CN109626112B - 一种电子往复式交叉卷绕系统速度协同控制方法 - Google Patents

一种电子往复式交叉卷绕系统速度协同控制方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种电子往复式交叉卷绕系统速度协同控制方法，上述方法不仅包含卷绕电机和横动电机转速闭环控制，还包含卷绕电机和横动电机转速的同步闭环控制，使卷绕电机转速和横动电机转速具有良好动态跟随性的同时还具有优良的整体同步性能。相对于现有技术，解决了在卷绕电机和/或横动电机受到干扰或者出现速度波动时，卷绕比会产生突变的问题，使精密卷绕或分级精密卷绕的某一级卷绕比在交叉卷装筒子卷绕过程中保持恒定，增大交叉卷装筒子的卷装密度，明显改善筒子密度均匀性，提高交叉卷装筒子质量和高速退绕性能，提升卷绕设备的运行稳定性，具有重要实际应用价值。

Description

一种电子往复式交叉卷绕系统速度协同控制方法
技术领域
本发明涉及纺织领域的导纱控制技术，特别是一种电子往复式交叉卷绕系统速度协同控制方法。
背景技术
交叉卷绕包括随机卷绕、精密卷绕和分级精密卷绕三种形式。随机卷绕过程中纱线往复速度和交叉卷绕筒子圆周速度比例保持不变，即卷绕角保持不变，卷绕比（每分钟交叉卷绕筒子转速和横动导纱器往复次数的比值）随着筒子直径增大而减小，卷绕过程中会出现纱线重叠，影响筒子退绕；精密卷绕过程中卷绕比保持不变，而卷绕角随着交叉卷绕筒子直径增大而减小；分级精密卷绕是随机卷绕和精密卷绕的组合形式，在某一级精密卷绕过程中，在保持卷绕比不变的前提下，卷绕角在允许的范围内逐渐减小，当卷绕角减小到一个允许的最小值时，卷绕角跳回允许的最大值，且卷绕比突变到一个较小值，进入下一级精密卷绕，由此获得卷绕角近似恒定、卷绕比随筒子直径增大而逐级减小的交叉卷绕筒子。精密卷绕和分级精密卷绕避免了纱线重叠，在相同筒子体积的条件下可以获得比随机卷绕高的络纱速度、高的卷绕密度以及更大的绕行长度。因此，近年来精密卷绕和分级精密卷绕被广泛应用于交叉卷绕筒子的生产。
目前，纺织工程领域高档络筒设备，如松式络筒机、并纱机、加弹机等卷绕设备均采用电子往复式精密卷绕或分级精密卷绕技术，纱线的轴向往复运动由横动电机控制，可实现高速、高效、高容量和高质量的交叉卷绕筒子，满足后道工序高速退绕以及染色等的要求。
通过上述介绍可知，三种卷绕形式均与交叉卷绕筒子速度和纱线往复速度/导纱器往复运动频次直接相关。在电子往复式络筒设备中，交叉卷绕筒子的速度取决于卷绕电机的速度，纱线往复速度或导纱器往复运动频次由横动电机控制（为了表述方便，纱线往复速度或导纱器往复运动频次下文中统一表述为：横动电机转速）。目前交叉卷绕筒子的实现方法是通过对卷绕电机转速和横动电机转速两个独立通道的闭环控制来实现精密卷绕或分级精密卷绕的某一级卷绕比恒定。这种方法控制结构简单，但是当其中一个电机或两个电机同时受到干扰或者出现速度波动时，另一个电机无法适时做出相应调整，导致卷绕比产生突变，影响交叉卷装筒子的卷装密度和密度均匀性，降低交叉卷装筒子质量，甚至影响退绕性能。
发明内容
为了解决上述问题，本发明提供一种电子往复式交叉卷绕系统速度协同控制方法，当卷绕电机或/和横动电机转速受到干扰或者出现速度波动时，另一个电机可以同步完成相应调整，使精密卷绕或分级精密卷绕的某一级卷绕比保持恒定，改善交叉卷装筒子的卷装密度和均匀性、改善筒子成型、提高交叉卷装筒子质量和退绕性能，提高卷绕设备的运行稳定性。
本发明实现上述目的的技术方案为：
1.提供一种电子往复式交叉卷绕系统速度协同控制方法，该方法的特征在于：
A．电子往复式交叉卷绕系统至少包括带位置编码器的卷绕电机、卷绕电机控制器、卷绕电机驱动器和带位置编码器的横动电机、横动电机控制器、横动电机驱动器以及上位机、通信模块、电源模块、掉电存储模块、直径传感器、信号输入输出模块；
