CN1830746A - 卷取装置的速度控制方法及速度控制装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种卷取装置的速度控制装置，具有：使对应于速度传感器(10)的线速度检测值的频率检测值(Fb)和对应于给予的线速度指令值的频率指令值(Fin)实质上相同地进行PID计算的PID计算部(52)；电动机(11)的旋转速度越低，PID计算结果越小地依赖于输出频率(Fout)的大小，修正PID计算结果的PID计算结果修正部(54)(上次频率输入部(60)、减算部(61)、频率依赖计算部(62)、极限部(63)及加算部(64))。修正后的PID计算结果被作为输出频率(Fout)输出给电动机(11)。

Description

卷取装置的速度控制方法及速度控制装置

技术领域

本发明涉及高速纺纱卷取装置等的卷取装置速度控制方法及速度控制装置，特别涉及使用变频器作为驱动卷取筒管的电动机的电源装置，利用变频器的输出频率能改变电动机的旋转速度，进行卷取装置的线速度固定控制的卷取装置的稳定线速度控制方法。

背景技术

作为用于高速纺纱卷取装置等线速度固定控制的传统控制方法，众所周知是用作为电动机电源装置的变频器进行一般的PID(比例微积分)控制，以使反馈线速度跟踪被给予的线速度指令。

图1是传统的卷取装置所用的变频(INV)速度控制部的主要部结构。在图1的实例中，变频器被用作为旋转驱动无图示卷取装置的卷取筒管的电动机(M)11的电源装置。该变频器在功能上具有：在对应于来自控制器42的线速度指令的频率指令FR[Hz]上给予规定的加减速斜率并输出对应于线速度指令值的频率指令值Fin[Hz]的加减速部50；和根据用PID计算求出的输出频率数Fout[Hz]可变地控制电动机11的旋转速度[rpm]的速度控制部。

速度控制部具有：计算来自加减速部50的频率指令值Fin与对应于由机械地连接在电动机11驱动轴上的脉冲发生器(PG)构成的速度传感器10检测出的线速度检测值的频率检测值Fb[Hz]的偏差ΔF的减算部51；和使来自减算部51的偏差ΔF总是为0地PID计算，并将该PID计算结果作为变频器输出频率数Fout向电动机11输出的PID计算部52。以此，使反馈线速度跟踪被给予的线速度指令地控制电动机11的旋转速度，从而进行卷取装置的线速度固定控制。

在特开平08-188309号公报公开了从一方的供给装置向另一方异型筒管卷取或开卷线材或片材的装置。该卷取·开卷装置PID计算张力标准值与张力检测值的比较值，并通过该PID计算输出的反馈控制和减少该输出而形状修正及直径修正的前馈控制进行速度变化成为极小的修正，从而即使是异型筒管也能成为固定张力地控制速度。

但是，对上述传统的高速纺纱卷取装置等的线速度固定控制，使用一般的PID控制时，即使在正常运转中，因负荷的干扰等有时也发生振动。

即，以一般的PID控制能进行卷取装置的线速度固定控制，但当达到高速线速度(3000m/分以上)时，卷取时的线速度有时振动。在高速纺纱卷取装置中，对于线速度的稳定性，大多要求为±0.1％以下，用通常的PID控制，PID增益的调整非常困难。例如，当为了提高响应性，加大设定PID增益时，则有PID计算结果有大变化，线速度有波动的倾向，并且，当减小设定PID增益时，虽然波动降低，但有过度负荷状态变化、或线速度检测值因噪声等变化时，恢复到稳定状态的时间非常迟缓的问题。

由于如此卷取作业时的线速度变化，对产品的质量有很大的影响，所以要求高精度稳定的线速度控制。

发明内容

本发明鉴于上述问题而开发，其目的在于，对于高速纺纱卷取装置等线速度固定控制的卷取装置，提供一种能实现稳定的线速度控制，并能满足控制精度要求的卷取装置的速度控制方法及速度控制装置。

