第34卷第2期 东华大学学报(自然科学版) Vo1.34,No.2 2008年4月 JOURNAL OF DONGHUA UNIVERSITY(NATURAL SCIENCE) Apr.2008 文章编号:1671—0444(2008)02—0218—06 一种新型的纺纱张力自动控制系统的设计 何 勇,杨延竹,王 宁 (东华大学机械工程学院,上海201620) 摘 要:纺纱过程中,卷绕性能的优劣直接影响到筒纱成形、纱线质量以及布机的生产效率和产品质量.设计了基于 纱线张力检测的纱线张力自动控制系统,该系统利用特殊的机械装置结合测距离传感器来检测纱线张力,通过以 56F8O5为内核的嵌入式系统,采用空间矢量调制(SVPWM),实现对电机转速的全数字化控制,以达到纱线卷绕张力 恒定控制.该系统具有电压和电流保护、错误报警等功能,实现了卷绕过程自动化.具有纱线张力自动控制系统的卷绕 装置,其结构简单、成本低、实时性好、控制精度高等特点,在实际应用获得良好效果. 关键词:纱线张力检测;空间矢量调制;控制系统;自动卷绕 中图分类号:TP 273 文献标志码:A Design for a New Model of Yarn Tension Auto—control System HE gong,YANG Yah—zhu,WANG Ning (College of Mechanical Engineering, ̄nghua University,Shanghai 201620,China) Abstract:In the spinning procedure,the performance of winding directly affects the package forming,the yarn quality and even the efficiency of weaving machines.A yarn tension auto-contro1 system is presented based on the yarn tension detecting.The digital control for motor speed and the constant tension contro1 is realized by use of some technology which including the measurement of yarn tension from the special mechanism and distance sensors,processing signal through 56F805 embedded system and use of space vector pulse width modulation(SVPWM)strategy.The voltage-protection circuit,current—detection circuit and yarn’S tension survey signal sampling circuit is designed,and the automatization of winding is realized.The winding machine with the yarn tension auto-control system has the advantage of simple structure,lOW cost,accurate control,moreover good performance. Key words:yarn tension detecting;space vector pulse width modulation;control system;auto-winding 纺纱络筒工艺中,为了使筒子成型良好,纱线 力过小,则筒子卷绕太松,成型不良,断头后找头困 必须具有一定的张力,这个张力既不能过大也不能 难,严重时会影响纱线的产量和质量….在纱线卷 过小.如果卷绕时的张力过大,不仅会使纱线的条 绕时,为确保卷绕纱线质量稳定,纱线张力需要在 干不匀,纱线的伸长变长,纱线的弹性受到损失,而 卷绕过程中始终保持恒定,为了达到这一目的,本 且纱线的断头和结头增多;反之,卷绕时纱线的张 文提出了利用特殊机械装置实时检测纱线张力的 收稿日期:2007—04一l2 作者简介:(1957一),男,江西吉安人,教授,博士,研究方向为机电集成控制、嵌入式计算机控制,产品虚拟设计和运动学与动力 学.E-mail:heyong@dhu.edu.Crl 维普资讯 http://www.cqvip.com 第2期 ,等:一种新型的纺纱张力自动控制系统的设计 219 变化来实时调节卷绕电机转速,达到控制卷绕纱线 张力恒定的方法. 纱线张力自动控制系统基于纱线的张力检测, 是根据纱线张力的变化来调节电机的转速,实现根 据纱线张力的自动卷绕控制.这种自动控制系统具 有结构简单、成本低、实时性好、精度高等特点. 