基于無刷直流電機的紗線恒張力控制系統設計

王 藩

(河南工程學院,河南 鄭州 450007)

在絡筒工藝中,筒子質量好壞除紗線質量因素外,關鍵性因素是紗線的張力是否合理,質量好的筒子才能染色均勻,織出來的布匹才會更加平整[1]。成型較好的筒子,生產時紗線的張力一定是恒定的,張力自始至終都在一個較為合理的范圍內波動。張力過大的筒子,斷頭和結節增多,還會使紗線伸長變長,降低紗線彈性;絡筒時張力太小,紗線會從導紗器上滑脫,筒子的纏繞不規律,質量差,產量低。因此,絡筒機正常工作時,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。本設計的目的是將紗線的實時張力由張力傳感器采集并傳輸給單片機,單片機輸出相應的PWM信號用于調節電機的轉速,達到調節紗線張力的效果。因此,絡筒機紗線恒張力控制系統的設計不僅具有理論意義,而且具有實用價值。

1 張力分析及設計思路

1.1 紗線分類

紗線是由細小的纖維或化合物組成的集合體,可以是單一品種構成,也可以多品種構成。不同的紗線具有不同的特點,根據各自特點,就會有不同的使用方法,它們都應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,在絡筒過程中施加的張力就需要相應調節。絡筒張力大小是根據紗線要求決定的,不同生產設備也需要結合實際設置不同的張力值[2-3]。

1.2 紗線張力作用

絡筒過程中,紗線被解卷和復卷需要有相對恒定的張力,才能使筒子密度均勻,內外松緊一致,形狀良好,有利于后道工序的加工。波動的張力會使筒子內外緊度不同,導致主軸內外層張力不同。當筒子的外紗張力大于內紗張力時,張力較小的內部紗線會受到張力較大的外層紗線擠壓,使紗線向筒管兩側擴張,造成卷邊。當內紗張力大于外紗張力時,染色的筒子質量差,還會導致織造的坯布不平整,因此保持恒定的紗線張力對后續染色和織造過程非常重要。

1.3 紗線張力波動因素

絡筒過程中,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的張力,在整個退繞過程中,紗線退繞張力是不斷變化的,紗線退繞時,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部紗線退繞張力。摩擦張力是紗線和機件摩擦產生的張力,摩擦張力是很小的,對紗線張力波動的影響可以忽略不記。復卷過程中,槽筒在引導紗線纏繞到筒子上時,會對紗線有拉扯作用,紗線移動到槽筒中間的時候比在兩邊的張力小。

1.4 系統設計思路

本課題主要針對紗線的整體波動調節。解決方案是使用高刷新速度的單片機控制帶動槽筒運轉的無刷直流電動機的轉速,電機轉速會直接影響紗線的張力大小,這也是本次設計系統保持紗線張力恒定的關鍵?？刂茊卧x用單片機,張力傳感器實時檢測張力并傳送給控制單元,控制單元會根據紗線的實時張力由電機控制器對電機轉速進行調節,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 控制系統硬件設計

2.1 器件選擇

設計選用AT89S52作為控制系統的控制器,AT89S52具有32個I/O口、定時器、計數器、中斷系統、串行口方式通信及ISP在線編寫等功能,使用起來非常便捷。

查閱相關資料[4-5],無刷直流電機的調速方式有很多種。結合本課題,無刷直流電機選用JGB37-3650,電機的調速方式為輸入0～5 V的PWM方波信號給電機控制器。電機控制器會輸出一個脈沖信號,電機每轉一圈輸出6個方波信號。

紗線張力傳感器選擇了金屬應變片式張力傳感器YDZHL-20N,價格低,結構簡單,耐用性強,精度也比較高。傳感器會輸出0～5 V電壓,電流為4～20 m A,可以直接供ADC0832使用。

系統可實時顯示電機的轉速和紗線的張力值,選用結構較為簡單的數碼管作為顯示器。為了降低單片機的輸出壓力及完整信息的顯示,選擇2個四位八段共陽極數碼管。

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轉換成數字量并串行傳送給單片機,AT89S52將得到的數字量轉化成對應的張力值,并顯示到數碼管。如果張力值處于正常范圍,但張力值和預設值不一樣,單片機根據實時反饋回來的張力值相應地調節電機的轉速。電機的轉速由霍爾傳感器檢測并實時傳輸給單片機,如果張力過大,紅燈亮,并停機;如果張力過小,綠燈亮,并停機。如果修復好紗線狀態,張力恢復到正常時按復位按鍵,恢復工作。硬件電路工作圖如圖2所示。

圖2 硬件電路工作圖

2.3 硬件電路設計

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

圖3 硬件電路圖

3 控制系統軟件設計

硬件的運行離不開控制程序,程序的編寫和檢查需要軟件來實現。在系統搭建之前如果能進行仿真的話,可以少走很多彎路,節省大量時間,并且可以減少調試過程中單片機的燒寫次數,節約成本。

3.1 軟件控制流程

控制系統先根據所加工紗線的工藝要求設置相應的紗線張力,根據已知的紗線張力啟動電機并運行。單片機實時檢測紗線張力和電機運行速度,顯示并將檢測到的信號與設定值進行比較判斷,來調整槽筒電機速度,實現紗線張力的恒定。

本次設計的張力單位為c N,范圍是0～500。由于系統針對的紗線是36 tex普梳棉紗,強力標準應不小于451 c N,所以設置的張力范圍為小于100表示張力過小,停機,亮綠燈;100～400為可調范圍,250為預設張力;大于400表示張力過大,停機,紅燈亮。對張力傳感器檢測到的張力值進行判斷,不同的張力狀態對應不同的電機轉速,PWM越大,電機的速度就越快,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

設計使用定時器與計數器相結合的方法測量電機轉速。外部中斷計數子程序,對電機輸出的脈沖數進行計算。定時器子程序提供時間的計算。電機轉速計算流程如圖5所示。

圖5 電機轉速計算流程

3.2 程序編寫及編譯

Keil C51軟件為設計所使用的AT89S52提供了一個穩定可靠的單片機語言編寫環境,操作簡單。

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、模數轉化子程序、延時子程序、定時器子程序、計數器子程序、顯示子程序。主程序調用子程序,并實施張力的調節。

Keil C51的工作界面如圖6所示。

圖6 Keil C51的工作界面

3.3 控制系統仿真

Proteus不僅可以進行硬件電路圖的設計,并且可以把編寫好的程序燒寫進單片機進行控制系統仿真。就連外掛的元器件,甚至測量儀器也能很穩定地模擬。系統仿真界面如圖7所示。

圖7 Proteus的工作界面

4 系統搭建與結果分析

4.1 系統搭建

結合實驗室現有的搭建條件,并為了使實驗現象更加穩定和直觀,以可調電壓源模擬張力傳感器輸出的0～5 V電壓,可以準確調節電壓值的大小。調節電壓觀察電機轉速的變化。

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。搭建好的實驗工作臺如圖8所示。

圖8 實驗工作臺

4.2 結果與分析

數碼管顯示張力,下方數碼管顯示轉速,隨著紗線張力的變化,電機的轉速也在不斷變化。如果張力變化值超出可調范圍,電機停機,報警燈亮。

5 結束語

當紗線張力發生變化時,槽筒電機的轉速會隨之得到調整,從而保證紗線張力恒定,設計達到了預期的控制要求。設計不僅適用于絡筒機的紗線張力控制,對于其他需要進行張力控制的設備,可結合設備的工藝要求,進行適當硬件修改和軟件升級,即可滿足相應的控制要求。因此,實用范圍較為廣泛。