簇绒地毯的过渡圈高现象及其补偿.pdf
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1、第3 1 卷第1 期纺织学报V 0 1 3 1 ,N o 1 2 0 1 0 年1 月 J o u r n a lo fT e x t i l eR e s e a r c h J a n ,2 0 1 0 文章编号:0 2 5 3 - 9 7 2 1 ( 2 0 1 0 ) O l 一0 1 2 3 - 0 6 簇绒地毯的过渡圈高现象及其补偿 王 然,孙以泽 ( 东华大学机械工程学院,上海2 0 1 6 2 0 ) 摘要过渡圈高现象一直存在于各类簇绒地毯提花系统中,严重影响了多圈高提花效果。在步迸伺服提花系统 中,步进电动机的动特性响应时间是产生过渡圈高的根本原因。为解决这一问题,通过电动机
2、调速数学模型解释 其成因,建立电动机动特性方程,求解得到速度曲线的饵析方程,由此精确计算出补偿量。通过对S 形和指数形控 制曲线的比较,选取指数形曲线设计补偿方案,并提出一套单片机控制方案。补偿方案充分体现了步进伺服在提 花控制中的灵活性,并对步进电动机加速曲线的设计提出了一套完整的思路。 关键词簇绒地毯;步进伺服提花;过渡圈高;加速曲线;速度补偿 中图分类号:T B9 3 4文献标志码:A P h e n o m e n o no fh i g h e rt r a n s i t i o n a ll o o po ft u f t e d c a r p e ta n di t sc o
3、 m p e n s a t i o n W A N GR a n ,S U NY i z e ( C o l l e g eo f M e c h a n i c a lE n g i n e e r i n g ,D o n g h u aU n i v e r s i t y ,S h a n g h a i2 0 1 6 2 0 ,C h i n a ) A b s t r a c tA st h ed e v e l o p m e n to fj a c q u a r dt e c h n o l o g yo ft u f t e dc a r p e t s ,t h ep
4、h e n o m e n o no fh i g h e r t r a n s i t i o n a ll o o pw h i c hs e r i o u s l yi n f l u e n c et h ee f f e c t i v e n e s so fm u l t i - l e v e ll o o pj a c q u a r di na l lk i n d so f j a e q u a r ds y s t e m sh a st ob ee l i m i n a t e d T h ed y n a m i cc h a r a c t e r i s
5、 t i cr e s p o n s et i m e o fs t e pm o t o ri st h e f u n d a m e n t a lc a u s el e a d i n gt ot h ep h e n o m e n o ni nt h es y s t e mo fs t e ps e r v oj a c q u a r d ,w h i c hi se x p l a i n e d t h r o u g hm a t h e m a t i c a lm o d e lo fv e l o c i t yc o n t r 0 1 F o rs o l
6、v i n gt h i sp r o b l e m ,t h ea n a l y t i c a le q u a t i o no fs p e e d c u r v ew a sd e r i v e df r o mt h ed y n a m i cc h a r a c t e r i s t i c se q u a t i o no fs t e pm o t o r T h ea m o u n to fc o m p e n s a t i o n w a sa c c u r a t e l yc a l c u l a t e db a s e do nt h e
7、e q u a t i o n T h ec o m p e n s a t i o np r o g r a mb a s e do ni n d e xs h a p e dc u r v e w a gs e l e c t e dt h r o u g hc o m p a r i n gS - s h a p e dc u r v ew i t hi n d e xs h a p e dc u r v e F u r t h e r m o r e ,as e to fs i n g l e c h i pc o n t r o lp r o g r a mW a Sp r o p
