自动纺织机控制系统设计.docx

摘 要随着电力电子技术、微电子技术及控制理论的发展，电气控制系统在工程中得到日益广泛的应用。剑杆织机作为一种适应性最强的无梭织机，其发展方向为电子选纬、电子送经、电子卷取控制技术的研究和应用。本论文采用DSP2407作为剑杆织机电气控制系统的主控芯片。并对主要组成部分进行了较为系统的阐述，包括送经卷取系统，引纬系统及其电机的驱动控制，故障检测做出具体的分析，同时对剑杆织机的经纱张力做出检测并及时反映给单片机。送经卷取电机采用无刷直流电机来完成，并在微处理器的控制下实现送经卷取的同步运行，保持张力恒定。引纬电机采用三相混合式步进电机。 本文首先对纺织机和其电控部分的总体设计做出概述，然后是设计的主体部分，首先是对三相电的整流，滤波做出设计并进行整流二极管和滤波电容的选择。本文对送经卷取电机和引纬电机都使用双极性PWM控制，选取MOSFET作为桥式逆变的开关器件。送经电机部分选用驱动芯片IR2113来驱动开关器件。同时对电路进行检测，本文对整流输出母线电压和送经电机定子短接电流进行检测经A/D转换将信号传给控制芯片。引纬部分对三相混合式步进电机的驱动和检测做了详细设计。设计中采用“S”型张力传感器对经纱张力进行检测，将检测信号传递给控制芯片进行处理，若张力超过限定值则发出停车信号。再次是软件设计部分对织机控制主程序，张力调节子程序和送经电机启动子程序做出设计。在文章的最后应用MATLAB对PWM逆变和无刷直流电机的控制部分进行仿真。关键词 剑杆织机 无刷直流电机 三相混合式步进电机 驱动 AbstractWith the power electronics, microelectronics and control theory of the development, electrical control system increasingly widely in engineering applications. As a most adaptable rapier in loom, its direction for the electronic weft, electronic let-off, e-coiling control technology research and application. In this thesis, DSP 2407 as control chip electrical control system of rapier chip. And the main component of a more systematic exposition, including the delivery by the take-up system, the weft insertion system and its motor drive control, fault detection and make specific analysis, while the tension on the loom to make detection of the warp and promptly reflected to the microcontroller. Sent by the take-up motor with brushless DC motor to complete, and under the control of the microprocessor to achieve synchronous operation sent by the take-up, maintain constant tension. Weft chioce three-phase hybrid stepping motor motor. Firstly, the textile machine and electric control part of its overall design made to make an overview, and then the main part of the design, the first of the three-phase rectifier, the filter was designed and calculated to make the selection of rectifier diodes and filter capacitor selection . In