CN112376157A - 一种提花小圆机的高精度控制系统及控制方法 - Google Patents

一种提花小圆机的高精度控制系统及控制方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种提花小圆机的高精度控制系统，包括上位机，上位机通讯连接主控芯片，主控芯片通讯连接步进电机，步进电机电性连接霍尔传感器，霍尔传感器通讯连接主控芯片，步进电机通过皮带传动连接送纱器。本发明该公开了其高精度控制方法，具体为：上位机发送织物花型指令，主控芯片对指令进行处理分析，将速度命令发送给步进电机，按给定的速度带动传动皮带完成送纱；霍尔传感器进行采样并将采集到的步进电机实时速度反馈给主控芯片；主控芯片对步进电机实时速度进行谐波识别并计算补偿曲线，将新的命令发送给步进电机，并进行工作。采用速度阻尼控制算法可以一定程度上的减小速度波动，对高次谐波进行补偿，使电机运行更加稳定。

Description

一种提花小圆机的高精度控制系统及控制方法
技术领域
本发明属于纺织机械技术领域，具体涉及一种提花小圆机的高精度控制系统，还涉及提花小圆机的高精度控制方法。
背景技术
由于纺织行业的高速发展，纺织工艺日益提高，纱线张力作为纺纱工艺中的关键技术,纱线张力控制精度越高，纱线之间张力误差越小，织物质量越高。在给纱过程使各成圈系统的线圈长度趋于一致，给纱张力较均匀，可以有效控制编织密度和提高打底裤的外观及质量。解决纺纱张力不均的问题已经成为我国纺织工业设备水平能否提高的关键之一。
发明内容
本发明的目的是提供一种提花小圆机的高精度控制系统，解决了现有技术中存在的送纱器张力不均的问题。
本发明的另一目的是提供上述提花小圆机的高精度控制方法。
本发明所采用的第一技术方案是，一种提花小圆机的高精度控制系统，包括上位机，上位机通过RS485接口通讯连接主控芯片，主控芯片通过RS485接口通讯连接步进电机，步进电机电性连接霍尔传感器，霍尔传感器通过RS485接口通讯连接主控芯片，步进电机通过皮带传动连接送纱器。
本发明的特点还在于，
主控芯片的型号为STM32F407。
霍尔传感器的型号为AS5040。
本发明所采用的第二技术方案是，一种提花小圆机的高精度控制方法，具体按照以下步骤实施：
步骤1，上位机发送织物花型指令，主控芯片对织物花型指令进行处理分析，将速度命令发送给步进电机，控制步进电机按给定的速度带动传动皮带完成送纱；
步骤2，霍尔传感器进行采样并将采集到的步进电机实时速度反馈给主控芯片；
步骤3，主控芯片对步进电机实时速度进行谐波识别并计算补偿曲线，将新的命令发送给步进电机驱动器，步进电机按新命令进行工作。
本发明的特点还在于，
步骤3中，具体为：
步骤3.1，主控芯片将步进电机实时速度采用快速傅里叶变换算法，对高次谐波进行识别，得到频谱分析图，频谱分析图中每一个相位对应一个幅值；
其中，进行快速傅里叶变换算法时，采样频率为Fs，信号频率为 F，如式(1)所示，采样点数为N，经过FFT之后的结果为N点的复数，每一个结果对应着一个频率点；
F＝[f1f2 L fs]T (1)；
式(1)中，L为频率数据长度，f1，f2，fs为谐波频率；
步骤3.2，将平铺分析图中的每一个相位和幅值，采用三角函数展开，将幅值和相位的数组转化为sin和cos函数的系数，得到谐波函数，如式(2)所示；
Figure RE-GDA0002852380750000031
式(2)中，y0为初始转速波动，as表示幅值，bs表示相位，Δt表示时间间隔；
步骤3.3，根据每个谐波分量的幅值as和相位bs，建立最优化模型，如式(3)及式(4)所示；
Figure RE-GDA0002852380750000032
y为转速波动；
其中，M为一个4行m列的自变量矩阵，如式(5)所示：
Figure RE-GDA0002852380750000033
把式(3)代入式(5)中，可得X＝[y0 a1 b1 L as bs]；
其中，L为频率数据长度，m表示时间计数，fs为谐波频率，，Δt1，Δt2，Δtm分别表示m时刻的时间间隔。
步骤3.4，经步骤3.3后，采用最小二乘法来求解系数as，bs，如式(6)所示；
X＝(MTM)-1MTy (6)；
根据式(6)求出as，bs后，将as，bs带入式(2)中，求出
Figure RE-GDA0002852380750000041
将求出的
Figure RE-GDA0002852380750000042
和y带入式(3)中，求出补偿部分的转速Δys；
补偿部分的转速Δys如式(7)所示：
