喷气织机张力怎么调【交流伺服在喷气织机经纱张力控制系统中的应用】

　　为提高织物质量并满足喷气织机高速、高性能要求，本文结合交流伺服系统高控制精度的特点，在ARM微控制器LPC2294的丰富硬件资源的基础上，研制了基于交流伺服系统的喷气织机经纱张力控制系统。论文完成了伺服系统在经纱张力控制中的理论分析和整体设计，该系统能够满足喷气织机的高速和高精度要求，并能使经纱张力保持恒定。
　　To improve the fabric quality and meet the high-speed, high-performance requirements of air-jet looms, an AC servo-based air-jet loom warp tension control system was designed grounding on the AC servo system’s high control accuracy and ARM microcontroller LPC2294. Theoretical analysis and integrated design of servo system in terms of the warp tension design were completed. The system can satisfy the high-speed and high-performance requirements of air-jet looms, and can maintain the tension stability of warps.
　　
　　喷气织机完成经、纬纱线的交织需由提综、引纬、打纬、送经、卷取五大运动的有机配合以及其他辅助运动的配合，整个运行过程控制复杂。从经轴到卷布辊的整个织造过程中，受织机各大运动的影响，经纱张力呈周期性变化。张力的变化直接影响着产品的外观和质量，因此，为了提高喷气织机在市场上的竞争力，对经纱张力的控制精度成为衡量设备性能的一项重要指标。如何实现喷气织机经纱张力的精确控制，首先是对喷气织机的高速性对系统提出高实时性要求；另外，对送经电机和卷取电机的同步性及控制精度也提出了相应的要求。本文针对目前我国喷气织机需求比较大，但可以作为标准独立模块应用于喷气织机经纱张力控制比较紧缺的情况下，提出了基于 32 位ARM和交流伺服系统的经纱张力控制系统。
　　
　　1经纱张力控制原理
　　
　　经纱张力是送经卷取控制系统的主要控制对象，为了提高织物的质量，减少瑕疵，织机在运行过程中必须使经纱张力保持不变。
　　送经机构的作用是根据织机所织织物纬密的大小, 在织造过程中及时送出定量且具有一定张力的经纱, 以维持织造生产的连续进行。卷取机构的作用是把已织成的织物引离织口，并通过导布辊卷绕到卷布辊上，以保证织造生产总是在固定的位置上连续进行。同时，根据织机转速和织物纬密来确定引离织物的速度，从而形成一定纬密的织物。卷取和送经必须协调工作，同时配合张力机构，才能使经纱张力在经轴从满轴到空轴的过程中基本保持稳定，以提高织物质量。系统整体控制框图如图 1 所示。
　　
　　经纱张力控制是通过调整送经速度，使送经量和卷取量保持一致，从而实现经纱张力恒定。织机在运行过程中，经纱张力受开口、打纬、纬密、织轴直径、织机速度和张力设定值等多种非线性因素的影响。为了提高经纱张力的控制精度，系统采用双重反馈闭环控制：送经量反馈控制和经纱张力反馈控制。送经量反馈控制采用送经伺服电机反馈的编码器的值求出伺服电机的实际回转角，得到实际的送经量，把它与根据织物纬密计算所得的送经量进行比较，并根据偏差值调节送经电机的转速，以位置反馈控制方式取得速度的高精度控制效果，以确保送经量的恒定。经纱张力反馈控制是通过主轴旋转一周期内采集 9 次张力传感器的值，求其平均值作为经纱张力的实际有效值，经模糊参数自整定PID控制器调节送经伺服电机的转速，从而达到对经纱张力的调节。
　　
　　2系统硬件设计
　　
　　2.1整体设计方案
