专利名称：一种缠绕成型中纤维张力的力矩限控制系统及方法
技术领域：
本发明涉及的是缠绕成型中纤维张力控制的技术领域。
背景技术：
在造纸、塑料和印染等行业中都需要进行张力控制。然而这些行业中的张力控制一般都是在较低的恒速条件下进行的，因此对张力控制系统的响应速度要求不高。但缠绕成型中的纤维张力控制不同于其他行业。由于纤维缠绕是变速缠绕，由此伴随着纤维缠绕张力变化频率较高、幅值较大，需要纤维张力控制系统和张力执行件具有较高的响应速度，以快速跟随纤维张力的变化。随着数字交流伺服电机技术的成熟和发展，作为一种响应速度较高的执行件，交流伺服电机逐渐开始应用于纤维张力控制中。目前已有的以交流伺服电机为执行件的张力控制系统，伺服电机是工作在速度方式下的，即伺服电机处在正转送纱状态，纤维缠绕速度变化很快，控制系统的控制参数很难调节。如果想要跟踪速度快，就需较大的增益，则系统不稳定，很容易震荡；如果降低增益，则系统响应速度受到影响，跟踪误差值较大。
发明内容
本发明针对现有技术张力控制系统中交流伺服电机作为执行件，由于纤维缠绕速度变化很快，控制系统的控制参数很难调节，控制系统存在快速性和稳定性矛盾的问题(速度快则系统不稳，系统稳则速度慢跟踪误差大)，进而提供一种缠绕成型中纤维张力的力矩限控制系统及方法。
本发明的缠绕成型中纤维张力的力矩限控制系统包括可编程控制器1、D/A转换器2、伺服电机驱动器3、伺服电机4、A/D转换器10和张力传感器5；可编程控制器1的数字信号输出端连接在D/A转换器2的数字信号输入端；D/A转换器2的模拟信号输出端连接在伺服电机驱动器3的模拟信号输入端；伺服电机驱动器3驱动输出端连接在伺服电机4驱动输入端；伺服电机4的转轴8同步传动连接纤维纱团6的轴；纤维纱团6上的纤维7穿过张力传感器5后导出并缠绕在芯模9上；张力传感器5的检测信号输出端连接A/D转换器10的信号输入端，A/D转换器10的数据输出端连接可编程控制器1的检测数据输入端。
本发明所述缠绕成型中纤维张力的力矩限控制方法的步骤为一、设置伺服电机驱动器3的属性，使伺服电机4的旋转驱动磁场的作用方向与纤维纱团6导出纤维7时的旋转方向相反；二、可编程控制器1通过D/A转换器2、伺服驱动器3按最初张力要求设定伺服电机4的力矩限；三、纤维纱团6导出纤维7时，纤维7拉动纤维纱团6转动，并同时带动伺服电机4的转轴8同步同向转动，由于力矩限的限定及伺服电机4的旋转驱动磁场的作用方向与纤维纱团6导出纤维7时的旋转方向相反，使导出纤维7时的张力值受到可编程控制器1的控制；四、传感器5检测到张力值变化时，即纤维纱团6半径减小或外作用力变化时，张力传感器5将检测到的实时张力值信号反馈到可编程控制器1中，可编程控制器1进行PID运算，即控制伺服电机4内部的反向旋转磁场的力矩输出量，对伺服电机4的力矩限进行实时调整，而实现张力闭环实时控制，使其大小与设定值保持一致。
本发明解决了缠绕成型控制系统快速性和稳定性的矛盾；以伺服电机力矩限作为控制对象，很好的解决了系统稳定性问题；而通过增大系统增益使系统响应速度和跟踪误差又得到较大改善。本发明比现有技术还具有响应时间短，回纱能力强、精度高及稳定性好的特点。
图1是本发明的整体电路结构示意图；图2是图1中伺服电机4和纤维纱团6的右视图；图3的是本发明纤维张力的力矩限控制方法流程图；图4是本发明力矩限控制方法的步骤四中所述PID算法的流程图。
具体实施例方式
具体实施方式
