编程、数据存储、高级处理方面逊于工控机， 参数、图形显示也缺少个性化。 8 图3 - 3 ：主控单元只有p l c 主控单元为工控机和p l c 协同工作：这种方案如图3 - 4 所示。把开关、起 停等逻辑量以及变频器控制、张力检测与控制，旋转编码器的数据采集都用p l c 来控制，充分发挥p l c 可靠性优势。工控机实现纺纱统一的记忆、存储、人机 界面的显示。这样p l c 和工控机都可以发挥各自的优势。 9 上得父迥天罕职士罕世兜卫 平枣 液晶显示和触摸屏 、 、 张力捡测 叫奠铲 装置 工控机 j 旋转嚣埒 一尊尘 巾并信号 _ 建蛩码 r 启捧4 制 蹙颤# n 光电信号 l1 1 _ | 变顿嚣h p l g ll a _ 一主第一f ： jln 旋转勰 开美 彳。，、。 lln ” 审 k： 帆 ) 呶t 机 控韵 l 上土o u p s ，辅髓电谭荨 电蕾嵩台嚣，且机，疆自哑性等 图3 - 4 工控机和p l c 协同工作作为主控单元 基于以上分析，我们决定采用第三种方案。 3 5 机电一体化粗纱机系统配置 按照系统的设计方案，粗纱机的控制部分的硬件可以分为驱动、控制和检测 三个部分。 3 5 1 外围设备的选择 外围设备包括传感器和驱动器。在满足性能和可靠性要求的基础上我们主 要考虑价格因素。其中比较重要的传感器是c c d 张力检测装置。我们将采用天 津宏源传感器有限公司的粗纱位置传感器作为张力间接检测装置。采用日本内 密控公司的增量式编码器作为速度检测的主要器件。采用德国m a y e r 公司的绝 对值编码器作为龙筋位置检测器件。 1 0 工研卫遄兀罕坝士罕但睨又 张力检测 粗纱机在实际工作过程中，对于给定速度的跟随误差一定的情况下，但由 于棉纱质量和空气湿度等外部因素，在粗纱机正常运行时，纱的张力仍会有微 小的变化。c c d 将张力检测信号传入计算机与设定值进行比较，微调卷绕电机 速度，从而保持粗纱张力处于设定的范围之内本机装有三个高精度c c d 张力 传感器，分辨率为0 1 m m ，设计三个传感器的目的是为减少和消除系统偏差， 提高精度和可靠性。其作用是自动检测粗纱张力状态，并把检测信息反馈计算 机，从而调整机器运转状态，使粗纱张力始终保持最佳，在改变品种时，同样 可控制张力最佳，c c d 安装如图3 5 所示： 图3 - 5c c d 安装图 龙筋位置检测 为了检测龙筋绝对位置，并在较大行程中保持较高的分辨率和检测精度， 采用龙筋升降轴上安装绝对值旋转编码器来测量龙筋垂直位置。 电机转速检测 四只旋转编码器的连接到p l c 的高速计数模块f m 3 5 0 1 上。控制程序以循 环中断方式记录脉冲数，经过处理后，一方面作为速度反馈，形成对电机的闭 环调速控制，另一方面实现纺纱计长等功能。 3 5 2 动力驱动部件的选择 主要动力驱动部分由四台电动机组成，分别控制罗拉牵伸、锭翼传动、龙 筋升降及筒管卷绕的运动。直流电动机产生的热量相当大，造成散热问题。其 致命的缺点是利用电刷和换向器进行电流的换向，需要经常维护和保养，并且 容易产生电火花，不适于在纺织厂现场多尘的环境工作。由于直流电动机存在 以上不足，而交流电机相比之下结构简单，适应能力强，成本低，并且随着控 制理论的发展，使用交流调速的性能达到和超过了传统的直流调速水平。采用 变频器对交流电动机实施矢量控制，可以得到基本转速以下的恒转矩特性，基 本转速以上的频率调节可以得到恒功率特性。但是不论电流型变频器，电压型 变频器，还是交一交循环变流器，起输出电压或电流中均含有高次谐波，与工 频电网的正弦波具有相当大的差别。再加上运行频率的不断变化，由此给电动 机的各种运行特性带来影响。因此，为了得到良好的输出特性，本方案采用变 频专用三相异步电动机。 - 亡w x 日t 明i ￥世w ，k 交流电动机是个多变量，强耦合，非线性的被控对象。传统的电压型和电 流型控制系统，多为v f 比值恒定控制方法，即在系统中通过控制输出电压幅 值和输出频率值，使稳态情况下磁通近似恒定，从而得到不同转速下的稳定运 行。采用这种控制方法在低速及动态、加减负载等情况时，系统表现出明显的 缺陷。1 9 7 1 年f b l a s c h k e 提出了矢量控制原理，通过电机统一理论和坐标变换 理论，把定子电流分解成励磁分量和转矩分量，从而模拟直流电动机的特点来 进行交流电动机的控制。 我们采用s i e m e n s 的m a s t e rd r i v e 矢量控制变频器作为电机驱动元件，它 是具有免测速机矢量控制功能的通用型变频器，可以计算出所需输出电流及频 率的变化量以维持所期望的电机转速，而不受负载条件变化的影响，在各种工 况下，能保证较好的动态特性和高启动转矩，并且提供3 秒钟2 0 0 的过载能力。 