this paper, sent by the take-up motor and weft are using bipolar PWM motor control, select the MOSFET as a bridge inverter switching devices. Sent by the motor part of the IR2113 driver chip used to drive the switching devices. While testing the circuit, the rectifier output paper sent by the bus voltage and short circuit stator current was detected by the A/D conversion signals to control chip. Weft part of a three-phase hybrid stepping motor drive design and testing in detail. Design by "S" Type Tension road warp tension sensor detection, will detect the signals to control chip DSP processing, if the tension exceeds the limit value of the stop signal is issued. For the software design part on the main loom control, tension adjustment and let-off motor starters subroutine subroutine to make the design.Application of MATLAB to the PWM inverter and brushless DC motor control part of the simulation.Key words rapier brushless DC motor hybrid stepping motor driver目 录摘 要IAbstractII第1章 绪 论11.1 纺织机的概述11.1.1 纺织业的发展11.1.2 纺织机的概念及分类21.2 剑杆织机发展趋势41.3 纺织机中自动控制的应用5第2章 自动纺织机电控系统设计方案62.1 织机的基本组成部分和织造原理62.2 织机电控系统设计8第3章 硬件设计113.1 送经卷取控制系统设计113.2 送经电机的选取113.3 送经电机驱动设计143.3.1 整流电路设计143.3.2 逆变电路设计163.3.3 驱动电路设计173.4 检测电路183.4.1 电机电流检测电路183.4.2 整流输出电压监测电路203.4.3 转子位置检测电路213.5 引纬系统233.5.1 引纬电机的选择233.5.2 步进电机的驱动控制253.5.3 MOSFET的驱动电路263.5.4 步进电机电流检测电路273.6 张力信号测量电路设计283.7 刹车系统设计293.8 电源设计30第4章 软件设计324.1 软件设计总体方案324.2 主程序334.3 张力调节子程序344.4 送经电机启动子程序37第5章 仿真系统设计395.1 MATLAB简介395.2 逆变电路的仿真分析395.3 无刷直流电机仿真系统42经济性分析46总结47致谢48参考文献49CONTEINTSAbstract(chinese)IAbstractIIChapter 1 Introduction11.1 Overview of textile machines11.1.1 Textile industry11.1.2 Concepts and categories of textile machines21.2 Rapier of trends41.3 Automatic control of Textile Machine5Chapter 2 Electric control system design of Automatic textile62.1 The basic components and weaving principle of textile machines62.2 Electric control system of