进一步，所述卷绕电机的类型可以是交流异步电机、无刷直流电机和永磁同步电机中的任一种；
进一步，所述横动电机可以是小惯量步进电机或者超小惯量步进电机中的任一种类型。
B. 所述控制方法包括卷绕电机转速闭环控制和横动电机转速闭环控制，实现卷绕电机和横动电机的良好动态跟随性；
进一步，所述卷绕电机转速闭环控制由卷绕电机目标转速、自适应PID控制器1、矢量控制算法、卷绕电机驱动器、卷绕电机和卷绕电机位置编码器构成，使卷绕电机当前转速能够实时跟随目标转速变化，使卷绕电机具备良好的动态跟随性。
进一步，所述横动电机转速闭环控制由横动电机目标转速、自适应PID控制器2、高性能多细分矢量控制算法、横动电机驱动器、横动电机和横动电机位置编码器构成，使横动电机当前转速能够实时跟随目标转速变化，使横动电机具备良好的动态跟随性。
C. 所述控制方法还包括卷绕电机转速和横动电机转速的同步闭环控制，实现卷绕电机和横动电机的整体协同控制；
进一步，所述卷绕电机和横动电机转速的同步闭环控制环节，将卷绕电机与横动电机的同步误差乘以适当的比例因子后作为速度补偿信号，分别与卷绕电机的跟踪误差和横动电机的跟踪误差求和后作为自适应PID控制器的输入，卷绕电机自适应PID控制器1的输出通过卷绕电机控制器中嵌入的矢量控制算法获得相应的PWM脉冲信号，PWM脉冲信号再通过卷绕电机驱动器控制卷绕电机运行；同时，横动电机自适应PID控制器2的输出通过横动电机控制器中嵌入的高性能多细分矢量控制算法获得相应的PWM脉冲信号，PWM脉冲信号再通过横动电机驱动器控制横动电机运行，最终实现对卷绕电机和横动电机的整体协同控制。
2.本发明提供的一种电子往复式交叉卷绕系统速度协同控制方法，还包括以下步骤：
S1.上位机工艺参数设定；
S2.卷绕电机控制器通过通信模块接收上位机工艺参数或者从交叉卷绕系统掉电存储模块读入卷绕工艺参数；
S3.卷绕电机控制器利用嵌入其内的分级精密卷绕工艺算法，根据接收到的卷绕工艺参数完成各级精密卷绕比Ji和跳跃卷装直径di（其中，i是精密卷绕的级数i=[1,N],i为整数，若i=1则为精密卷绕）的计算；
S4.获得直径传感器信息，通过信号输入输出模块送至卷绕电机控制器；
S5.卷绕电机控制器确定当前直径下的卷绕比Ji并根据设定工艺参数计算卷绕电机目标转速n* Ji；
S6.根据卷绕电机的目标转速n* Ji和相应卷绕比Ji，计算该级精密卷绕阶段横动电机目标转速n* Hi和卷绕电机与横动电机目标转速差e* JHi，并将计算结果通过通信模块发送至横动电机控制器；
S7.卷绕电机控制器通过信号输入输出模块获得卷绕电机位置编码信息，计算卷绕电机当前转速nJi和卷绕电机转速跟踪误差，横动电机控制器通过信号输入输出模块获得横动电机位置编码信息，计算横动电机转速nHi和横动电机转速跟踪误差，并将横动电机转速nHi通过通信模块发送给卷绕电机控制器；
S8.卷绕电机控制器计算同步误差εJHi，并将同步误差εJHi通过通信模块传送给横动电机控制器；
S9.将卷绕电机转速的跟踪误差和同步误差εJHi作为卷绕电机自适应PID控制器1的输入，卷绕电机自适应PID控制器的输出通过卷绕电机控制器中嵌入的控制算法获得相应PWM脉冲信号，由卷绕电机驱动器根据PWM脉冲信号驱动卷绕电机运行；同时将横动电机转速的跟踪误差和同步误差作为横动电机自适应PID控制器2的输入，横动电机自适应PID控制器的输出通过横动电机控制器中嵌入的控制算法获得相应PWM脉冲信号，由横动电机驱动器根据PWM脉冲信号驱动横动电机运行，实现卷绕电机和横动电机转速的协同控制；
S10.获得直径传感器信息，通过信号输入输出模块送至卷绕电机控制器，并判断当前卷装筒子直径是否达到di+1，
若是，返回S5；
若否，返回S11；
S11.判断卷装筒子是否达到设定卷装直径或者设定长度，
若是，执行S12；
若否，执行S7；
S12. 卷绕电机和横动电机制动，停止运行，卷装完成。