其内带p i d 调节器，r s 4 8 5 串口，可以很方便地进行控制和与上位机的通信。 电动机功率与变频器容量的匹配。变频器容量的选择是根据负载电流和冲 击电流的大小与变频器输出额定和最大电流来确定。一般情况下，变频器的额 定电流应是1 05 1 1 倍电机额定电流。 由于该变频器具有内藏p i d 指令，该指令是指从外部变送器输入的模拟信 号反馈输入到变频器，并取得与变频器设定频率指令之间的偏差，然后根据p 、 i 、d 进行控制，从而使负载一侧的动作跟随指令值变化的一种控制功能。因此 可根据速度与变送器输出电流的关系以及变送器输出电流与变频器的频率关系 把速度的设定转换成对变频器的频率进行设定，并给变频器提供一个速度反馈 信号且正确设定有关p 、i 、d 参数即能自动进行调节控制。 此外，为了在控制柜内达到良好的工作环境，不受纺织厂里多尘、高温、 湿度的影响，在机柜里安装两台吹风电机。对它们没有特殊的控制要求，采用 般的三相交流异步电机即可。 3 5 3 控制系统硬件选择 系统核心是工业控制计算机和p l c ，通过变频器控制四台电机，电机速度 信息由增量式编码器反馈到p l c 的高速计数模块，再对电机实行闭环控制，从 而使各电机在整个纺纱过程中得到良好的瞬时匹配。粗纱机控制系统的关键是 四台电机的调速和同步控制，以及粗纱卷装的成型控制、粗纱张力的调节，归根 结底都反馈到电机的调速和同步控制。因此p l c 的处理能力至关重要。除此之 外，在运行过程中还要根据张力进行微调，这也要求系统能实时地作出响应。 3 5 4 人机接口的选择 应用触摸屏显示和操作，实现人机对话，纺纱工艺、机械性能等各种参数 输入、查询、修改等操作很方便，并具有产量统计、故障诊断和报警等功能。 计算机数据库中可以储存不同品种、不同支数的最佳工艺参数，更换品种非常 容易。我们选择s i e m e n s 的组态软件作为控制系统的人机界面。 3 5 5 系统元器件清单 工控机部分：底板i p c 6 1 0 p 4 2 6 0 - e ，c p u 卡p c a - 6 1 6 6 ，工业级工作站，c p u j 一：k n f mj _ 于 p e n t i u mm m x 2 3 3 ，6 4 m 内存，硬盘q u a n t u m l 0 g 。 p l c 部分：p s 3 0 5 电源，c p u3 1 5 2 d p ，d i d o a i ，高速计数器模块，变 频控制通讯模块c b l 5 。 外围器件：日本内密控增量式编码器( 2 0 0 0 p r ) ，德国m a y e r 的绝对值编码 器( 4 0 9 6 * 3 2 圈) ，天津宏源的粗纱张力传感器。 软件系统：w m n t 操作系统，w i n c c 组态软件作为人机界面，s t e p 7 作为 编程工具。 其它：( 安全保护装置，行程开关等) 3 6 粗纱机系统运动过程 电气控制系统由开、停车控制，落纱控制，成形控制，断纱控制，故障处 理等几个部分组成。其中，包括顺序控制、参数控制等。 整机上电后，设置纺纱各项参数。打开护罩，吸纱电机工作。确定龙筋停 在放砂管处，放满纱管后，揿按钮，使得龙筋上升至生头处，连好接头后，放 下护罩，吸纱电机停止工作。启动机器，此时四个电机和清洁器电机、吸风电 机、巡回电机运转。记数纱满后，到满纱自停处，所有的电机运转停止，延时 一段时间后，龙筋电机运转下降至落纱位置处，落纱。然后把龙筋开到放纱管 处，重复以上动作。 对于龙筋电机、筒管电机、锭翼电机、牵伸电机和清洁器电机需要协调工 作。龙筋电机在落纱过程中具有自动手动功能，吸风电机、巡回电机可以单独 进行控制。 p l c 根据设置的参数，以及数学模型计算各电机的运动曲线，通过变频器 来控制电机协调运转，同时实时读取编码器的信息，调整电机运转。p l c 还读 取张力检测仪的信息，来调整牵伸和卷绕的动作协调。 i ：x h = 手坝i 子眦w j l 第四章多电机同步控制 粗纱机四电机同步控制将归结为两部分的同步问题。其一是同步模型的建 立；其二是采用闭环控制算法使实际同步关系在启动、运行、停止各阶段的能 够逼近同步模型，减少瞬态和稳态误差。本章将围绕这两个问题展开讨论。对 多电机同步控制的应用研究提出一些解决问题的方法。 4 1 同步模型的建立 4 1 1 轴间同步关系数学模型 ( 1 )锭翼转速 锭翼由主电机传动，其转速n 为一定值，它代表了粗纱机的生产能力，称 为互苎篷薹 ( 2 )前罗拉转速和锭翼转速的关系 对粗纱的加捻由锭翼来完成，前罗拉钳口为握持点，锭翼侧孔为加捻点， 锭翼回转一周，前罗拉钳口至锭翼侧孔之间的一段须条就获得一个捻回。