为了解决上述问题，本发明的第1个方面，是用于具备驱动卷取线材的筒管的驱动电动机和检测所述线材的线速度的速度检测器的卷取装置，根据所述速度检测器的检测值反馈控制所述电动机的旋转速度，进行所述线材的线速度固定控制，其特征在于，具有：使所述速度检测器的检测值与给予的线速度指令值实质上相同地进行PID计算的计算步骤；以及依赖于向所述电动机输出的输出频率的大小修正所述PID计算结果，使得所述电动机的旋转速度越低，所述PID计算结果就越小，将修正后的PID计算结果转换为向所述电动机输出的输出频率，以规定周期向所述电动机输出的修正步骤。

本发明的第2方面，是一种卷取装置的速度控制装置，用于具备驱动卷取线材的筒管的驱动电动机和检测所述线材线速度的速度检测器的卷取装置，根据所述速度检测器的检测值反馈控制所述电动机的旋转速度，进行所述线材的线速度固定控制，特征在于，具有：计算机构，进行PID计算，使得所述速度检测器的检测值与给予的线速度指令值实质上相同；和修正机构，依赖于向所述电动机输出的输出频率的大小修正所述PID计算结果，使得所述电动机旋转速度越低，所述PID计算结果越小，将修正后的PID计算结果转换为向所述电动机输出的输出频率，以规定周期向所述电动机输出。

附图说明

图1是传统PID控制结构的概略方块图。

图2是本发明实施例的卷取装置整体结构的概略方块图。

图3是表示图2所示的变频速度控制装置内的PID控制结构的概略方块图。

图4是表示图3所示的脉冲/频率转换部的概略方块图。

图5是表示使用图3所示的PID控制结构时(实施例)表示实验结果的卷取装置的马达旋转速度一卷取时间特性的曲线。

图6是表示使用图1所示的PID控制结构时(以往实例)表示实验结果的卷取装置的马达旋转速度一卷取时间特性的曲线。

具体实施方式

以下，参照附图说明用于实施本发明的卷取装置速度控制方法及速度控制装置的优选实施例。

图2是表示本发明实施例的高速卷取装置(以下，简称为「卷取装置」)的整体结构图。

图2所示的本实施例的卷取装置1是高速卷取例如被分别卷取在多个圆筒状筒管B1～Bn(图中的实例中n＝5)上的线状部件的源纱(「纱条(糸条)」)S1～Sn的装置，圆筒状的卷取筒管2被配置在规定位置(卷取位置)。卷取筒管2同时卷取来自各圆筒状筒管B1～B5的纱条S1～S5。

在卷取筒管2上能接触离开地支撑有引导筒管3。引导筒管3在利用卷取筒管2卷取纱条S1～S5时，以规定的接触压力与卷取筒管2抵接并一边一起旋转一边引导纱条S1～S5。

作为卷取筒管2的交换用筒管，交换筒管4被配置在规定位置(「待机位置」)。交换筒管4由与卷取筒管2相同数量的筒管构成。

卷取筒管2及交换筒管4拆装和旋转自如地被支撑机构5所支撑。驱动支撑机构5，使卷取筒管2和交换筒管4分别移动到待机位置和卷取位置上。

在卷取筒管2的旋转轴上，连接有电动机(M)11的驱动轴。电动机11以规定的旋转速度旋转驱动卷取筒管2。同样，交换筒管4的旋转轴也与电动机(M)12的驱动轴连接。电动机12以规定的旋转速度使交换筒管4旋转驱动。

在卷取筒管2的卷取位置附近，设有卷满传感器35。卷满传感器35将例如达到卷满状态的规定比例(例如70％)的状态及达到卷满状态的状态(卷满时)作为包括在卷取位置旋转的卷取筒管2或交换筒管4的卷满时的卷取状态进行检测，并分别作为卷满前脉冲及卷满脉冲输出。

在引导筒管3的旋转轴上直接或间接地安装由脉冲发生器(PulseGenerator「PG」)构成的速度传感器10。速度传感器10将引导筒管3的旋转速度作为脉冲输出检测。