8、o s e dt os o l v et h ep r o b l e m T h ec o m p e n s a t i o np r o g r a mc a ni m p r o v et h e f l e x i b i l i t yo ft h es t e ps e r v ot oc o n t r o lt h ej a c q u a r ds y s t e m K e yw o r d s t u f t e d c a r p e t ;s t e p s e r v o j a c q u a r d ;h i g h e rt r a n s i t i o
9、n a ll o o p ;a c c e l e r a t i n gc u r v e ; v e l o c i t yc o m p e n s a t i o n 我国的地毯簇绒机大多数是2 0 世纪8 0 年代从 国外引进,设备相对落后,自动化程度低,对图案设 计和工作人员的要求较高。1 。近年来,为了满足 市场需求,很多地毯厂家选择多圈高提花以丰富地 毯花型,国内也开始进行簇绒地毯多圈高提花系统 的研制和开发,但是从机构传动+ 电磁离合器提花, 伺服电动机+ 电磁离合器提花,一直到以步进伺服 为代表的小伺服电动机提花,过渡圈高现象一直影 响着花型效果。在电磁离合器提花系统中,离
10、合器 吸合的动作特性导致这一现象”- ;在步进伺服系统 中,步进电动机同样受其动特性限制,无法得到理想 的升降频曲线,从而导致过渡圈高的出现。之前解 收稿日期:2 0 0 9 一O l 0 5修回日期:2 0 0 9 一0 8 1 6 基金项目:国寥自然科学基金资助项目( 5 0 7 7 5 0 3 3 ) 作者简介:王然( 1 9 8 2 一) ,男,硕士生。主要研究方向为机电一体化技术和地毯簇绒装备。孙以泽,通讯作者,E - m a i l :s u n y z d h u e d u c n o 万方数据 PDF Watermark Remover DEMO : Purchase fro
11、m www.PDFWatermarkR to remove the watermark 1 2 4 纺织学报第3 1 卷 决该问题完全靠肉眼观察和现场的不断调试,没有 理论依据,花型越复杂调试越困难。本文研究的重 点就是如何结合步进伺服提花系统柔性控制的优 点,在数学建模的基础上,通过加速时的速度补偿, 消除过渡圈高现象。 1 过渡圈高现象及其成因 1 1 成圈原理 当前,地毯簇绒主要采用调节成圈法。当簇绒 针穿过底布向下运动时,成圈钩钩住纱线;当簇缄针 退出底布时,成圈钩在底布下方握持纱线形成1 个 绒圈;当簇绒针到达最高位时,纱线从成圈钩上脱 离。把簇绒针从一个最低位到下一个最低位的运动
12、称为1 个成圈周期。在每个成圈周期内,送纱速度 越快,绒圈就越高,这就是高低圈的形成原理。 1 2 过渡圈高成因 在多圈禹地毯的织造过程中,特别是在低圈到 高圈的转变过程中,经常会出现在低圈之后的1 个 甚至多个高圈无法达到指定高度的现象,这种介于 低圈与高圈之间的高度称之为过渡圈高。这个问题 导致高低圈花型无法界限分明地显现出来,有时会 严重影响地毯的图案效果。 对于提花控制系统来说,控制圈高最简单直接 的方法就是控制送纱罗拉转速,即控制步进电动机 转速。若忽略过冲、振荡等干扰,可将步进电动机时 间速度曲线简化,如图1 所示。 图1过渡圈高成因原理图 F i g 1 H i g h e rt
13、 r a n s i t i o n a ll o o pf o r m i n gs c h e m a t i c 可以看到,电机在0 1 5s 时开始升频加速,直至 0 7s 时才达到要求的速度( 这里速度用步进电动机 接收到的脉冲频率表示) ,故在0 1 5 一O 7s 这段时 间内,速度没达到高圈所要求的电动机转速,那么圈 高自然也就达不到要求。送纱量多少即阴影部分的 面积,通过数学积分的方法可以计算出来。该模型 为过渡圈高问题的解决提出了一种思路,即通过速 度补偿,修正加速曲线,满足纱线的供应量,为补偿 量计算提供数学模型和理论依据。 2 步进电动机加速曲线 在确定补偿方案之前,首
14、先要精确计算补偿量。 而计算补偿量的前提是对补偿前的加速曲线的精确 描述。通过各种加减速控制曲线“ J ,可以有效地改 善升降频加速度,大大减少升降频时间,明显减少速 度补偿量,为今后补偿方案设计打下基础。 2 1 动力学模型 设计加速控制曲线,首先要了解该电动机在加 速过程中时间与速度的关系,即加速特性,所以要通 过建立步进电动机的动力学平衡方程,得到速度对 于时间的函数表达式。 电动机实际带负载工作时的力矩平衡方程垆为 T = T F + ( 1 ) 式中:砟= 卢,为摩擦转矩,N m ,摩擦转矩只与电 动机摩擦因数有关,口为电动机摩擦因数,N s r a d , T 2 为电动机转子角速