　　针对喷气织机的高速和高精度特性，本设计采用ARM7TDMI-S构架的LPC2294作为系统控制器，并采用高精度的伺服电机控制织轴和卷布辊的转速。同时，该经纱张力控制器作为一个独立控制模块与织机主控器通过CAN总线进行信息通讯。
　　LPC2294是基于一个支持实时仿真和跟踪的16/32 位微控制器，并带有 256 kB嵌入的高速Flash存储器，具有丰富的外围功能模块。6 路PWM输出可作为伺服电机的控制信号；8 路 10 位ADC模块可直接对S型张力传感器进行模拟信号的采集；4 路CAN用于与织机其他控制器间的信息通讯；高速I2C接口用于对片外 64 K的FRAM进行工艺参数和状态信息的读写；多个外部中断、以及实时时钟和看门狗可用于提高系统的实时性和软件抗干扰能力。
　　该系统硬件设计采用模块化设计方法，便于系统调试，对织轴和卷布辊的转速控制采用交流伺服系统，通过调节送经电机的转速，消除织机在运行过程中各运动机构对张力的影响，以保持经纱张力的动态恒定。系统主要包括主控制器最小系统模块、张力检测模块、送经伺服控制模块、卷取伺服控制模块、人机交互模块、信号指示模块、CAN通讯模块。系统整体控制框图如图 2 所示。
　　
　　如果织物的纬密等参数改变，可通过触摸屏或由织机主控制器通过CAN总线进行张力等参数设置。控制器会将这些参数保存到片外存储器的指定位置，以便下次开机时可自动进行读取。控制器根据织物的纬密等参数计算出送经和卷取电机的转速，由于在运行过程中经纱张力受打纬运动、开口运动等因素的影响，不能保持恒定。为了提高织物的质量，减少瑕疵，通过安装在活动后梁的S型张力传感器来实时采集经纱的实际张力值，与设定张力比较判断。如果张力在允许的范围内变化，通过模糊自适应控制器来调节送经电机的转速，使送经电机的线速度保持恒定。如果张力超出允许的张力值，应及时进行报警处理，并通过CAN总线与织机主控制器进行信息通讯，提示主控制器关掉系统电源。对于卷取电机，因卷布辊的直径不变，对同一批次的织物，织物的纬密不变，因此卷取速度也应保持不变，卷取电机就相当于一个电子齿轮，以恒定的速度将织物引离织机，保持经纱张力恒定，并使织机正常连续地工作。
　　2.2交流伺服系统
　　通过对喷气织机的性能分析以及对伺服电动机的参数要求，本设计选用三菱MR － E系列的70A � KH003型号的交流伺服电机作为送经和卷取控制电机，此伺服电机采用分辨率 10 000 脉冲/r的增量位置编码器，可进行高密度定位。电机额定转速为 3 000 r/min，最高转速可达 4 500 r/min，完全满足喷气织机的高速、高精度要求。
　　MR � E系列伺服电机的控制模式有位置控制模式和速度控制模式，结合经纱张力控制系统的实际要求，本设计采用位置控制模式。运用此方法不仅控制精度高，而且控制简单，可通过改变输入脉冲的频率来调整电机的转速，通过改变符号位的电平来实现电机的方向控制。并采用直接负载外环检测位置信号，此时的电机轴端的编码器只检测电机转速，位置信号则由安装在织机主轴上的光电编码器来提供，这样的优点在于可以减少中间传动过程中的误差，增加了整个系统的定位精度。
　　根据织物的上机纬密、卷布辊直径、经轴直径、织机主轴的转速及传动机构的传动比，可计算出卷取电机及送经电机的理想转速。根据伺服电机的线数可计算出每分钟送经电机所需要的脉冲数，求得控制伺服电机的脉冲频率，通过改变该脉冲频率的大小即可改变电机的转速。
　　对于每一台织机，其转速和卷布辊的直径都是固定不变的，因此一旦织物的纬密确定，卷取电机就相当于一个精密的电子齿轮。对应于伺服控制系统来说，在织物纬密不变的情况下，控制卷取电机的脉冲频率保持不变。只有在点动卷绕和退绕的情况下，改变卷取电机的控制脉冲频率。通过对织物纬密等参数的设置，控制器可计算出卷取电机的转速及控制卷取电机的PWM信号频率，该频率在生产一批织物时保持不变。
　　而对于送经电机的控制则复杂得多，在张力正常的情况下，其控制脉冲频率与卷取电机相同，当张力变大或变小时，需在模糊自适应PID的调节过程中通过改变脉冲频率来调节送经电机的转速，从而保持张力恒定。