Δys＝[1 sin(2πf1Δtm) cos(2πf1Δtm) L sin(2πfsΔtm) cos(2πfsΔtm)] (7)；
各个时间点的值为补偿曲线ΔI，如式(8)所示；
Figure RE-GDA0002852380750000043
其中ΔI为谐波对应的补偿电流，s为计数值，Δθs为Δys对应的角度；
步骤3.5，主控芯片生成电流补偿指令发送给步进电机驱动器，步进电机驱动按给定的速度带动传动皮带完成送纱。
本发明的有益效果是：
(1)本发明的一种提花小圆机的高精度控制方法，相对于细分控制，采用步进电机矢量控制的方法可以精准控制电机的速度和位置，防止电机过冲与失步；
(2)本发明的一种提花小圆机的高精度控制方法，速度阻尼控制算法可以一定程度上的减小速度波动，对高次谐波进行补偿，使电机运行更加稳定；
(3)本发明的一种提花小圆机的高精度控制方法，不改变机械原有结构，性能更优，纱线波动减小，纱线张力更加均匀。
附图说明
图1为本发明一种提花小圆机高精度控制系统的结构框图；
图2为本发明一种提花小圆机高精度控制方法的流程框图。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施方式对本发明进行详细说明。
本发明一种提花小圆机的高精度控制系统，如图1所示，包括上位机，上位机通过RS485接口通讯连接主控芯片，主控芯片通过 RS485接口通讯连接步进电机，步进电机电性连接霍尔传感器，霍尔传感器通过RS485接口通讯连接主控芯片，步进电机通过皮带传动连接送纱器；
主控芯片的型号为STM32F407；霍尔传感器的型号为AS5040；
本发明一种提花小圆机的高精度控制方法，如图2所示，具体按照以下步骤实施：
步骤1，上位机发送织物花型指令，主控芯片对织物花型指令进行处理分析，将速度命令发送给步进电机，控制步进电机按给定的速度带动传动皮带完成送纱；
步骤2，霍尔传感器进行采样并将采集到的步进电机实时速度反馈给主控芯片；
步骤3，主控芯片对步进电机实时速度进行谐波识别并计算补偿曲线，将新的命令发送给步进电机驱动器，步进电机按新命令进行工作；
具体为：
步骤3.1，主控芯片将步进电机实时速度采用快速傅里叶变换算法，得到平铺分析图，平铺分析图中每一个相位对应一个幅值，并对高次谐波进行识别；
其中，进行快速傅里叶变换算法时，采样频率为Fs，信号频率为 F，如式(1)所示，采样点数为N，经过FFT之后的结果为N点的复数，每一个结果对应着一个频率点；
F＝[f1f2 L fs]T (1)；
式(1)中，L为频率数据长度，f1，f2，fs为谐波频率；
步骤3.2，将平铺分析图中的每一个相位和幅值，采用三角函数展开，将幅值和相位的数组转化为sin和cos函数的系数，得到谐波函数，如式(2)所示；
Figure RE-GDA0002852380750000061
式(2)中，y0为初始转速波动，as表示幅值，bs表示相位，Δt表示时间间隔；
步骤3.3，根据每个谐波分量的幅值as和相位bs，建立最优化模型，如式(3)及式(4)所示；
Figure RE-GDA0002852380750000062
y为转速波动；
其中，M为一个4行m列的自变量矩阵，如式(5)所示：
Figure RE-GDA0002852380750000063
把式(3)代入式(5)中，可得X＝[y0 a1 b1 L as bs]；
其中，L为频率数据长度，m表示时间计数，fs为谐波频率，，Δt1，Δt2，Δtm分别表示m时刻的时间间隔。
步骤3.4，经步骤3.3后，采用最小二乘法来求解系数as，bs，如式(6)所示；
X＝(MTM)-1MTy (6)；
根据式(6)求出as，bs后，将as，bs带入式(2)中，求出
Figure RE-GDA0002852380750000071
将求出的
Figure RE-GDA0002852380750000072
和y带入式(3)中，求出补偿部分的转速Δys；
补偿部分的转速Δys如式(7)所示：
Δys＝[1 sin(2πf1Δtm) cos(2πf1Δtm) L sin(2πfsΔtm) cos(2πfsΔtm)] (7)；
各个时间点的值为补偿曲线ΔI，如式(8)所示；
Figure RE-GDA0002852380750000073
其中ΔI为谐波对应的补偿电流，s为计数值，Δθs为Δys对应的角度。
步骤3.5，主控芯片生成电流补偿指令发送给步进电机驱动器，步进电机驱动器驱动按给定的速度带动传动皮带完成送纱。
本发明的一种提花小圆机的高精度控制方法，加入速度阻尼控制后，稳态波动基本消除。结果表明速度阻尼控制对于速度稳态误差有良好的控制效果，改善了步进电机高频振动。