1 系统设计原理 卷绕装置是将纱线卷绕到卷装上的机械装置. 在卷绕过程中,纱线的线速度要保证不变,且要求 在卷装和纱线的接触点上,卷装的线速度与纱线的 线速度相同.由于卷装的形状一般成圆锥形,所以 纱线卷绕到卷装的不同位置时,其纱线张力是变化 的;另外在卷绕的过程中,随着纱线在卷装上的缠 绕,卷装的半径增大,纱线的张力也是变化的.由于 纱线的线速度的变化可以通过纱线张力的变化反 映,因此可以通过对纱线张力的检测调整电机转速 而确保纱线张力恒定. 纱线张力自动控制系统是由张力检测、转速控 制、电机驱动和安全保护等模块组成.控制过程如 下:张力检测机构通过测距离传感器将纱线张力转 变为电信号,将此电信号作为矢量运算的一个干扰 参数进行计算,发出调节后的脉宽调制(PWM)脉 冲,通过驱动器和逆变器调节卷绕电机的转速,实 现纱线张力的自动控制.在卷绕过程中,处理器对 电机转速、电流、电压等反馈信号进行比较,根据具 体情况调整电机的转速,以保证系统的实时性. 2 纱线张力检测的实现 本系统中,纱线张力的检测是利用机械摆杆装 置和测距离传感器实现的,如图1所示.纱线在卷 绕前绕过导丝辊,导丝辊通过摆杆,在摆杆的另一 端接一个偏心弧形金属挡板.当纱线的张力发生变 图1纱线张力检测机械结构 Fig.1 Yarn tension detecting mechanism 化时,导丝辊通过摆杆带动金属挡板进行转动,使 挡板与测距离传感器之间的距离产生变化,从而使 传感器的输出端输出不同的电压值,纱线张力的变 化转变为电压值的变化. 在纱线张力的变化转变为电压信号后,系统利 用运算放大器对信号进行滤波、放大,数模转换后 进入处理器,作为调整电机转速的依据. 3 卷绕电机的转速控制 控制系统对卷绕电机的转速有以下特殊要求: 转速要随纱线张力变化而变化,而且两者的变化要 保持基本同步并达到一定的精度.因此,系统选用 常用于变速驱动的三相交流感应电机[2],这类电机 结构简单、价格便宜,并且调压范围广.选用 Freescale公司的56F805数字处理芯片作为控制电 机芯片,这是一款专用电机控制芯片,它的特点 是[3 3:片内有2个专用PWM输出单元,每个单元 有6个PWM输出端口、3个电流检测端口(IS)和4 个报错端口(FAULT);2路4通道可以与PWM输 出同步的12位A/D转换口.在56F805配合下的三 相交流感应电机可以达到高精度的控制.利用上述 电机和控制芯片,系统采用基于PWM的空间矢量 调制(SVPWM) ̄控制电机的转动. 3.1 PWM原理 系统的电机控制基于PWM技术[ ,如图2所 示.在PWM中常用等腰三角波 作为载波,利用 它与正弦波U埘的叠加,而产生一组等幅且脉冲宽 度正比于对应区间正弦波曲线函数值的矩形脉冲 .在 波形不变时,改变 的幅值,脉宽随之 改变,从而改变逆变器输出电压的大小;当改变 的频率时,输出电压频率也随之改变. 弦波 图2脉宽调制波形图 Fi.g2 Pulse width modulation oscillogram 本系统采用数字化PWM,利用数字脉冲的形 式实现图2所示的方波 引.通过调整脉冲的周期、宽 维普资讯 http://www.cqvip.com 220 东华大学学报(自然科学版) 第34卷 度和相位差来调整电机的转速. 设参考正弦波信号的幅值为 ,载波三角信 号的幅值为 ,则第i个脉冲的宽度 通过如下 计算得出: 一 ・ ne,I 其中:第i个脉冲中心线的相位角 可写为0 — n・ 1 r T 7c( 一1,2,…,N);m一 ,定义为调制 1 U a,I 系数. 3.2三相交流感应电机控制理论 在数字化PWM的基础上,针对应用的三相交 流感应电机,系统采取矢量控制算法[6]. 三相电机的矢量控制由一个耦合过程和一个 解耦过程组成,解耦过程、耦合过程互为逆过程.矢 量控制的耦合过程如下: 图3三相空间坐标转变为两相坐标 一 Fig.3 3一phase space coordinate transforms to 2一phase 一 coordinate 首先检测电机的相电压或相电流,然后将三相 空间结构转变为两相坐标系统.本系统采用检测相 电流的方法,如图3所示.图中三相电流J 。、J J 投影到横轴a与A相重合的a一 直角坐标系 中,转换结果如下: 一是[ 一丢 一吉 ] J 一是 [J如一J ] 其中 为常数. 然后计算转子的磁通量和位置角,将定子电流 a一 坐标旋转到一个参数不随时间变化的直角坐 标系d—q,如图4所示. 在d—q坐标系中,电流投影分量 和J 。分别 用以下两式表示: I 一I COS0F ld+J 口sinOF. ld I田一一I sinoF; ld+J 口COSoF. 图4定子电流 一 坐标到直角坐标系d—q F酶4 Stator current 一 coordinate transfollns to right-angled coordinate d—q 为通量产生的分量,I 为转矩产生的分量, 这两个量不随时间变化.