如图 4 - 1 所示： 前罗 图4 - 1 粗纱加捻原理图 所以捻度：t = 疗，0r d rx 盯) 1 0 0 0 ( 4 1 ) 前罗拉转速： i - = 1 0 0 0 n ( d r r c t ) ( 4 2 ) 式中n ，一前罗拉转速( r r a i n ) ； t 一捻度( 捻，米) ，其设定值与工艺及原料有关。 d ，一前罗拉直径( r a m ) 。 ( 3 ) 简管的卷绕速度变化公式 卷绕采用管导方式，依靠筒管与锭翼之间的转速差异实现卷绕。筒管转速 与锭翼转速之差，称为卷绕转速。 i i k = nbii_(4-3j 1 4 j 二# x 芋伽i 罕忸佑j l 式中 1 1 k 一筒管卷绕转速( d m m ) ： n b _ 筒管转速( r l m i n ) ； r l 锭翼转速( r t m i n ) 。 根据工艺要求，简管卷绕过程中速度的变化应满足前罗拉单位时间内送出 的粗纱长度，简管在同一时间内将其卷绕完。所以： dk nk = pdfn1 1 f( 4 4 ) 式中d 。筒管卷绕直径( 舳) ； p 粗纱在前罗拉与简管之间的伸长系数； d ，一前罗拉直径( r a m ) ： nf 一前罗拉转速( r r a i n ) 。 筒管的卷绕转速 nk = pdfr l f dk( 4 5 ) 在纺纱中d ，、n ，一般为定值。由于粗纱在卷绕中要求始终保持一定的粗纱张 力，所以p 也为定值。因而由式( 4 5 ) 得出d 。与n 。成反比变化，所以只要d 。的变化规律确定，则n 。的变化规律也随之确定了。一般认为卷绕直径d 。随 层次递增的规律，由于内层受压力较大，结果使得每层纱的厚度就自内向外逐 层递增。纱层厚度6 近似地按等差级数递增。 图4 2 粗纱卷绕参数图 图中 6 i 第一层纱厚( m l i l ) ； 6 。一第n 层纱厚( r l 为1 n ) ( m m ) ； d ，一第一层卷绕直径( m m ) ； d 。一第n 层卷绕直径( m m ) ； r 。一简管半径( m m ) 。 我们设其每层纱厚的增加值为e ，e 值根据纱线的性质、卷绕张力由实验 而定。当e 值确定后在纺纱中为一定值。 各层纱的厚度： 6 i ； 6 2 26 l - t - e ； 6 3 = 6i + 2e ； - 【w ：x l 十w i 世w x 6 。= 6i + ( n 一1 ) e 。 那么各层的卷绕直径： dl = 2 ( r d + 6 。2 ) d2 = 2 ( r o + 6j + 62 2 ) d3 = 2 ( r o + 6l + 62 + 63 2 ) d 。= 2 ( ro + 6i + 62 + 63 + 6 。一1 + 6 。2 )( 4 6 ) 将各层纱厚代入( 4 6 ) 式： d 。= 2 坐1 。0 互0 = 2 。( 脉冲，转) ( 4 - 1 3 ) 6 02 0 0 0 增量式编码器对计数器的要求 增量式编码器必须和计数器配合使用才能实现速度，角速度等信号的采集 功能。因此它对计数器有一定的要求，主要有： ( 1 ) 能够根据a 、b 相脉冲的相位自动判别光电脉冲编码器的旋转方向。 ( 2 ) 要有倍频功能，以便充分利用a 、b 两相脉冲波共同携带的位置信息。 ( 3 ) 计数器应是可逆的，且计数器的计数长度要有定容量。 ( 4 ) 能实时以数字形式或模拟形式输出位移或计数值，以适应不同的需要。 另外计数器的计数频率也要满足要求： 计数器的计数频率为f = p + n ( 4 1 4 ) 其中p 为每转脉冲数，n 为编码器的转速。 由上式可以得到计数器的上限频率：( 以编码器的转速为1 5 0 0 转，分为例) 芦2 0 0 0 + 1 5 0 0 6 0 = 5 0k h z( 4 1 5 ) 所以我们选用s i e m e n s 高速计数模块f m 3 5 0 1 作为编码器的计数模块，它的最 高计数频率为5 0 0k h z 。 绝对值编码器分辨率的计算 多圈式绝对值编码器的优点是不需要进行基准点校准操作，它的输出信号 与位置信号是唯一对应的。当系统断电以后再接通也不会丢失，系统的断电、 暂停等操作及其方便绝对编码器在使用中无需判别坐标的运动方向。而它也不 会产生累计误差， 由于码盘上各信道中刻线的实际位置与设计位置总有误差。角度传感器位 置变化时的瞬间有可能出现编码混乱，解决方法有采用选通信号或采用格雷码 ( g r a yc o d e ) ，也称循环码( c y c l i cc o d e ) ，其特点是从一