textile machines8Chapter 3 Hardware Design113.1 Coiling and send warp control system design113.2 Select the motor to send warp113.3 Design of warp drive system143.3.1 Rectifier circuit143.3.2 Chopper circuit design173.3.3 Drive circuit design183.4 Detector circuit193.4.1 Motor current detection circuit193.4.2 Rectifier output voltage detection circuit213.4.3 Rotor Position Detection Circuit223.5 Weft insertion system243.5.1 Motor choice weft243.5.2 Stepper motor drive control263.5.3 MOSFET driver circuit273.5.4 Stepping motor current detection circuit283.6 The tension signal measurement circuit293.7 Brake System303.8 Power Supply Design31Chapter 4 Software Design334.1 Software design the overall program334.2 The main program344.3 Tension adjustment subroutine354.4 Motor start routine38Chapter 5 Simulation System405.1 MATLAB Introduction405.2 Simulation of Inverter405.3 Brushless DC Motor Simulation System43Economic Analysis47Conclusions48Acknowledgements49References 5015第1章 绪论1.1 纺织机的概述1.1.1 纺织业的发展纺织业有数千年的发展历史，可以认为纺织业的出现和发展是与人类社会的文明发展是同步的，因为在人类历史上，纺织生产几乎是和农业同时开始的，纺织生产的出现，标志着人类脱离了茹毛饮血的原始状态，进入了文明社会。人类的文明史，从一开始便和纺织生产紧密地联系在一起。纺织业不是“夕阳产业”，我们可以预见在将来，不管世界上有多少尖端的高新技术出现，也不管纺织业是否在个别国家或地区可能会衰退，甚至消失，但就总体而言，纺织业将继续保持作为一门“永恒的产业”或一门“不可替代的重要产业”而长期存在1。尽管我国是世界纺织服装生产和出口大国，是世界上最大的棉花、蚕丝、羊绒生产国，也是羊毛、羊绒、亚麻、兔毛等资源的重要生产国，毛纺织、化纤、呢绒产量已位居世界第一。但是，我国近代纺织业的工业化进程几乎比欧洲晚了一个世纪。与纺织发达国家或地区相比，我国的纺织生产仍处于中低水平。这主要表现在原材料的开发能力、生产技术设备和后期整理技术与世界先进水平有着一定的差距，纺织品的生产工艺与花色设计也难以赶上世界潮流。中国早在公元前1世纪就已使用多综织机生产丝织物，宋代已制成现代称为开口机构的大型提花机。16世纪后，欧洲手工纺织机器开始有较大改进,1533年德国人制成装有翼锭和筒管的手工纺车,1733年英国人发明手拉机件循筘坐投梭装置，1801年法国人J.M雅卡尔发明用穿孔卡控制生产复杂图案的织机。19世纪70年代以前，纺织生产主要是手工操作。20世纪50年代开始采用各种传感器检测非电量参数，并实现自动控制。20世纪80年代以来开始采用蒸汽拖动织机，并逐步使投梭、换纬等手工操作实现机械化，从原料进入车间到纺成纱，以及织成布的各个工序都在提高自动监控水平的基础上加快了纺织速度、缩短了纺织生产周期，先后诞生了许多自动生产线，纺织生产有的已实现了无人车间、无人工厂、无人工序，纺织生产也在自动化进程中加快了步伐。自动化及自动监控水平的实现，不仅减少了工人的劳动强度，提高了纺织效率，还显著提高了纺织品的质量，使纺织工业走向高科技阶段，估计再经过若干年时间，纺织业在自动化进程中会向着更加完善、更加高级的水平发展，甚至会实现无人操作工厂。