基于無刷直流電機(jī)的紗線恒張力控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

王 藩

(河南工程學(xué)院,河南 鄭州 450007)

在絡(luò)筒工藝中,筒子質(zhì)量好壞除紗線質(zhì)量因素外,關(guān)鍵性因素是紗線的張力是否合理,質(zhì)量好的筒子才能染色均勻,織出來的布匹才會(huì)更加平整[1]。成型較好的筒子,生產(chǎn)時(shí)紗線的張力一定是恒定的,張力自始至終都在一個(gè)較為合理的范圍內(nèi)波動(dòng)。張力過大的筒子,斷頭和結(jié)節(jié)增多,還會(huì)使紗線伸長(zhǎng)變長(zhǎng),降低紗線彈性;絡(luò)筒時(shí)張力太小,紗線會(huì)從導(dǎo)紗器上滑脫,筒子的纏繞不規(guī)律,質(zhì)量差,產(chǎn)量低。因此,絡(luò)筒機(jī)正常工作時(shí),為了得到成型良好的筒子,紗線張力需要保持在合理的范圍內(nèi)。本設(shè)計(jì)的目的是將紗線的實(shí)時(shí)張力由張力傳感器采集并傳輸給單片機(jī),單片機(jī)輸出相應(yīng)的PWM信號(hào)用于調(diào)節(jié)電機(jī)的轉(zhuǎn)速,達(dá)到調(diào)節(jié)紗線張力的效果。因此,絡(luò)筒機(jī)紗線恒張力控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)不僅具有理論意義,而且具有實(shí)用價(jià)值。

1 張力分析及設(shè)計(jì)思路

1.1 紗線分類

紗線是由細(xì)小的纖維或化合物組成的集合體,可以是單一品種構(gòu)成,也可以多品種構(gòu)成。不同的紗線具有不同的特點(diǎn),根據(jù)各自特點(diǎn),就會(huì)有不同的使用方法,它們都應(yīng)具有紡織品使用和加工所需要的基本條件。紗線的主要用途為織造梭織物、針織物,無紡布一般不使用紗線。紗線種類和用途不同,在絡(luò)筒過程中施加的張力就需要相應(yīng)調(diào)節(jié)。絡(luò)筒張力大小是根據(jù)紗線要求決定的,不同生產(chǎn)設(shè)備也需要結(jié)合實(shí)際設(shè)置不同的張力值[2-3]。

1.2 紗線張力作用

絡(luò)筒過程中,紗線被解卷和復(fù)卷需要有相對(duì)恒定的張力,才能使筒子密度均勻,內(nèi)外松緊一致,形狀良好,有利于后道工序的加工。波動(dòng)的張力會(huì)使筒子內(nèi)外緊度不同,導(dǎo)致主軸內(nèi)外層張力不同。當(dāng)筒子的外紗張力大于內(nèi)紗張力時(shí),張力較小的內(nèi)部紗線會(huì)受到張力較大的外層紗線擠壓,使紗線向筒管兩側(cè)擴(kuò)張,造成卷邊。當(dāng)內(nèi)紗張力大于外紗張力時(shí),染色的筒子質(zhì)量差,還會(huì)導(dǎo)致織造的坯布不平整,因此保持恒定的紗線張力對(duì)后續(xù)染色和織造過程非常重要。

1.3 紗線張力波動(dòng)因素

絡(luò)筒過程中,附加張力和退繞張力是紗線張力的主要組成部分,摩擦張力和槽筒的橫向拉力為次要張力。

附加張力是為了滿足紗線卷繞張力的需求增加的張力,紗線附加張力通常保持不變。退繞張力是纏繞在管紗上面的紗線脫離管紗時(shí)的張力,在整個(gè)退繞過程中,紗線退繞張力是不斷變化的,紗線退繞時(shí),管紗底部張力比管紗頂部張力大,外部紗線退繞張力小于內(nèi)部紗線退繞張力。摩擦張力是紗線和機(jī)件摩擦產(chǎn)生的張力,摩擦張力是很小的,對(duì)紗線張力波動(dòng)的影響可以忽略不記。復(fù)卷過程中,槽筒在引導(dǎo)紗線纏繞到筒子上時(shí),會(huì)對(duì)紗線有拉扯作用,紗線移動(dòng)到槽筒中間的時(shí)候比在兩邊的張力小。