Claims (5)

1.一种提花小圆机的高精度控制系统，其特征在于，包括上位机，所述上位机通过RS485接口通讯连接主控芯片，所述主控芯片通过RS485接口通讯连接步进电机，所述步进电机电性连接霍尔传感器，所述霍尔传感器通过RS485接口通讯连接主控芯片，所述步进电机通过皮带传动连接送纱器。
2.根据权利要求1所述的一种提花小圆机的高精度控制系统，其特征在于，所述主控芯片的型号为STM32F407。
3.根据权利要求1所述的一种提花小圆机的高精度控制系统，其特征在于，所述霍尔传感器的型号为AS5040。
4.一种提花小圆机的高精度控制方法，其特征在于，具体按照以下步骤实施：
步骤1，上位机发送织物花型指令，主控芯片对织物花型指令进行处理分析，将速度命令发送给步进电机，控制步进电机按给定的速度带动传动皮带完成送纱；
步骤2，霍尔传感器进行采样并将采集到的步进电机实时速度反馈给主控芯片；
步骤3，主控芯片对步进电机实时速度进行谐波识别并计算补偿曲线，将新的命令发送给步进电机驱动器，步进电机按新命令进行工作。
5.根据权利要求4所述的一种提花小圆机的高精度控制方法，其特征在于，所述步骤3中，具体为：
步骤3.1，主控芯片将步进电机实时速度采用快速傅里叶变换算法，得到平铺分析图，平铺分析图中每一个相位对应一个幅值，并对高次谐波进行识别；
其中，进行快速傅里叶变换算法时，采样频率为Fs，信号频率为F，如式(1)所示，采样点数为N，经过FFT之后的结果为N点的复数，每一个结果对应着一个频率点；
F＝[f1f2 L fs]T (1)；
式(1)中，L为频率数据长度，f1，f2，fs为谐波频率；
步骤3.2，将平铺分析图中的每一个相位和幅值，采用三角函数展开，将幅值和相位的数组转化为sin和cos函数的系数，得到谐波函数，如式(2)所示；
Figure RE-FDA0002852380740000021
式(2)中，y0为初始转速波动，as表示幅值，bs表示相位，Δt表示时间间隔；
步骤3.3，根据每个谐波分量的幅值as和相位bs，建立最优化模型，如式(3)及式(4)所示；
Figure RE-FDA0002852380740000022
y为转速波动；
其中，M为一个4行m列的自变量矩阵，如式(5)所示：
Figure RE-FDA0002852380740000023
把式(3)代入式(5)中，可得X＝[y0 a1 b1 L as bs]；
其中，L为频率数据长度，m表示时间计数，fs为谐波频率，，Δt1，Δt2，Δtm分别表示m时刻的时间间隔。
步骤3.4，经步骤3.3后，采用最小二乘法来求解系数as，bs，如式(6)所示；
X＝(MTM)-1MTy (6)；
根据式(6)求出as，bs后，将as，bs带入式(2)中，求出
Figure RE-FDA0002852380740000031
将求出的
Figure RE-FDA0002852380740000032
和y带入式(3)中，求出补偿部分的转速Δys；
补偿部分的转速Δys如式(7)所示：
Δys＝[1 sin(2πf1Δtm) cos(2πf1Δtm) L sin(2πfsΔtm) cos(2πfsΔtm)] (7)；
各个时间点的值为补偿曲线ΔI，如式(8)所示；
Figure RE-FDA0002852380740000033
其中ΔI为谐波对应的补偿电流，s为计数值，Δθs为Δys对应的角度；
步骤3.5，主控芯片生成电流补偿指令发送给步进电机驱动器，步进电机驱动按给定的速度带动传动皮带完成送纱。
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