下图分别为古代纺织机械和现代化自动纺织机从中我们不难看出纺织业的发展。图1-1 古代纺织机图1-2 自动纺织机1.1.2 纺织机的概念及分类纺织机又称织布机就是把线、丝、麻等原材料加工成丝线后织成布料的工具全称。人类的第一台织布机称作纺纱机史哈格里夫斯发明的，纺纱机的名字叫“珍妮”，是用其女儿的名字命名的。织布机有很多种类按织物纤维分类可分为棉纺织机、毛纺织机、麻袋织机、丝绸织机等，按织造的引纬方法的可分为有梭织机和无梭织机两大类：有梭织机有梭子引纬的传统织机；无梭织机喷气织机、喷水织机、剑杆织机、片梭织机等。有梭织机是二十世纪八十年代和九十年代初以前的主要织布机，比如在浙江一些地区的乡镇企业中特别多见。由于有梭织机的梭子尺寸重量大，要求的梭口高度大，撞击剧烈，噪声高，机物料消耗大，综框动程大，纺织速度低(最大也只有230r/min)，幅宽窄，织物档次相对较低，己处于淘汰的过程中，在浙绍地区，几年前就已基本淘汰。无梭织机是利用高速射流和轻巧的引纬器来牵引纬纱通过梭口，无梭织机具有速度高、运动幅度小、噪声低、损耗低、入纬率高、织物档次较高等优点，是目前主要的织造设备。喷水织机是利用高速水流进行引纬的，主要用于不需要上浆的疏水性纤维织物的加工。喷水织机的速度高(入纬率高达2200m/min)，但喷嘴射程较小，不能用于宽幅织造(最大2.3m)，选纬功能较差，最多只能配两只喷嘴进行双色选纬或混纬。在我国，喷水织机主要用于生产合成长丝的单色织物。剑杆织机是以剑杆作为引纬器，剑杆的剑头握持纬纱，穿越梭口，完成引纬。剑杆引纬运动具有较低的启动加速度和纬纱交接加速度，引纬过程平稳，纬纱张力较小，断纬瑕疵少，有利于真丝织造；其采用夹持式引纬，可不受纬纱密度的限制，纬纱处于受控状态，其退捻和收缩可以较好的受到抑制，减少纬纱瑕疵，这对花式引纬、和厚重织物的生产非常有利，剑杆织机的选纬能力较强，可以8色任意选纬，最多可达16色。我国引进的剑杆织机主要用于毛织、色织、装饰类织物及特种工业用织物的生产。喷气织机是利用高速流动的空气对纱线表面所产生的摩擦力牵引来进行引纬的。喷气织机的引纬速度很高(主轴转速可达1000r/min，入纬率高达2000m/min)。和喷水织机相比，由于空气的惯性小，单向流动，所以喷气织机能够进行宽幅织造。喷气织机的选纬能力也不强，一般可选4色或6色。喷气织机最适合于大批量生产单色织物。片梭织机的引纬过程是利用片状钢梭作为引纬器，将纬纱引过梭口。整个引纬过程分为击梭阶段、飞梭阶段和制梭阶段。片梭织机与有梭织机不同，片梭不装载纡管(纬纱)，因此可以加工的很轻巧，实现高速飞行。一台织机可以同时有十几片片梭，片梭的夹持力大，可以适用于各种密度的纬纱。片梭织机的转速也较高，可达470r/min，幅宽可达5.4m；片梭织机的启动加速度大(约为剑杆引纬的1020倍)，不适用于强力低的细弱纬纱。片梭织机一般不会产生缩纬疵点；片梭织机的结构复杂，价格高，适合生产附加值高的产品。片梭织机的使用量目前不大，我国引进的片梭织机主要用于生产高档毛织物、牛仔布、装饰物品和床上用品等。此外还有多相织机区别于一般的织机，多相织机同时具有多个梭口，即同时有多根纬线被引入，入纬率大大提高，从而大幅度提高产量。如Suzer Texti l的M8300多相织机。M8300多相织机无疑是生产最高质量普通织物的织造系统的先锋，高达5500 m/min的投纬速度赋予了这款机型数倍于传统的单相高速织机的性能潜力。即使在如此高的投纬速度下，投入的纬纱仍保持了连续且均一的速度为22m/s，因此纬纱的负荷被显著降低了。1.2 剑杆织机发展趋势在现代纺织工业中，用新型织机替代有梭织机是发展织机工业的重要课题。剑杆织机是无梭织机中适用性最强、使用最多的一种织机。近几年来，国际上的剑杆织机的发展趋势可以概括为：高速化、智能化、高可靠性和多样性，以适应纺织物小批量、多品种和高质量的需要。主要表现在以下几个方面2-3：(1)计算机技术的应用：剑杆织机技术具有革命性的发展是原动力技术的发展。与计算机技术相关联的自动控制技术的发展，使织机的原动力技术有了根本性的变化，加上无刷直流电机、步进电机等的应用，可使织机的速率在较大的范围内变化，以适应各种纱线和织物织造技术的要求。(2)织造工艺技术的改进：新颖的原动力技术和计算机控制技术同样促进了织造技术的进一步改进，例如受控的纬纱张力器的应用，使引纬变成更积极的过程，这样减少了纬纱的应力，使现代化的剑杆织造技术更适用于纤细及易受损的纬纱。