本发明的有益效果是：本发明采用的一种电子往复式交叉卷绕系统速度协同控制方法除了包含卷绕电机转速和横动电机转速两个闭环通道外，还包含卷绕电机转速和横动电机转速的同步闭环控制，不仅使卷绕电机转速和横动电机转速具有良好的动态跟随性，而且使卷绕电机和横动电机转速具有优良的整体同步性能。相对于现有技术，解决了在卷绕电机和/或横动电机受到干扰或者出现速度波动时，卷绕比产生突变的问题，使精密卷绕或分级精密卷绕的某一级卷绕比在交叉卷装筒子卷绕过程中保持恒定，增大交叉卷装筒子的卷装密度，明显改善筒子密度均匀性，提高交叉卷装筒子质量和高速退绕性能，提升卷绕设备的运行稳定性。
附图说明
图1 本发明所述电子往复式交叉卷绕系统基本结构示意图；
图2 本发明所述控制方法第i级精密卷绕（i=1:N）阶段的控制结构框图；
图3本发明所述电子往复式交叉卷绕系统速度协同控制方法流程图。
具体实施方式
下面结合附图和优选实施例对本发明进一步描述。
本发明所述电子往复式交叉卷绕系统至少包括卷绕电机6、卷绕电机位置编码器11、卷绕电机控制器13、卷绕电机驱动器5和横动电机10、横动电机位置编码器12、横动电机控制器16、横动电机驱动器9以及上位机23、通信模块24、电源模块26、掉电存储模块22、直径传感器19和信号输入输出模块25，如图1所示。
进一步，所述卷绕电机6可以是交流异步电机、无刷直流电机和永磁同步电机中的任一种类型，作为一种优选实施例卷绕电机6采用成本低廉的三相交流异步电机。
进一步，所述横动电机10可以是小惯量步进电机或者超小惯量步进电机中的任一种类型，作为一种优选实施例横动电机10采用超小惯量步进电机。
参照图2所示，本发明所述控制方法不仅包括卷绕电机6的转速闭环控制(虚线框1中所包含的实线部分)和横动电机10的转速闭环控制(虚线框2中所包含的实线部分)，还包括卷绕电机6和横动电机10转速的同步闭环控制环节，如图2中虚线部分所示。
进一步，所述卷绕电机6转速闭环控制(图2虚线框1中所包含的实线部分)由卷绕电机目标转速n* Ji、自适应PID控制器3、矢量控制4、驱动器5、卷绕电机6和卷绕电机位置编码器11构成，使卷绕电机6当前转速nJi能够跟随目标转速n* Ji变化，使卷绕电机6的跟踪误差（n* Ji-nJi）趋近于零。
进一步，所述横动电机10转速闭环控制(图2虚线框2中所包含的实线部分)由横动电机目标转速n* Hi、自适应PID控制器7、高性能多细分矢量控制8、驱动器9、横动电机10和横动电机位置编码器12构成，使横动电机10当前转速nHi能够跟随目标转速n* Hi变化，使横动电机10的跟踪误差（n* Hi-nHi）趋近于零，具备良好的动态跟随性。
其中，横动电机10目标转速n* Hi=n* Ji/Ji, Ji为第i级精密卷绕的卷绕比。
进一步，所述卷绕电机6和横动电机10转速的同步闭环控制环节（图2中虚线部分所示）将卷绕电机6与横动电机10的同步误差εJHi乘以适当的比例因子后作为速度补偿信号，分别与卷绕电机6的跟踪误差和横动电机10的跟踪误差求和后作为自适应PID控制器3和自适应PID控制器7的输入，自适应PID控制器3的输出通过卷绕电机控制器中嵌入的矢量控制算法4获得相应的PWM脉冲信号，PWM脉冲信号再通过卷绕电机驱动器5控制卷绕电机6运行；同时，自适应PID控制器7的输出通过横动电机控制器中嵌入的高性能多细分矢量控制算法8获得相应的PWM脉冲信号，PWM脉冲信号再通过横动电机驱动器9控制横动电机10运行，最终使卷绕电,6和横动电机10的同步误差εJHi趋近于0，实现对卷绕电机6和横动电机10的整体协同控制。
其中，卷绕电机6与横动电机10的同步误差εJHi为：
εJHi=e* JHi+nJi-nHi ；
e* JHi= n* Ji - n* Hi。
在上述电子往复式交叉卷绕系统中，本发明提供的速度协同控制方法还包括以下步骤，如图3所示：
