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  基于速度控制模式的经编电子横移控制算法  
  点击次数:  发布日期:2012-09-17  
 

        自德国Karl Mayer于1979年首次在经编机上成功应用SU累加式电子横移系统以来,电子横移系统以其精度高、花高大、效率高等优势得到了迅速发展。此后伺服系统的出现和推广更加速了现代经编电子横移系统的发展,先后有Liba公司推出的采用高性能液压伺服控制的ELS型电子梳栉横移机构、Karl Mayer公司推出的运用直线伺服控制的EL型电子横移系统和成本较直线伺服低的基于旋转伺服系统的EL3和EL4电子横移系统。

        伺服系统的出现也促进了国内高校和研究机构对横移系统的研究,现通常采用定位准确、易于实现的位置控制模式做为伺服的控制方式,如福州大学运用8051单片机、江南大学采用DSP、华中科技大学和常德纺织机械有限公司运用PMAC控制器,均成功地开发了基于伺服位置控制模式的电子横移系统。但是位置控制模式在横移时间的利用率、电机速度的精确控制和伺服的响应速度等方面仍不够理想。本文从伺服速度控制模式的角度研究了一种电子横移系统,通过修正正弦加速度曲线来控制梳栉的横移运动,目的是为了有效地减少梳栉横移的冲击,提高伺服的响应速度,以实现平稳精确柔性的横移,从而提高经编机的生产速度,改善经编机运转性能。

1 电子横移系统的控制原理

1.1 系统整体结构

       基于速度控制模式的电子横移系统主要由控制装置、驱动装置、反馈装置和主轴信号装置等组成,如图1所示。

 

 

 

 

 

 

 

 

        ① 控制装置:是系统的控制核心,可以是单片机、PLC等,它接收主轴信号、加载花型数据,与上位机通信并向伺服驱动器发送横移控制信号,直接控制驱动装置。

        ② 驱动装置:由伺服驱动器、伺服电机、滚珠丝杠组成。伺服驱动器根据模拟信号(电压)大小或脉冲频率控制U/V/W三相电形成电磁场,电机转子在此磁场的作用下转动,同时滚珠丝杠将电机的旋转运动转换成直线运动,使梳栉处于“停止——运动—停止”的不断往复的间歇式运动过程中。

        ③ 反馈装置:这里将电机自带的编码器作为反馈装置,电机速度作为反馈信号,反馈给驱动器和控制装置,以便实时调整电机速度,精确控制转角,完成半闭环控制。

        ④ 主轴信号装置:向控制装置提供主轴当前的位置信号,一般为绝对式旋转编码器。

1.2 系统控制方法

        交流伺服系统有速度模式、位置模式和转矩模式三种模式,其中可用于位移领域的是位置模式和速度模式两种。

        位置控制模式利用指令脉冲的频率和数量来确定横移的速度和位置该模式存在伺服驱动器运算量大、电机运动时刻滞后于指令发出时刻,横移时间难以得到充分利用等缺点。速度控制模式的核心是精确控制电机速度,通过电机速度控制电机转过的角度,因此系统的直接输出为电机转速。控制装置将电机的指令速度和实际速度进行比较,由PID算法使电机按指令速度运动,该模式下伺服驱动器只完成速度环和电流环的闭环控制,伺服驱动器的运算量小,达到响应快速、运动准确的目的。原理图如图2所示,图3为控制流程图。

 

 

 

 

 

2 横移电机运动速度控制算法

2.1 横移电机运动速度的计算

2.1.1 函数计算

        为了避免梳栉在运动过程中的刚性冲击和柔性冲击,梳栉应按合适的运动规律运动。组合正弦加速度曲线运动规律由于速度、加速度曲线连续,在起始点、终止点时无突变而较适用于电子横移的驱动规律。按修正正弦加速度曲线运动时梳栉的位移函数为:

 

       

 

 

 

 

         式中:s-横移距离,mm;n-横移针数;T-针距,mm;-允许横移时的主轴角度范围,rad;-主轴相对转角,即横移期间主轴的当前位置与开始横移的位置之差,rad。

     

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

        由于速度控制模式下系统的直接输出变量为电机转速w,因此要计算出电机的相对角位移(单位rad)。当电机直接驱动滚珠丝杆时,电机转动一圈,滚珠丝杠运动一个导程。

        

 

式中:-滚珠丝杠导程,mm。

将(1)式带入(2)式得:

 

 

 

 

 

         对(3)式求导,得电机转速函数w,r/min。

 

 

 

 

 

式中:-主轴转速,r/min。

        函数法要求在经编机运行过程中,控制装置能在采样时间内迅速精确地由(4)式计算出电机的指令速度w并送出模拟量电压或脉冲频率。

        函数法对控制装置的运算能力、上位机与控制装置间的同步率等要求都很高,使用该方法,控制装置需选用高端的PLC或者专门用来进行快速数字信号运算的DSP等控制器。在系统允许的条件下可以尽量缩短采样时间间隔,做到速度实际运动曲线接近设定曲线。

2.1.2 查表计算

        表是指在控制装置的数据存储单元中开辟一块或几块数据区,区域内有序地存放着函数的自变量和对应的函数值(本系统中自变量为当前主轴位置与允许横移角度的比值,函数值为不考虑机器参数和花型数据后的电机转速的点值)。查表就是已知表中的一个元素,要寻检到与其相对应的表项[12]。因此函数自变量的地址和函数值的地址最好存在简单的函数关系(可自定义)。

