以交流数字伺服电机为执行件的控制系统.doc

以交流数字伺服电机为执行件的控制系统 hc360慧聪网电气行业频道 2004-07-21 10:46:19 ??? 摘 关键词：张力控制；交流数字伺服电机；缠绕机 0 引言 在缠绕机将纤维缠绕到芯模上时，要求张力按照力学特定规律递减，并且不同缠绕要求张力及其递减曲线都不相同。大量研究证明，张力选择不当或张力控制不稳定，可使纤维绕制品的强度损失20％-30％。一个理想的张力控制系统应能给出稳定、可调的缠绕张力。较早的张力控制方式有机械式、液压式、气动式等类型，为适应微机控制的需要，前几年以磁粉离合器或力矩电机作为执行元件的张力控制系统得到广泛的应用。但是，在采用力矩电机为执行件的控制方案中，虽然具有结构简单、紧凑的特点，但当纤维速度发生剧烈变化时，控制的精度不能满足要求；而且难以实现小转矩时高转速或者大转矩时低转速的工作要求。而采用磁粉离合器为执行元件的张力控制系统中，磁粉离合器的滞后问题较严重，控制精度和响应速度不高。 针对这些不足，本文提出了一种新的方法——以交流数字伺服电机为执行件的张力控制系统。 1 张力控制系统的组成 新研制的张力控制系统采用中心卷绕、外拉纱线式结构方案。采用IPC为控制系统的核心，交流数字伺服电机为执行元件，半径跟随臂反馈纱团半径变化。张力控制系统组成如图1所示。 结构上交流数字伺服电机轴与纱团轴连接并固定，缠绕机工作时，主轴带动芯模旋转从而使纱线产生开卷运动，此时，交流数字伺服电机由于已通电，将产生与纱线缠绕方向相反的电磁转矩，纱线内必然产生张力以用来克服阻力矩。数字交流伺服电机的输出扭矩与纱线张力和纱团半径的成正比关系，因此为保证纱线张力不变，在纱团解卷半径减少时，数字交流伺服电机输出扭矩也必须随之减小。半径跟随臂一端搭在解卷纱团上，另一端通过齿轮放大机构与旋转电位器相连，把纱团半径的变化转变成电压变化经A／D转换器传送到工控机中。工控机发出转矩指令通过D／A转换器输出模拟电压信号到伺服驱动器，驱动数字交流伺服电机，控制数字交流伺服电机的输出扭矩，从而通过控制数字交流伺服电机的堵转力矩来达到控制纤维张力的目的。工业控制机也可发出速度指令到伺服驱动器，控制交流数字伺服电机的转速。由脉冲编码器测出交流数字伺服电机的速度和力矩信号，产生速度反馈和力矩反馈到工业控制机，从而构成闭环系统。 数控缠绕机缠绕时，纤维的出纱速度一般为0.5m／s-lm／s。交流数字伺服电机既要能够输出一定的电磁转矩维持纱线张力，也必须有相应的空载转速，使纤维回纱及时。根据要求，选取了适当功率的数字交流伺服电机，电源电压为3相200V，编码器为2500P／r。在额定转矩下，纱线的张力可达40N，满足实际生产的需要。 本张力控制系统选用的主要部件有： (1)研华公司生产的工业控制机作为主控机，时钟频率为866MHZ； (2)数字交流伺服电机 (3)研华公司生产的多功能数据采集卡，以及与该卡配套使用的端子板： (4)哈尔滨工业大学切削实验室研制的应变片式张力传感器，其检测范围为0-10kg，输出电压为0-10V。 2 张力控制的数学模型 取开卷辊为研究对象，其动态力矩平衡方程为： ?TR(t)=M(t)+Mf+J(t)W(t)+J(t)W(t)+M0 (1) (1)式中了为纱线张力， R(t)为纱团实时半径： M(t)为交流数字伺服电机产生的阻力矩， Mf为粘性摩擦力矩， W(t)为纱团旋转角速度， J(t)为卷辊与纱团的转动惯量， M0为干性摩擦力矩。 由方程(1)知，纱团半径、阻力矩、开卷辊角速度和纱团的转动惯量都是时间的函数，所以系统是一个复杂的多变量时变系统。基于以下原则，运用古典控制理论的分析方法，对力矩平衡方程进行合理的简化。 (1)干性摩擦力较小，可以忽略不计 (2)在同一缠绕过程中，粘性摩擦力近似为一常数； (3)纱团转动惯量瞬时变化很小，J(t)W(t)对张力的影响可以忽略不计； (4)纱团半径通过半径跟随臂实时测量反馈。方程可简化为： TR(t)=M(t)+J(t)W(t)+Mf (2) 由此可见，纱团张力和纱团角速度的变化是影响纱团张力的主要因素。 3 控制系统的软件设计 本控制软件的编制过程中，充分注意了软件的模块化，各个功能均以子程序或函数调用的形式实现。张力系统的控制软件能完成对各功能模块的控制，还能实现对各元部件的标定，张力值、纱团半径、纱团速度实时的数据显示和查阅系统帮助等功能。完成初始化设置以后，即可进行数据采集与处理、控制算法计算、控制量输出、张力曲线实时显示、张力值保存与打印、断纱检测与报警等。软件的设计采用菜单与对话框相结合的方式，可以十分容易地增减菜单项目、改善功能，利于软件的后续开发