一结合图1、图2和图3具体说明本实施方式，本实施方式的力矩限控制系统由可编程控制器1、D/A转换器2、伺服电机驱动器3、伺服电机4、A/D转换器10和张力传感器5组成；可编程控制器1的数字信号输出端连接在D/A转换器2的数字信号输入端；D/A转换器2的模拟信号输出端连接在伺服电机驱动器3的模拟信号输入端；伺服电机驱动器3驱动输出端连接在伺服电机4驱动输入端；伺服电机4的转轴8同步传动连接纤维纱团6的轴；纤维纱团6上的纤维7穿过张力传感器5后导出并缠绕在芯模9上；张力传感器5的检测信号输出端连接A/D转换器10的信号输入端，A/D转换器10的数据输出端连接可编程控制器1的检测数据输入端。
所述可编程控制器1选用的型号为松下FP2；D/A转换器2所选设备为与松下FP2上配套D/A转换模块；A/D转换器2所选设备为与松下FP2上配套A/D转换模块；伺服电机4及伺服电机驱动器3选用的型号为松下MSMA082A；张力传感器5选用的型号为mavin公司NBA-10kg。
本发明力矩限控制系统中所述伺服电机与纤维纱团的同步传动连接方式，还可以是并轴传动连接，如齿轮传动、皮带传动或链条传动连接模式。
本实施方式的缠绕成型中纤维张力的力矩限控制方法步骤为一、设置伺服电机驱动器3的属性，使伺服电机4的旋转驱动磁场的作用方向与纤维纱团6导出纤维7时的旋转方向相反；二、可编程控制器1通过D/A转换器2、伺服驱动器3按最初张力要求设定伺服电机4的力矩限；三、纤维纱团6导出纤维7时，纤维7拉动纤维纱团6转动，并同时带动伺服电机4的转轴8同步同向转动，由于力矩限的限定及伺服电机4的旋转驱动磁场的作用方向与纤维纱团6导出纤维7时的旋转方向相反，使导出纤维7时的张力值受到可编程控制器1的控制；四、传感器5检测到张力值变化时，即纤维纱团6半径减小或外作用力变化时，张力传感器5将检测到的实时张力值信号反馈到可编程控制器1中，可编程控制器1进行PID运算，即控制伺服电机4内部的反向旋转磁场的力矩输出量，对伺服电机4的力矩限进行实时调整，而实现张力闭环实时控制，使其大小与设定值保持一致。
具体实施方式
二结合图4具体说明本实施方式，在具体实施方式
一中所述的PID算法的步骤为开始程序00；取设定值r(k)和测量值y(k)01；偏差值e(k)＝r(k)-y(k)02；取e(k)绝对值和e0进行比较03；如果e(k)绝对值小于等于e0，则输出值u(k)＝Ae(k)+g(k-1)04；g(k)＝u(k)-Be(k)+Ce(k-1)05；得出u(k)并输出08；如果e(k)绝对值大于e0，则输出值u(k)＝A′e(k)-f(k-1)06，f(k)＝B′e(k)07；得出u(k)并输出08；将g(k)存入g(k-1)、f(k)存入f(k-1)、e(k)存入e(k-1)以备下次循环时调用09；返回程序开始端10。
注在程序中，e0为偏差门限，防止控制量超过执行机构的最大行程；k为采样序号；u(k)为第k次采样时刻的计算机输出值；e(k)为第k次采样时刻输入的偏差值；e(k-1)为第k-1次采样时刻输入的偏差值；A、B|、C、A’、B’为关于比例系数，积分系数和微分系数的常数。
权利要求
1.一种缠绕成型中纤维张力的力矩限控制系统，其特征在于它包括可编程控制器(1)、D/A转换器(2)、伺服电机驱动器(3)、伺服电机(4)、A/D转换器(10)和张力传感器(5)；可编程控制器(1)的数字信号输出端连接在D/A转换器(2)的数字信号输入端；D/A转换器(2)的模拟信号输出端连接在伺服电机驱动器(3)的模拟信号输入端；伺服电机驱动器(3)驱动输出端连接在伺服电机(4)驱动输入端；伺服电机(4)的转轴(8)同步传动连接纤维纱团(6)的轴；纤维纱团(6)上的纤维(7)穿过张力传感器(5)后导出并缠绕在芯模(9)上；张力传感器(5)的检测信号输出端连接A/D转换器(10)的信号输入端，A/D转换器(10)的数据输出端连接可编程控制器(1)的检测数据输入端。