(3)送经卷取系统的改进：送经装置和卷取装置均为单独传动，并应用微电脑和电子耦合技术，可随时调整织机在运转过程中经线的张力和纬纱密度，确保织物的优质化。(4)自动处理断纬技术：通过断纬自动处理装置，减少织机停台时间，提高织造的有效率。我国剑杆织机研究工作起步较晚，织机机电一体化产品产量少而且面窄，总体设计水平不高，特别是在自动化控制方面与国外先进水平还有相当大的差距，国内的高档剑杆织机市场主要被国外织机占有。国产剑杆织机如何加强电子技术的应用，提高产品质量和竞争力，降低劳动强度提高劳动生产率，是我国织机的一个主要的问题和发展方向。目前，采用计算机控制，实现人机对话，完成各种控制功能，是高档剑杆织机标志和发展趋势。而送经卷取系统作为新型织机的通用性的运动装簧，对提高剑杆织机的织造速度和运转效率，改善织物质量，具有重要意义。当前随着科学时代的发展，高新科技正在迅速地向纺织工业渗透，成为改造传统纺织工业的巨大力量。机电一体化和计算机技术的广泛应用，为纺织设备实现优质、高效、自动化、连续化创造了极为有利的条件。1.3 纺织机中自动控制的应用80年代后，开始用单片或单板计算机作分散控制，用微型计算机或超级微型计算机作集中监测控制。计算机群控以及同自动化管理相结合的计算机网络相继建立起来。纺织自动化的发展，推动了纺织业的高速发展。现在纺织机逐渐实现自动化即将电子技术和计算机技术应用于纺织设备，使之成为具有高速、高效的机、电一体化的自动化单机或联合机。如配有计算机控制装置的化纤弹力丝机,配有检测仪器。通过微机控制的烧毛机。还有自动轧纹版机、自动抓棉机、自动络筒机、自动穿经机、自动卷染机、自动缫丝机、自动横机等。国外先进的纺织设备已普遍采用电子技术。如配有电子清纱器，自动拈接器，自动计长、自动换管、自动落筒和自动监控的络纱机，具有按钮开停车、电子控制传动、定位制动、电子探纬、选纬、送经、自动采集数据的喷气、剑杆片梭等新型织机。目前的纺织机有两种控制方式，一种是硬件控制，一种是软件编程控制，两者比较之下，硬件控制的成本较低，但机器的设计电路复杂不宜调节，变动性生硬，不易修复，且机器寿命不长；而用软件编程控制可靠性好，易于控制、故障易修复但是成本较高。本课题主要采用软件编程控制容易实现。第2章 自动纺织机电控系统设计方案2.1 织机的基本组成部分和织造原理一台织机主要由开口装置（凸轮开口、电子多臂开口、曲柄开口）、引纬装置（梭子引纬、喷水引纬、剑杆引纬、喷气引纬片梭等）、打纬装置、送经装置和卷取装置等五个核心组成部分。这五个核心部分就组成了一台织机的五大运动：开口（也称为提综）、引纬、打纬、送经和卷取。经纬纱线在织机上整个交织形成织物的过程，是通过以五大运动过程实现的。织机的其他辅助装置有：启制动装置、断经纱断纬纱自停装置、选纬器、储纬器和布边装置等4。1卷取和送经运动为了保证织造生产过程的连续进行，纬纱被打入织口形成织物后，必须按照织物纬密的要求将织物引离织口，卷绕到卷布辊上；同时，经纱轴上必须放出相应长度的经纱，使经纬纱不断地进行交织。这就形成了织机的另外两大主要运动：卷取和送经。卷取运动中主要的一点是必须按照织物的纬密要求进行卷取辊转动速度的设定；而送经运动重要的一点是必须合理控制经纱的张力，使织造过程中经纱张力波动稳定，防止经纱断裂和经纱张力波动大而形成的疵点。卷取和送经有机械式和电子式两种。机械卷取是通过传动齿轮和减速齿轮箱将主轴和卷取辊联动起来，主轴转一周打一次纬，相应的，卷取辊转过一定角度。通过改变传动齿轮的齿数，可以在很大的一个范围内进行纬密的设定。机械送经是通过连杆、凸轮传动的方式，在一个主轴回转周期内，经纱张力大的时候织轴放送经纱，张力小的时候停止放送经纱。当织机生产不同的织物时，必须调整送经装置的机械参数，以适应不同经纱的不同张力。电子卷取是用微电脑控制的新型卷取装置。这种卷取机构中，采用了单独的直流伺服电机作为动力源，通过减速轮系驱动卷取辊对织物进行卷取。减速轮系的各个齿轮都是固定的，不必根据织物的纬密要求而变更。织造过程中，通过控制器来控制伺服电机的电压，改变电动机转速，从而实现纬密的变化。通过程序参数的设定就可以适应不同织物的纬密，十分方便。电子送经也是通过独立的直流伺服电机来作为动力源，使用张力传感器来检测经纱的张力，检测信号作为负反馈信号，通过闭环控制，保证送经调节的准确性，克服机械特性软，线性区小的缺陷。即当张力很大时，微电脑控制伺服电机正转送经，减少张力；当张力很小时，微电脑控制伺服电机反转卷经，增大张力。这样，织造的过程中，经纱的张力比较平衡。在织轴传动部分中，送经电机通过齿轮、蜗杆轴、涡轮、送经齿轮、织轴编码盘齿轮等一系列机械部件，带动经纱轴转动。