        (4)式中T、、为机器参数,n由花型决定,这些数据都由上位机输入,在建立表格时不予考虑。设,(4)式去除后的部分为b。取点个数不仅与主轴编码器、D/A转换芯片的分辨率、生产控制精度等因素有关,还要综合考虑系统的计算时间:点越多,程序指针找到当前位置的时间就越长,电机执行时间就越延后。以10位主轴编码器,12位电压输出型D/A转换器(首位为方向信号)为例,暂取a间隔点为0.002,由Matlab编程生成数据表数据,共501个数据点,如表1所示。

       

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

        由于取点数量有限,实际应用中自变量a存在取不到表中数据的可能性(即当前自变量为表中相邻两数据之间的数),这时要根据运动规律曲线的特点选择合适的插补算法,使电机速度尽量与速度曲线吻合。插补算法的总类有很多,最简单的有平均值插补,常用的还有单独自适应式插补算法、5段式S曲线加减速规划、7段式S曲线加减速规划,圆弧插补等。

        查表法的运算较函数法的简单且运算量小,适合控制装置为中低档的控制器。但是它的控制精度由取点个数多少、插补算法后的曲线与运动规律曲线的逼近度、插补算法的运算量、插补速度等因素决定,所需考虑的因素较多。

2.2 横移电机控制电压的计算

        控制装置读取并计算主轴位置,收到开始横移的信号后,由当前的主轴位置计算或查询数表以获取当前位置下电机所需的速度。

        由修正正弦加速度运动规律可知当梳栉移动到横移距离一半时,即查表法中当a=0.5时,电机速度达到最大。

 

        

 

        要求要小于等于电机的额定速度,因此在实际过程中要充分考虑到机器参数和花型数据。

        在速度控制模式中,给伺服驱动器模拟量输入引脚输入一个-10V~ +10V的模拟电压,既可控制电机从负向最大转速到正向最大转速的速度之间的变化。

电机速度与模拟量电压大小成正比:

                

        

        其中k由驱动器的速度指令输入增益决定,如模拟量电压为+5V,输入增益为100r/min,则电机速度为100×5=500r/min。将(4)式计算或查表所得的转速代入(6)式即可计算出所需模拟量电压u的大小,控制装置再由( -参考电压 )计算出对应的数字量D送至D/A转换模块。

2.3 横移电机运动速度的修正

        绝大部分电机自带的编码器为增量式编码器,电机在运动时编码器会输出三种脉冲信号: A、B、Z。 A、B脉冲是相位相差90°的相同频率信号,电机正转时,A超前B90°,反之滞后;Z又叫零相脉冲,电机转过一圈,产生一个Z信号。

控制装置可以4倍频采集电机编码器的A、B、Z脉冲数并计算电机的速度和转向,以提高系统的精度。

        控制领域中,以提高定位精度为目的而提出了多种控制算法:如PID调节算法、模糊控制算法、鲁棒控制算法等。本系统选用了应用较广的PID调节算法,即根据给定值与实际值构成偏差e(t),将偏差的比例(P)、积分(I)、微分(D)通过线性组合对被控对象进行控制。比例环节实时反映控制系统的偏差信号e(t),一旦出现偏差便立即进行补偿,以减少偏差;积分环节用于消除静差,提高系统的无差度;微分环节能反映偏差信号的变化速率,并在偏差信号值变得太大之前,在系统中引入一个有效的早期修正信号,以加快系统的动作速度,减小调节时间。

        其控制规律为:

 

        

       式中:KP为比例系数;T1为积分时间常数;TD为微分时间常数。

控制装置将电机的实际速度与当前主轴位置下给定的电机速度进行比较,通过PID控制算法调整电机转速,从而修正电机的速度。

3 结论

        运用修正正弦加速度曲线和查表控制算法设计开发的基于速度控制模式的电子横移系统在多梳经编机的花梳横移控制中已得到成功应用,在成本较低的情况下有效地减少了多梳经编机运转过程中花梳运动的冲击,提高了梳栉横移的精度,改善了多梳经编机的运转性能,经编机生产速度提高10%,且机器运转平稳、布面质量良好。

       (1) 基于速度控制模式的电子横移系统可利用函数法或查表法,使梳栉按照选定的曲线规律(如组合正弦加速度曲线)作横移运动,实现柔性横移、减少柔性冲击和刚性冲击。

       (2) 根据所选下位控制器的运算能力和实际生产的要求,可选用函数法或查表法实现速度控制算法。在实际运行中函数法在控制平稳性和精确性上要优于查表法,相应的函数法所选用的控制装置PLC计算能力强、成本高。

       (3) 在速度控制模式下,在梳栉允许的横移时间内,电机一直处于运动状态,横移时间利用充分,梳栉起始横移时刻同步于驱动控制指令发出时刻。

       (4) 横移驱动伺服电机的实际速度通过PID算法修正,在实际应用中,可根据经验调节KP、T1、TD等参数值,使实际速度与指令速度一致,实现梳栉横移运动速度的更平稳。

 
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