1.4 系統(tǒng)設(shè)計(jì)思路

本課題主要針對(duì)紗線的整體波動(dòng)調(diào)節(jié)。解決方案是使用高刷新速度的單片機(jī)控制帶動(dòng)槽筒運(yùn)轉(zhuǎn)的無刷直流電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速,電機(jī)轉(zhuǎn)速會(huì)直接影響紗線的張力大小,這也是本次設(shè)計(jì)系統(tǒng)保持紗線張力恒定的關(guān)鍵?？刂茊卧x用單片機(jī),張力傳感器實(shí)時(shí)檢測(cè)張力并傳送給控制單元,控制單元會(huì)根據(jù)紗線的實(shí)時(shí)張力由電機(jī)控制器對(duì)電機(jī)轉(zhuǎn)速進(jìn)行調(diào)節(jié),以此保證紗線張力的恒定。張力控制框圖如圖1所示。

圖1 張力控制框圖

2 控制系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

2.1 器件選擇

設(shè)計(jì)選用AT89S52作為控制系統(tǒng)的控制器,AT89S52具有32個(gè)I/O口、定時(shí)器、計(jì)數(shù)器、中斷系統(tǒng)、串行口方式通信及ISP在線編寫等功能,使用起來非常便捷。

查閱相關(guān)資料[4-5],無刷直流電機(jī)的調(diào)速方式有很多種。結(jié)合本課題,無刷直流電機(jī)選用JGB37-3650,電機(jī)的調(diào)速方式為輸入0～5 V的PWM方波信號(hào)給電機(jī)控制器。電機(jī)控制器會(huì)輸出一個(gè)脈沖信號(hào),電機(jī)每轉(zhuǎn)一圈輸出6個(gè)方波信號(hào)。

紗線張力傳感器選擇了金屬應(yīng)變片式張力傳感器YDZHL-20N,價(jià)格低,結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單,耐用性強(qiáng),精度也比較高。傳感器會(huì)輸出0～5 V電壓,電流為4～20 m A,可以直接供ADC0832使用。

系統(tǒng)可實(shí)時(shí)顯示電機(jī)的轉(zhuǎn)速和紗線的張力值,選用結(jié)構(gòu)較為簡(jiǎn)單的數(shù)碼管作為顯示器。為了降低單片機(jī)的輸出壓力及完整信息的顯示,選擇2個(gè)四位八段共陽極數(shù)碼管。

2.2 硬件電路工作圖

張力傳感器輸出0～5 V電壓,模擬量電壓被ADC0832轉(zhuǎn)換成數(shù)字量并串行傳送給單片機(jī),AT89S52將得到的數(shù)字量轉(zhuǎn)化成對(duì)應(yīng)的張力值,并顯示到數(shù)碼管。如果張力值處于正常范圍,但張力值和預(yù)設(shè)值不一樣,單片機(jī)根據(jù)實(shí)時(shí)反饋回來的張力值相應(yīng)地調(diào)節(jié)電機(jī)的轉(zhuǎn)速。電機(jī)的轉(zhuǎn)速由霍爾傳感器檢測(cè)并實(shí)時(shí)傳輸給單片機(jī),如果張力過大,紅燈亮,并停機(jī);如果張力過小,綠燈亮,并停機(jī)。如果修復(fù)好紗線狀態(tài),張力恢復(fù)到正常時(shí)按復(fù)位按鍵,恢復(fù)工作。硬件電路工作圖如圖2所示。

圖2 硬件電路工作圖

2.3 硬件電路設(shè)計(jì)

Proteus是深受單片機(jī)開發(fā)者喜歡的一款仿真軟件,Proteus的創(chuàng)造者致力于軟件的研發(fā)和升級(jí),為用戶提供更多的開發(fā)功能。首先在Proteus軟件上畫出控制系統(tǒng)的硬件電路圖,然后進(jìn)行多次修改完善,直到系統(tǒng)的硬件電路圖達(dá)到系統(tǒng)的控制要求。硬件電路圖如圖3所示。

圖3 硬件電路圖

3 控制系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

硬件的運(yùn)行離不開控制程序,程序的編寫和檢查需要軟件來實(shí)現(xiàn)。在系統(tǒng)搭建之前如果能進(jìn)行仿真的話,可以少走很多彎路,節(jié)省大量時(shí)間,并且可以減少調(diào)試過程中單片機(jī)的燒寫次數(shù),節(jié)約成本。

3.1 軟件控制流程

控制系統(tǒng)先根據(jù)所加工紗線的工藝要求設(shè)置相應(yīng)的紗線張力,根據(jù)已知的紗線張力啟動(dòng)電機(jī)并運(yùn)行。單片機(jī)實(shí)時(shí)檢測(cè)紗線張力和電機(jī)運(yùn)行速度,顯示并將檢測(cè)到的信號(hào)與設(shè)定值進(jìn)行比較判斷,來調(diào)整槽筒電機(jī)速度,實(shí)現(xiàn)紗線張力的恒定。