2.一种缠绕成型中纤维张力的力矩限控制方法，其特征在于它的控制步骤为(一)、设置伺服电机驱动器(3)的属性，使伺服电机(4)的旋转驱动磁场的作用方向与纤维纱团(6)导出纤维(7)时的旋转方向相反；(二)、可编程控制器(1)通过D/A转换器(2)、伺服驱动器(3)按最初张力要求设定伺服电机(4)的力矩限；(三)、纤维纱团(6)导出纤维(7)时，纤维(7)拉动纤维纱团(6)转动，并同时带动伺服电机(4)的转轴(8)同步同向转动，由于力矩限的限定及伺服电机(4)的旋转驱动磁场的作用方向与纤维纱团(6)导出纤维(7)时的旋转方向相反，使导出纤维(7)时的张力值受到可编程控制器(1)的控制；(四)、传感器(5)检测到张力值变化时，即纤维纱团(6)半径减小或外作用力变化时，张力传感器(5)将检测到的实时张力值信号通过A/D转换器(10)反馈到可编程控制器(1)中，可编程控制器(1)进行PID运算，即控制伺服电机(4)内部的反向旋转磁场的力矩输出量，对伺服电机(4)的力矩限进行实时调整，而实现张力闭环实时控制，使其大小与设定值保持一致。
3.根据权利要求2所述的一种缠绕成型中纤维张力的力矩限控制方法，其特征在于所述的PID算法的步骤为开始程序(00)；取设定值r(k)和测量值y(k)(01)；偏差值e(k)＝r(k)-y(k)(02)；取e(k)绝对值和e0进行比较(03)；如果e(k)绝对值小于等于e0，则输出值u(k)＝Ae(k)+g(k-1)(04)；g(k)＝u(k)-Be(k)+Ce(k-1)(05)；得出u(k)并输出(08)；如果e(k)绝对值大于e0，则输出值u(k)＝A′e(k)-f(k-1)(06)，f(k)＝B′e(k)(07)；得出u(k)并输出(08)；将g(k)存入g(k-1)、f(k)存入f(k-1)、e(k)存入e(k-1)以备下次循环时调用(09)；返回程序开始端(10)。注在程序中，e0为偏差门限，防止控制量超过执行机构的最大行程；k为采样序号；u(k)为第k次采样时刻的计算机输出值；e(k)为第k次采样时刻输入的偏差值；e(k-1)为第k-1次采样时刻输入的偏差值；A、B|、C、A’、B’为关于比例系数，积分系数和微分系数的常数。
全文摘要
一种缠绕成型中纤维张力的力矩限控制系统及方法，它涉及的是缠绕成型中纤维张力控制的技术领域，它是为了克服现有技术张力控制系统中，控制参数很难调节让系统快速性和稳定性矛盾的问题。本系统中的可编程控制器(1)接D/A转换器(2)、A/D转换器(10)和张力传感器(5)；伺服电机驱动器(3)接D/A转换器(2)和伺服电机(4)；伺服电机(4)同步传动纤维纱团(6)；纤维(7)穿过张力传感器(5)导出。其方法为(一)、伺服电机(4)的旋转驱动磁场的作用方向与纤维纱团(6)导出纤维(7)时的旋转方向相反；(二)、设定伺服电机(4)的力矩限；(三)、导出纤维(7)时的张力值受可编程控制器(1)控制，(四)、PID算法对伺服电机(4)的力矩限实时调整。本发明解决了控制系统快速性和稳定性的矛盾。
文档编号G05B11/42GK1916802SQ200610010470
公开日2007年2月21日 申请日期2006年8月31日 优先权日2006年8月31日
发明者王永章, 韩德东, 路华, 韩振宇, 富宏亚, 付云忠, 任胜乐 申请人:哈尔滨工业大学