在速度传感器10及电动机11上，电连接装载有作为驱动电动机11的电源装置且能可变控制该电动机11旋转速度的速度控制装置的变频器(INV)21。变频器21可变控制向电动机11供给的输出电压及输出频率，从而控制电动机11的旋转速度。

同样，在速度传感器10及电动机12上，也电连接装载有作为驱动电动机12的电源装置且可变控制该电动机12的旋转速度的速度控制装置的变频器(INV)22。变频器22可变控制向电动机12供给的输出电压及输出频率，从而控制电动机12的旋转速度。

两变频器21、22作为硬件构成，具有：无图示的二极管等的整流元件、电容器等的平滑元件、晶体管等的多个开关元件及内置存储器的微处理器等。

在变频器21上电连接有电阻R31。电阻R31以热能消耗电动机11基于卷取筒管2卷满时惯性能量的再生能量(因电动机11发电机动作的电能)。

同样，在变频器22上也电连接有电阻R32。电阻R32以热能消耗电动机12基于交换筒管4卷满时惯性能量的再生能量。

在变频器21、变频器22及卷满传感器35上电连接有控制器42。控制器42根据从卷满传感器35输出的卷满前脉冲及卷满脉冲，向变频器21及变频器22输出包括频率指令的驱动控制信号。

在图2所示的卷取装置1上，装备有两台卷取筒管，是当一方的筒管卷取结束以后，行向另一方筒管自动切换的方式。在该方式中，使用变频器，PID控制其输出频率。变频器输出频率及电压是驱动电动机的电源装置，所以PID控制将频率作为输入要素进行控制。

图3是表示变频器21的速度控制装置内的PID控制结构。图3是在图1的变频器上增加了脉冲/频率转换部53及PID计算结果修正部54。此外，由于变频器22也与变频器21相同，故省略其说明。

引导筒管3具有在卷取筒管2卷取纱条S1～S5时，对应于卷取筒管2的旋转而旋转并引导纱条S1～S5的功能，由于其本身不进行卷取纱条S1～S5的动作，所以不产生因卷取纱条的膨胀(卷取增加)引起的线速度上升。此时，在本实施例中，利用速度传感器10检测引导筒管3的旋转速度，利用变频器21保持其旋转速度固定地控制卷取筒管2的旋转速度，以此维持被卷取筒管2卷取纱条的线速度固定。

为了进行通过这种速度传感器10的电动机11的反馈控制，变频器21如图3所示，具有控制电动机11旋转速度(卷取筒管2的旋转速度)的速度控制部。

速度控制部具有：输入对应于来自控制器42的线速度指令的频率指令FR[Hz]的加减速部50；输入对应于来自脉冲/频率转换部53的线速度检测值的频率检测值Fb[Hz]及对应于来自加减速部50的线速度指令值的频率指令值Fin[Hz]的减算部51以及与减算部51的输出侧连接的PID计算部52。

加减速部50设定从控制部42供给的频率指令FR[Hz]的加减速时间常数。所谓加速时间常数是指停止状态的电动机11达到根据V(电压)/F(频率)固定控制而设定的最大频率(例如300[Hz])的时间，所谓减速时间常数是指电动机11从最大频率300[Hz]的运转状态达到停止状态的时间。

减算部51从加减速部50设定的加减速时间常数的频率指令值Fin减去频率检测值Fb，求出其偏差ΔF。

PID计算部52使偏差ΔF总为0地进行PID计算，具有：比例计算部、积分计算部、微分计算部及加算部。

比例计算部在偏差ΔF上乘以规定的比例增益P，求出比例计算值P*ΔF。积分计算部在偏差ΔF上乘以规定的积分增益I，对计算值I*ΔF进行时间积分，求出积分计算值。微分计算部在偏差ΔF上乘以规定的微分增益D，对计算值D*ΔF进行时间微分，求出微分计算值。加算部将比例计算值、积分计算值、微分计算值相加，向PID计算结果修正部54输出加法计算值(PID计算结果)。