以上就是矢量控制的耦合 过程. 经过三相耦合后,通过分别控制定子电流转矩 产生模块和通量产生模块,计算要输出的定子电压 空间矢量;利用SVPwM将定子电压空间矢量解 耦,从d—q两相坐标系统反变换到三相空间坐标 系,然后输出三相控制电压. SVPWM可直接将定子电压矢量从直角坐标 系统转变为PWM信号的控制方法,它将三相电机 的相区分为6个扇区,划分方式为A—AB—B— BC—C—CA—A,女口图5所示 ,引. P r, B AB r, B A。 C CA 图5电压矢量扇区 Fig.5 Voltage vectorfan-shaped projection SVPWM包含以下几个步骤:扇区识别;空间 电压矢量分解为扇区基本矢量 ;PWM功率计 算.利用这种方法,产生的PWM波形符合理想的 电压矢量波形. 空间矢量调制法中PWM在每一个位置停留 的时间是通过以下算法实现的: tpWM・U 一t]・Ux tPWM・Us<x ̄60o):t2・U(x士60") tPwM一£o+t1+t2 其中:tpWM为PWM周期;下标x表示相; 表示 x相的空间电压矢量; 为零电压矢量持续时间;t 和t。分别为x相与x±6O。位置持续的时间.通过 上式可以得出电压矢量在每一个位置所持续的时 维普资讯 http://www.cqvip.com 第2期 ,等:一种新型的纺纱张力自动控制系统的设计 221 间,从而得到正确的定子电压. 3.3电机转速控制及调节 根据空问矢量调制法的原理,系统先将交流 感应电机的三相电流输入56F805内部的PWM 单元的电流检测端口(IS),在芯片内部利用空间 矢量坐标进行耦合得出易于控制的d—q坐标模 型;然后通过张力传感器输出电压的变化得出纱 线线速度的变化,再分别对磁通和转速进行调 整,解耦后经过空间矢量调制输出三相控制电机 的波形[9]PWM。,PWMb和PWM .控制框图如图 6所示. 速度 信号 薹 薹悃 嘉曩 转一 三感相应交电流机 传感器 转速 图6系统控制框图 Fl舀6 System control diagram 根据控制框图,电流、电压信号输入系统之后 的软件算法流程如图7.图中的调整函数由下式给 出的: xfmc一 式中x可代表电压U、电流J等参数;Xl一是设定 好的标准值;x 为实际测定的值;x 为调整后 程序直接调用的值.调整函数的目的是将测量的 值转换为程序可以识别的值,从而进行后面的 计算. 转子的磁通模型 如下: [(1一 )£。+£ ] 一 Lm 一 一cot 一 [(1一咖s+£ ]訾一 Lm 一 +a)tr mo'L ̄ 式中:L卅为定子和转子之间的互感;£。和£ 分别为 定/转子时间常数,值分别为z。一是和tr一是; 和 是转子磁通在a-p坐标上的投影; 为磁漏常数 是. 1a一』9坐标转为d—q坐标 信号输入 电压模拟 + I l 电流环控制器 调整函数 + I l 耦合后的d—q坐标 ..——————. 臣至巫 互 图7算法流程图 Fig.7 Algorithm flow diagram 当纱线张力检测信号发生变化时,会产生一 个2.4~5.6 V的电压信号给系统,根据矢量控制 的理论,影响电机转速的不仅是电流矢量,还有角 位移 枷,系统通过纱线张力信号判断电机转速的 快慢,在角位移上加上一个从一兀到兀的角度 , 使角位移变为 + ,达到调节电机转速的 目的. 4 系统电路的设计 系统的电路主要实现纱线张力和电机电流信 号的准确检测. 纱线张力的检测可以利用机械摆杆装置和测 距离传感器实现. 电机的相电流检测利用了56F805内部的 PWM单元的电流检测端口.3个端口直接检测相 电流,用于系统对电机转速的测定. 系统控制信号框图如图8所示. 维普资讯 http://www.cqvip.com 维普资讯 http://www.cqvip.com 第2期 ,等:一种新型的纺纱张力自动控制系统的设计 223 个复位电路.通过监测器对软件进行实时监测,可 以及时复位CPU,防止程序死循环、运行错误等情 况对电路造成影响. 6 结论 纱线张力自动控制系统,通过对纱线张力信号 有效、准确的采集,利用交流感应电机和56F805数 字处理芯片,对卷绕电机的转速进行了有效的控 制,保证了在卷绕过程中纱线张力的恒定,实现了 5 应用实例 具有纱线张力自动控制系统的卷绕装置如图 12所示,卷绕装置采用固定角度交叉卷绕的方式进 行纱线的卷绕工作,在应用过程中,纱线绕过导丝 辊卷绕在卷装上,导丝辊连于测纱线张力的机械机 构,根据纱线的材料和类型以及工作要求,控制系 统设定一个最高卷绕速度,系统根据纱线张力的变 化,调节卷绕速度,使纱线张力保持在一定范围内. 纱线卷绕的自动化,有效地提高了纺纱的效率和 质量. 参考文献 王绍斌,孙卫国,王文郁.络筒张力和速度对纱线质量的影 响[J].棉纺织技术,2002,30(7):35—37. 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