S1.上位机23工艺参数设定；
S2.卷绕电机控制器13通过通信模块24接收上位机23工艺参数或者从交叉卷绕系统掉电存储模块22读入卷绕工艺参数；
S3.卷绕电机控制器13利用嵌入其内的分级精密卷绕工艺算法，根据接收到的卷绕工艺参数完成各级精密卷绕比Ji和跳跃卷装直径di（其中，i是精密卷绕的级数i=[1,N],i为整数，若i=1则为精密卷绕）的计算；
S4.获得直径传感器19信息，通过信号输入输出模块25送至卷绕电机控制器13；
S5.卷绕电机控制器13确定当前直径下的卷绕比Ji并根据设定工艺参数计算卷绕电机6目标转速n* Ji；
S6.根据卷绕电机6的目标转速n* Ji和相应卷绕比Ji，计算该级精密卷绕阶段横动电机10目标转速n* Hi和卷绕电机6与横动电机10的目标转速差e* JHi，并将计算结果通过通信模块24发送至横动电机控制器16；
S7.卷绕电机控制器13通过信号输入输出模块25获得卷绕电机位置编码11信息，计算卷绕电机6当前转速nJi和卷绕电机6转速跟踪误差，横动电机控制器16通过信号输入输出模块25获得横动电机位置编码12信息，计算横动电机10转速nHi和横动电机10转速跟踪误差，并将横动电机10转速nHi通过通信模块24发送给卷绕电机控制器13；
S8.卷绕电机控制器13计算同步误差εJHi，并将同步误差εJHi通过通信模块24传送给横动电机控制器16；
S9.将卷绕电机6转速的跟踪误差和同步误差εJHi作为自适应PID控制器3的输入，自适应PID控制器3的输出通过卷绕电机控制器13中嵌入的三相交流异步电机矢量控制算法4获得相应PWM脉冲信号，由卷绕电机驱动器5根据PWM脉冲信号驱动卷绕电机6运行；同时将横动电机10转速的跟踪误差和同步误差ε’ JHi(ε’ JHi=εJHi/Ji)作为自适应PID控制器7的输入，自适应PID控制器7的输出通过横动电机控制器16中嵌入的步进电机高性能多细分控制算法8获得相应PWM脉冲信号，由横动电机驱动器9根据PWM脉冲信号驱动横动电机10运行，实现卷绕电机6和横动电机10转速的协同控制；
S10.获得直径传感器19信息，通过信号输入输出模块25送至卷绕电机控制器13，并判断当前卷装筒子直径是否达到di+1，
若是，返回S5；
若否，返回S11；
S11.判断卷装筒子是否达到设定卷装直径或者设定长度，
若是，执行S12；
若否，执行S7；
S12. 卷绕电机6和横动电机10制动，停止运行，卷装完成。
采用本发明的一种电子往复式交叉卷绕系统速度协同控制方法，可以有效避免当卷绕电机或/和横动电机转速受到干扰或者速度出现波动时，精密卷绕或分级精密卷绕的某一级卷绕比产生突变的问题，使精密卷绕或分级精密卷绕的某一级卷绕比在卷装筒子卷绕过程中保持恒定，增大卷装筒子的卷装密度，明显改善筒子密度均匀性，提高交叉卷装筒子质量和高速退绕性能，显著提升卷绕设备的运行稳定性。
以上的实施例仅仅是对本发明的优选实施方式进行描述，并非对本发明的范围进行限定，在不脱离本发明设计精神的前提下，本领域普通工程技术人员对本发明的技术方案作出的各种变形和改进，均应落入本发明的权利要求书确定的保护范围内。

Claims (5)

1.一种电子往复式交叉卷绕系统速度协同控制方法，该电子往复式交叉卷绕系统至少包括带位置编码器的卷绕电机、卷绕电机控制器、卷绕电机驱动器和带位置编码器的横动电机、横动电机控制器、横动电机驱动器以及上位机、通信模块、电源模块、直径传感器和信号输入输出模块；所述电子往复式交叉卷绕系统速度协同控制方法，其特征在于：所述电子往复式交叉卷绕系统还包括掉电存储模块，所述控制方法包括卷绕电机转速闭环控制和横动电机转速闭环控制以及卷绕电机转速和横动电机转速的同步闭环控制，实现对卷绕电机和横动电机的整体协同控制。
2.基于权利要求1所述的电子往复式交叉卷绕系统速度协同控制方法，其特征在于：所述卷绕电机的类型可以是交流异步电机、无刷直流电机和永磁同步电机中的任一种；所述横动电机可以是小惯量步进电机或者超小惯量步进电机中的任一种类型。