脉冲/频率转换部53如图4所示在将速度传感器10检测出的脉冲输出[rad/s]转换为转数[rpm]以后进行增益调整(×G)，将被增益调整的转数换算为频率数[Hz]，并作为频率检测值Fb(例如，Fb＝300[Hz])向减算部51输出。

在本实施例中，除了图1所示变频器的PID控制结构以外，追加了相对于PID计算结果的输出，进行两种控制、即(1)利用输出频率进行修正PID计算结果的输出的计算、(2)在该计算结果上加入极限的结构。

一般高速卷取装置的电动机旋转速度在卷取开始就是高速，随卷取时间渐渐地变成低速。因此，变频器的输出频率也渐渐地被控制为低频。即，变频器的输出频率越小，PID计算结果对变频器的输出频率的变化反映越大。此时，在本实施例中，在变频器21内，具备用于变频器的输出频率越小、PID计算结果也变小地进行修正控制的PID计算结果修正部(修正机构)54。

PID计算结果修正部54具有：输入上一个周期的输出频率Fout(n-1)(上次变频器21向电动机11输出的输出频率)的上次频率输入部60；从PID计算部输出的本周期的PID计算结果，减去从上次频率输入部60输出的上一个周期中的输出频率Fout(n-1)，求出其偏差的减算部61以及依次与减算部61的输出侧连接的频率依赖计算部62、极限部63及加算部64。

以下，说明利用PID计算结果修正部54的计算实例。

一般地，PID控制以固定周期进行反复计算，以Fout(n-1)作为上一个周期的输出频率，以Fout(n)作为本周期的输出频率，以Fin作为频率指令值。

从PID计算部52输出的PID计算结果(PID输出)在以往实例中是输出频率，但在本实施例中不将该输出频率原封不动地向电动机11输出，而是利用减算部61，根据下式计算PID输出与上一个周期的输出频率Fout(n-1)的偏差。

PID计算值偏差＝PID输出-Fout(n-1)……(公式1)

此时，当作为(公式1)的计算结果的PID计算值偏差大时，PID输出急剧地变化，线速度也波动。

这里，如下式所示，利用频率依赖计算部62根据上述公式1的结果进行依赖于输出频率的大小的计算。

频率依赖计算值＝PID计算值偏差×(Fout(n-1)/Fin)……(公式2)

(公式2)的计算，相当于以频率指令值Fin与上一个周期的输出频率Fout(n-1)大小之比，降低PID计算值偏差。

(公式2)的计算以后，为了进一步抑制PID输出的急剧地变化，通过被极限部63，按照以规定的设定分解度预先设定的分解度的极限频率，对计算的频率依赖计算值在该频率的正负实施极限处理。此时，极限频率能例如由使用者以频率单位任意地设定。此外，为了提高极限精度，设定分解度例如最好为0.01Hz。

用加算部64将如上所述地实施了极限处理的频率依赖计算值最终与前一个周期的输出频率Fout(n-1)相加，将相加结果作为本周期的本次输出频率Fout(n)，向电动机11输出。

图5是表示本实施例实验结果的卷取装置的马达旋转速度-卷取时间特性的曲线，图6是表示以往实例实验结果的卷取装置的马达旋转速度-卷取时间特性的曲线。该实验调查了卷取装置的线速度为3200m/分，在60分钟将变频器21的输出频率Fout从120[Hz]可变控制到30[Hz]时的马达旋转速度-卷取时间特性。根据两实验结果，在以往的实例中，当马达旋转速度大时产生旋转脉动，但在本实施例中可以确认在幅度地抑制了如这旋转脉动的产生。因此，本实施例通过输出频率的大小修正控制PID计算结果，能通过极限处理限制最大变化，其结果表明，能抑制PID输出(PID计算结果)的急剧变化，使稳定的高速纺纱卷取装置的线速度固定控制成为可能。