另外，在无梭织机中还有一个十分重要的运动即绞边运动。在有梭织机中，纬纱是连续的，在梭子的来回运动中会自动形成布边。而在无梭织机中，每次引纬后，纬纱都被剪断，这就容易造成布两边的经纱容易外泄。为了纺织这种情况的发生，必须使用绞边装置将布边上的经纱“锁住”。在较高档织机上，一般采用电子旋转式纱罗边绞边装置，程序控制绞边方式。2引纬运动剑杆织机的引纬和打纬机构均为纺织机主轴带动的机械式运动机构。引纬方式主要由两大类：有梭引纬和无梭引纬。无梭引纬是利用高速射流(如空气、水)或体积小、重量轻的引纬器来牵引纬纱通过梭口，无梭引纬的特点是：(1)射流引纬器的质量减轻，使织机速度有可能大幅度提高，特别是以流体作为引纬工质时，织机的主轴转速可达到1000r/min以上；织物幅宽也得到成倍的扩大，片梭织机的幅宽已经达5.4m。(2)引纬射流和引纬器具有很小的截面尺寸，因此筘座动程和经纱开口高度得到了相当的缩小，从而对经纱起到良好的保护作用。(3)部分引纬器的运动规律还受到控制，因此引纬动作比较缓和，纬纱所受张力也比较合理。(4)噪声低，机物料消耗低，工作环境改善。(5)入纬率高。一般织机的主轴一转引一根纬纱，提高入纬率的关键是提高引纬速度(纬纱的平均飞行速度)，从而使提高织机转速和增大织机幅宽才能得以实现，因此无梭织机的入纬率有了明显的提高，这是无梭引纬的一个特殊优点。多梭口引纬在不提高织机速度的情况下，增加织机每转的入纬根数也可以成倍地提高入纬率。剑杆织机引纬机构将纬纱引入由经纱所构成的梭口，以便和经纱交织，形成织物。它一般采用双剑杆作为引纬器，引纬由两根分别位于梭口两侧的剑杆协同完成。这两根剑杆分别称之为送纬剑和接纬剑。引纬时，纬纱由送纬剑送至梭口中央，然后交付给对侧也已运动到梭口中央的接纬剑上，两剑再他退回，由接纬剑将纬纱拉过梭口，如图2-1所示： 图2-1 剑杆织机引纬引在纬必须和经纱开口配合，再梭口开启的一定时间内完成，其要求工作准确、平稳、减少经纱磨损。打纬机构通过主轴带动，沿织机前后往复摆动，与左右运动的引纬机构密切配合，把引入梭口的纬纱推向织口，与经纱交织形成织物。2.2 织机电控系统设计20世纪末期电子计算机引入织机，微电子CAD-CAM体系得到广泛应用，使微电子技术，信息传递技术与制造技术形成完美的结合。许多电子装置与系统和织机结合成剑杆织机的组成部分。本设计的剑杆织机自动控制主要表现控制部分，检测部分。控制部分主要是通过芯片对整个系统进行控制具体体现在电机控制及故障检测。检测系统根据检测元件提供的信号对织机进行控制，因此检测元件的作用至关重要。随着电子技术的发展，各种传感器，各种检测方式层出不穷，并且性能越来越好。位置、断经、断纬和张力检测等是织机系统中经常要考虑的。其控制系统框图如下图2-2所示：图2-2 自动纺织机总体设计框图系统中用DSP 2407实现刹车和检测控制以及织机主电路的驱动和控制，剑杆织机的主电路包括控制实现送经卷取功能的送经电机和实现引纬功能的引纬电机。本设计送经卷取电机选用直流无刷电机，引纬电机初步选用三项混合式步进电机。控制芯片采用DSP TMS320LF2407，TMS320Lx40xA系列器件是TMS320系列数字信号处理器的成员。它是为了满足广泛需要的电动机控制和其他嵌入式控制应用而设计的。这个系列以C2xLP 16位、定点、低功耗DSP CPU为核心，配置了丰富的片内外设和片内ROM或闪速程序存储器，还有片内双口RAM。而LF2407LF2407A是其中最具革命性产品，是当今世界上集成度最高、性能最强的运动控制DSP芯片之一5-7。LF2407LF2407A具有以下技术特点：采用了高性能静态CMOS技术和低功耗技术，电源电压为3.3V。具有良好的兼容性。有2个两个事件管理器模块EVA、EVB，每个模块各有：2个16位通用定时器；3个具有死区功能的全比较单元；8个16位脉宽调制(PWM)通道，可实现三相反相器控制、产生非对称和对称PWM波形和空间矢量PWM波形；3个外部事件捕获单元；1个正交编码脉冲(QEP)电路，可连接光电编码器获得机械位置和转速信息。可用于各种交流和直流电机、步进系统、伺服系统以及多轴运动系统的控制。l0位A/D转换器，转换时间为500。可进行双8路或单16路转换，由2个时间管理器触发。此外还有：40个可独立编程的多路复用I/O引脚，带锁相环PLL的时钟模块，串行通信接口SCI与串行外设接口SPI，看门狗定时器模块，5个外部中断CAN2.0B模块，JTEG仿真接口等等。