　　
　　3软件设计
　　
　　3.1控制系统
　　嵌入式操作系统中μC/OS � II具有执行效率高、占用空间小、实时性能优良、可扩展性强、移植简单等优点，且进程调度具有可剥夺性。针对喷气织机经纱张力控制系统，使用可剥夺型内核可使得实时性要求较高的任务尽可能得到快捷、有效的处理，因此，设计采用μC/OS � II嵌入式操作系统。
　　本设计以满足系统的实时性要求为首要目标，并在简化软件系统和降低资源需求的前提下，并根据系统硬件结构框图，将系统软件控制任务进行合理划分（图 3）。并开通定时器1中断和外部中断1来触发关键任务，以保证关键任务的实时性。
　　
　　
　　送经伺服电机采用的是位置控制模式，所以PWM的占空比对电机的转速没有影响，通过调节PWM的频率来调节电机的转速。频率越大，电机的转速越高。通过对张力传感器测得的实际经纱张力输入给模糊自适应PID控制器，调节PWM信号的频率，从而改变送经电机的转速，使经纱张力保持基本恒定。
　　3.2张力模糊自适应PID控制结构
　　为了实现纬密一定时，经纱张力保持在一个恒定的范围之内，就要满足送经轴在多种非线性因素的影响下与导辊保持线速度一致。而对于变纬密控制，纬密与张力值的对应关系可通过专家经验值存储到控制器内，一旦改变织物的纬密，可通过查表求得此纬密所对应的经纱张力设定值，从而实现自动变纬密模糊参数自适应PID控制。
　　本设计采用S型张力传感器在喷气织机织造过程中不断检测经纱张力值，经过控制器采集、处理后作为当前实际经纱张力值，控制系统以实际经纱张力值与根据纬密通过查表所得的设定张力值比较，所得E和EC为输入量输入给模糊自适应PID控制器，伺服电机为控制对象，输出一定频率的脉冲信号到伺服系统，控制带动送经轴的伺服电机的转速，以提高控制精度。张力模糊控制系统原理框图如图 4所示。
　　
　　采样点的不同对采集到的经纱张力影响很大，为了避开打纬时的峰值张力以及减少开口运动时经纱张力的波动，本文利用织机主轴光电编码器所反馈的主轴角度信号，取打纬角度的前后 30°～ 120°的张力值，每 45°采集一次，取其平均值作为工作周期经纱张力的实际有效值。
　　对于模糊PID调节，其周期的选取将影响到张力调节的效果，张力调节周期的选取遵循以下原则：
　　（1）根据香农采样定理，系统采样频率ƒs应大于等于被采样信号最高频率ƒmax的 2 倍，即ƒs ≥ 2ƒmax；
　　（2）从执行机构的特性要求来看，有时需要输出信号保持一定的宽度，因此，采样周期必须大于这一时间；
　　（3）从控制系统的随动和抗干扰的性能来看，要求采样周期尽可能的短；
　　（4）当系统滞后占主导地位时，应使滞后时间为采样周期的整数倍。
　　根据以上原则、织机电控系统和实验室现有条件以及专家经验，经实验总结出当织机主轴每转动 3 周进行一次PID调节时，可使张力基本保持恒定且不会产生明显的超调。所以，取PID调节周期TPID ＝ 3 T织机（T织机表示织机主轴旋转一周所需要的时间）。
　　3.3控制算法的实现
　　LPC2294是整个经纱张力控制系统的控制核心，系统由μC/OS � II操作系统进行控制。对于张力控制算法采用周期性任务进行实现，即采用每织入 3 根纬纱进行一次张力调节，时间由定时器1进行控制。当主轴转动 3 周时，由张力采集任务发送张力调节信号量，张力调节任务接收到该信号量后立即将调节任务列入就绪态，等待操作系统调用。经纱张力的模糊自适应PID控制算法在LPC2294控制器中由μC/OS � II调用的任务流程如图 5 所示。
　　
　　4结束语
　　
　　本文针对喷气织机的高速、高精度特点，设计了基于伺服系统的经纱恒张力控制系统，该控制系统可独立应用于任意型号的喷气织机中，通过触摸屏可进行织机参数及送经和卷取电机参数的设置和修改。通过模糊自适应PID控制器实时调节送经电机的脉冲频率，改变送经电机的转速，使送经电机和卷取电机的线速度保持一致，从而实现经纱的动态恒定，提高织物的质量。
　　
　　参考文献（略）