15、度,r a d s ;= 厶等= ,警, U u 为惯性转矩,N m ,J ,为总转动惯量,等于转子转动 惯量与负载转动惯量之和,k g m 2 ,0 为转子转 角,r a d 。 最后需要确定的是步进电动机输出电磁转矩 r 。很多文献在这里将r 当作常数来处理,这是很 不精确的。因为r 肯定是随矩频特性曲线而变化 的,必须根据该曲线选取电动机工作频率区间,以匹 配要求的负载转矩。在升降频时,惯性转矩很大,在 高频段就应该特别注意输出转矩随频率的变化。 以北京四通电机公司生产的5 6 B Y G 2 5 0 D 型混合 式步进电动机( 在地毯簇绒机中实际使用的便是该型 号) 在步距角为0 o
16、时的矩频特性曲线( 横坐标按对 数等距) 为例,选取工作区间,并在此区间内将曲线进 行线性拟合,得到r 的线性表达式。 因为电动机在1 2 0r m i n 以下有着良好的矩频 特性,又因为提花轴的实际转速在4 0 9 0r m i n 之 间,故选择在1 5 1 2 0 r r a i n 之间等距采样取值。对 采样数据进行三次样条插值,用M a t L a b 求解,得到 各段的三次多项式系数,并可绘出矩频特性曲线,如 万方数据 PDF Watermark Remover DEMO : Purchase from www.PDFWatermarkR to remove the waterm
17、ark 第1 期王然等:簇绒地毯的过渡圈高现象及其补偿 1 2 5 图2 所示。 零 量 墩 辑 图2 输出转矩曲线 F i g 2T o r q u ec u r v e 根据所得的公式求得4 0r m i n 时的输出转矩, 并在实际工作区间4 0 9 0r m i n 内对该曲线进行最 小二乘线性拟合,最终得到输出转矩r 的线性表 达式: T = 一0 0 0 18 0 + 1 4 8 85 ( 2 ) 式中,0 为电动机转子角速度,r m i n 。 拟合曲线如图2 中直线所示。将单位统一,最 后微分方程为 警+ 警d a f 。= 0 0 0 02 7 f + 1 4 8 85 (
18、3 ) 式中,厂为步进电动机脉冲频率,H z 。 2 2 步进电动机速度曲线的解析求解 用M a t L a b 对式( 3 ) 求解,可得到步进电动机速 度曲线的解析解: f ( t ) = 而+ c e - 等擎) 2 而再再X 丽+ c e ( 4 ) 将式( 4 ) 表示成一阶系统的指数形式: f ( t ) = ;石石三罢+ c e ( 5 ) 式中,r = 葡挈 器,为一阶系统时间 常数。 这个指数形式的解析解对该型号电动机的升降 频控制曲线的设计具有指导意义,可以根据不同的控 制要求,设置不同的边界条件,得到不同的曲线方程。 考虑到电动机在启动时需要克服较大的静态惯 性转矩,所以
19、升频时的加速度不宜过大。步进电动 机在高频运行时,输出转矩会显著减小,所以升降频 加速度也不宜过大,需要渐进的过程。停机时,为了 避免过冲现象的发生,同样需要较小的降频加速度。 综上所述,按S 形曲线控制升降频最符合步进电动 机实际动特性要求。S 形曲线可以分为2 段指数曲 线,因此又被称作双段指数曲线,如图3 所示。即 A B 和B C2 段,所以问题转化为如何设计指数曲线 控制步进电动机升降频扣1 。 星 静 殛 图3S 型曲线不意图 F i g 3 S c h e m a t i cd i a g r a mo fSc u r v e 2 3 S 形和指数形加速曲线的比较 在实际控制中,
20、由低圈向高圈转变时,过渡圈高 的现象较为严重,因此以此为例,设转速从2 6 7H z 升 高至6 0 0H z 。根据现场的实际情况,要求速度在 2 个成圈周期内达到稳定,如图3 所示A C 段。为了 充分利用边界条件,可以将时间等分,先求第2 个成 圈周期B C 段的指数曲线,然后对称得出第1 个成 圈周期A B 段,由此列出3 个方程: 灭o ) = 亏石石三号+ c = 4 3 3 以) = 而器= 8 0 0 f ( o 1 5 ) = 而器+ C X e - 半_ 6 0 0 3 个方程联立解3 个未知数卢、C 、f ,得到S 形曲线方程: 厂( t ) = 7 9 9 7 5 3
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- 地毯 过渡 现象 及其 补偿
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