织机经纱张力控制器设计

2012-06-01贺作慧韦文斌

电子科技 2012年1期

贺作慧，韦文斌

(广西工学院电控系，广西柳州 545006)

在整个织机运动系统中，张力控制是其中一个重要部分，其性能的好坏将直接影响产品质量。同时由于纱线材料本身的要求，在织机运动的过程中，张力必须保持在一定的范围内，最好是恒定不变，且其精度要求较高。因此，设计了专用于织机送经张力控制系统模型。同时，在检验系统可行性和可靠性的试验中，还建立了精度更高的织机张力控制系统模型。

1 织机张力控制系统

1.1 系统的组成

织机送经张力控制系统，主要由送经电机、减速机、经轴、活动后梁和张力传感器部分组成。文中送经电机采用直流无刷伺服电机，该电机的优点是克服了传统直流电机存在电刷，电磁干扰大，并且维护繁琐的缺点。电子送经的特点是以活动后梁作为张力传感部位，通过传感器把经纱张力信号转化为电信号，然后被采集到控制器，经分析计算后控制送经电机，使电机达到无级调速。新型织机大部分采用这种方法送经。

1.2 模型建立条件

在系统数学模型建立之前，需要对整个系统进行简化，纱线的粗细均匀，其弹性模量为常量，发生弹性变形时遵守胡克定律;纱线的横截面积和厚度变形微小，可认为是固定不变;纱线发生弹性变形时，所引起的速度相对于纱线本身的速度来说很小，可以忽略不计。

2 各部分模型的建立

2.1 经纱张力模型

在织机运转过程中，经纱张力是通过控制电机的转速，达到控制经轴的转角，使经纱的张力保持不变，建立经纱受到张力时的模型，如图1所示。

图1 经纱张力模型

由胡克定律可知，卷材内的张力T

对式(1)进行拉氏变换，又由于

可推导出张力控制对象的传递函数为

式中，A0是纱线的横截面积;E是纱线的弹性模量;L是纱线在两传动点之间的距离;vA是轴A的线速度;vB是轴B的线速度;σ是纱线内的拉应力;t是纱线的传送时间。

由此可见，相邻两传动点间的线速度差是产生经纱张力的根本原因。因此，要保持经纱内张力的恒定就必须保持经纱线速度的恒定，张力控制实际上也就是线速度控制。

2.2 直流伺服电机的建模

假设主回路中的电流是连续的，则它的动态电压方程为

在忽略粘性摩擦及弹性转矩的情况下，电动机的动力学方程为

由于电动机的感应电动势和电磁转矩在额定励磁下分别为

在零初始条件下，对式(8)和式(9)两边分别进行拉普拉斯变换，得到电压和电流之间的传递函数为

电流与电动势之间的传递函数为

考虑到n=E/Ce，可得直流电动机的动态结构框图，如图 2 所示［1］。

图2 直流电动机的动态结构框图

2.3 减速机的传递函数

减速机的传递函数，如式(12)所示。

2.4 晶闸管的传递函数

2.5 总体结构框图

将各部分的传递函数连接，得到送经张力控制系统的动态结构框图如图3所示。

图3 送经张力控制系统的动态结构框图

3 调节器的硬件设计

三闭环系统的设计方法，通常考虑以下原则，由于三环结构系统的最内环是电流环，一般情况下，按典型Ⅰ型系统设计。对于无外环的转速－电流双闭环系统，转速环大都按典型Ⅱ型系统设计。但对像位置跟踪三闭环系统、张力－转速－电流的三闭环的系统，转速环外还有一个张力环，那么转速环应该按典型Ⅰ型系统设计。张力环是系统的最外环，并且希望它的动态抗扰动性能、跟随性能和静态性能较好，所以将张力外环校正成典型Ⅱ型系统是最佳选择［2］。