3.基于权利要求1所述的电子往复式交叉卷绕系统速度协同控制方法，其特征在于：所述卷绕电机转速闭环控制由卷绕电机目标转速、自适应PID控制器1、矢量控制算法、卷绕电机驱动器、卷绕电机和卷绕电机位置编码器构成，使卷绕电机当前转速能够实时跟随目标转速变化；所述横动电机转速闭环控制由横动电机目标转速、自适应PID控制器2、高性能多细分矢量控制算法、横动电机驱动器、横动电机和横动电机位置编码器构成，使横动电机当前转速能够实时跟随目标转速变化。
4.基于权利要求1所述的电子往复式交叉卷绕系统速度协同控制方法，其特征在于：所述卷绕电机和横动电机转速的同步闭环控制，将卷绕电机与横动电机的同步误差乘以适当的比例因子后作为速度补偿信号，分别与卷绕电机的跟踪误差和横动电机的跟踪误差求和后作为自适应PID控制器的输入，卷绕电机自适应PID控制器1的输出通过卷绕电机控制器中嵌入的控制算法获得相应的PWM脉冲信号，PWM脉冲信号再通过卷绕电机驱动器控制卷绕电机运行；同时，横动电机自适应PID控制器2的输出通过横动电机控制器中嵌入的控制算法获得相应的PWM脉冲信号，PWM脉冲信号再通过横动电机驱动器控制横动电机运行，最终实现对卷绕电机和横动电机的整体协同控制。
5.基于权利要求1～４中任一项所述的速度协同控制方法，其特征在于：还包括以下步骤：
S1.上位机工艺参数设定；
S2.卷绕电机控制器通过通信模块接收上位机工艺参数或者从交叉卷绕系统掉电存储模块读入卷绕工艺参数；
S3.卷绕电机控制器利用嵌入其内的分级精密卷绕工艺算法，根据接收到的卷绕工艺参数完成各级精密卷绕比Ji和跳跃卷装直径di（其中，i是精密卷绕的级数i=[1,N],i为整数，若i=1则为精密卷绕）的计算；
S4.获得直径传感器信息，通过信号输入输出模块送至卷绕电机控制器；
S5.卷绕电机控制器确定当前直径下的卷绕比Ji并根据设定工艺参数计算卷绕电机目标转速n* Ji；
S6.根据卷绕电机的目标转速n* Ji和相应卷绕比Ji，计算该级精密卷绕阶段横动电机目标转速n* Hi和卷绕电机与横动电机目标转速差e* JHi，并将计算结果通过通信模块发送至横动电机控制器；
S7.卷绕电机控制器通过信号输入输出模块获得卷绕电机位置编码信息，计算卷绕电机当前转速nJi和卷绕电机转速跟踪误差，横动电机控制器通过信号输入输出模块获得横动电机位置编码信息，计算横动电机转速nHi和横动电机转速跟踪误差，并将横动电机转速nHi通过通信模块发送给卷绕电机控制器；
S8.卷绕电机控制器计算同步误差εJHi，并将同步误差εJHi通过通信模块传送给横动电机控制器；
S9.将卷绕电机转速的跟踪误差和同步误差εJHi作为卷绕电机自适应PID控制器的输入，卷绕电机自适应PID控制器的输出通过卷绕电机控制器中嵌入的控制算法及卷绕电机驱动器驱动卷绕电机运行；同时将横动电机转速的跟踪误差和同步误差作为横动电机自适应PID控制器的输入，横动电机自适应PID控制器的输出通过横动电机控制器中嵌入的控制算法及横动电机驱动器驱动横动电机运行，实现卷绕电机和横动电机转速的协同控制；
S10.获得直径传感器信息，通过信号输入输出模块送至卷绕电机控制器，并判断当前卷装筒子直径是否达到di+1，
若是，返回S5；
若否，返回S11；
S11.判断卷装筒子是否达到设定卷装直径或者设定长度，
若是，执行S12；
若否，执行S7；
S12. 卷绕电机和横动电机制动，停止运行，卷装完成。
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高速卷绕头的精密卷绕控制;刘广喜等;《纺织机械》;20130330(第3期);第11-13页 *

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