本次設(shè)計(jì)的張力單位為c N,范圍是0～500。由于系統(tǒng)針對(duì)的紗線是36 tex普梳棉紗,強(qiáng)力標(biāo)準(zhǔn)應(yīng)不小于451 c N,所以設(shè)置的張力范圍為小于100表示張力過小,停機(jī),亮綠燈;100～400為可調(diào)范圍,250為預(yù)設(shè)張力;大于400表示張力過大,停機(jī),紅燈亮。對(duì)張力傳感器檢測(cè)到的張力值進(jìn)行判斷,不同的張力狀態(tài)對(duì)應(yīng)不同的電機(jī)轉(zhuǎn)速,PWM越大,電機(jī)的速度就越快,以此來保證紗線張力的恒定。張力控制流程圖如圖4所示。

圖4 張力控制流程

設(shè)計(jì)使用定時(shí)器與計(jì)數(shù)器相結(jié)合的方法測(cè)量電機(jī)轉(zhuǎn)速。外部中斷計(jì)數(shù)子程序,對(duì)電機(jī)輸出的脈沖數(shù)進(jìn)行計(jì)算。定時(shí)器子程序提供時(shí)間的計(jì)算。電機(jī)轉(zhuǎn)速計(jì)算流程如圖5所示。

圖5 電機(jī)轉(zhuǎn)速計(jì)算流程

3.2 程序編寫及編譯

Keil C51軟件為設(shè)計(jì)所使用的AT89S52提供了一個(gè)穩(wěn)定可靠的單片機(jī)語言編寫環(huán)境,操作簡(jiǎn)單。

軟件控制包括兩大部分:主程序和子程序。

子程序包括:初始化子程序、模數(shù)轉(zhuǎn)化子程序、延時(shí)子程序、定時(shí)器子程序、計(jì)數(shù)器子程序、顯示子程序。主程序調(diào)用子程序,并實(shí)施張力的調(diào)節(jié)。

Keil C51的工作界面如圖6所示。

圖6 Keil C51的工作界面

3.3 控制系統(tǒng)仿真

Proteus不僅可以進(jìn)行硬件電路圖的設(shè)計(jì),并且可以把編寫好的程序燒寫進(jìn)單片機(jī)進(jìn)行控制系統(tǒng)仿真。就連外掛的元器件,甚至測(cè)量?jī)x器也能很穩(wěn)定地模擬。系統(tǒng)仿真界面如圖7所示。

圖7 Proteus的工作界面

4 系統(tǒng)搭建與結(jié)果分析

4.1 系統(tǒng)搭建

結(jié)合實(shí)驗(yàn)室現(xiàn)有的搭建條件,并為了使實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象更加穩(wěn)定和直觀,以可調(diào)電壓源模擬張力傳感器輸出的0～5 V電壓,可以準(zhǔn)確調(diào)節(jié)電壓值的大小。調(diào)節(jié)電壓觀察電機(jī)轉(zhuǎn)速的變化。

首先焊接電路板,把元件固定在電路板上面,由于引腳較多,把封裝元件的引腳用單排針引出來,使用杜邦線連接較為方便快捷。搭建好的實(shí)驗(yàn)工作臺(tái)如圖8所示。

圖8 實(shí)驗(yàn)工作臺(tái)

4.2 結(jié)果與分析

數(shù)碼管顯示張力,下方數(shù)碼管顯示轉(zhuǎn)速,隨著紗線張力的變化,電機(jī)的轉(zhuǎn)速也在不斷變化。如果張力變化值超出可調(diào)范圍,電機(jī)停機(jī),報(bào)警燈亮。

5 結(jié)束語

當(dāng)紗線張力發(fā)生變化時(shí),槽筒電機(jī)的轉(zhuǎn)速會(huì)隨之得到調(diào)整,從而保證紗線張力恒定,設(shè)計(jì)達(dá)到了預(yù)期的控制要求。設(shè)計(jì)不僅適用于絡(luò)筒機(jī)的紗線張力控制,對(duì)于其他需要進(jìn)行張力控制的設(shè)備,可結(jié)合設(shè)備的工藝要求,進(jìn)行適當(dāng)硬件修改和軟件升級(jí),即可滿足相應(yīng)的控制要求。因此,實(shí)用范圍較為廣泛。