因此，根据本实施例，在线速度固定控制方面，使用检测线速度的速度传感器等，将该速度检测信息传递给用于驱动电动机的作为电源装置的变频器，在变频器内部使该线速度检测值与线速度指令值几乎相同地进行PID线速度固定控制，在这种结构中，由于对电动机旋转速度高时的PID计算结果和低时的计算结果给予变化，越达到低速，越减小PID计算结果地进行修正，所以能稳定高速卷取状态。此外，由于能利用极限机构进行限制，以使不过剩地输出PID计算结果，所以能进一步稳定高速卷取状态。即，根据本发明，通过向电动机输出的输出频率的大小修正控制PID计算结果，从而可以抑制PID计算结果的急剧变化，能满足控制精度的要求，以此更稳定的卷取装置的线速度固定控制成为可能。此外，在本发明中，还利用极限处理限制了最大变化，从而进一步提高线速度稳定性，能进一步稳定卷取状态。这样，利用本实施例，能以容易调整、而且不需追加周边设备等的廉价系统结构，使实现高速纺纱装置的高精度线速度固定控制成为可能。

此外，本发明不局限于上述的实施例，在本发明所属的范围内，可以种种变形实施上述实施例。

Claims (4)

1.一种卷取装置的速度控制方法，用于具备驱动卷取线材的筒管的驱动电动机和检测所述线材的线速度的速度检测器的卷取装置，根据所述速度检测器的检测值反馈控制所述电动机的旋转速度，进行所述线材的线速度固定控制，其特征在于，

具有：使所述速度检测器的检测值与给予的线速度指令值实质上相同地进行PID计算的计算步骤；以及依赖于向所述电动机输出的输出频率的大小修正所述PID计算结果，使得所述电动机的旋转速度越低，所述PID计算结果就越小，将修正后的PID计算结果转换为向所述电动机输出的输出频率，以规定周期向所述电动机输出的修正步骤。

2.根据权利要求1所述的卷取装置的速度控制方法，其特征在于：

所述修正步骤具有：当所述计算步骤的PID计算结果设为PID输出，所述输出频率中的本周期的输出频率设为Fout(n)，上一个周期的输出频率设为Fout(n-1)，对应于所述线速度指令值的频率指令值设为Fin时，使用所述PID输出及所述上一个周期的输出频率Fout(n-1)，用公式：PID计算值偏差＝PID输出-Fout(n-1)计算PID计算偏差的计算步骤；使用所述PID计算值偏差、所述上一个周期的输出频率Fout(n-1)及所述频率指令值Fin，用公式：频率依赖计算值＝PID计算值偏差×(Fout(n-1)/Fin)计算频率依赖计算值的步骤；根据极限频率限制所述频率依赖计算值的限制步骤；将所述极限处理过的频率依赖计算值与所述上一个周期的输出频率Fout(n-1)相加的加算步骤；以及将该相加结果作为的所述本周期的输出频率Fout(n)向所述电动机输出的输出步骤。

3.一种卷取装置的速度控制装置，用于具备驱动卷取线材的筒管的驱动电动机和检测所述线材线速度的速度检测器的卷取装置，根据所述速度检测器的检测值反馈控制所述电动机的旋转速度，进行所述线材的线速度固定控制，特征在于，

具有：计算机构，进行PID计算，使得所述速度检测器的检测值与给予的线速度指令值实质上相同；和修正机构，依赖于向所述电动机输出的输出频率的大小修正所述PID计算结果，使得所述电动机旋转速度越低，所述PID计算结果越小，将修正后的PID计算结果转换为向所述电动机输出的输出频率，以规定周期向所述电动机输出。

4.根据权利要求3所述的卷取装置的速度控制装置，其特征在于，

所述修正机构具有：减算部，当所述计算机构的PID计算结果设为PID输出，所述输出频率中本周期的输出频率设为Fout(n)，上一个周期的输出频率设为Fout(n-1)，对应于所述线速度指令值的频率指令值设为Fin时，使用所述PID输出及所述上一个周期的输出频率Fout(n-1)，用公式：PID计算值偏差＝PID输出-Fout(n-1)计算PID计算偏差；计算部，使用所述PID计算值偏差、所述上一个周期的输出频率Fout(n-1)及所述频率指令值Fin，用公式：频率依赖计算值＝PID计算值偏差×(Fout(n-1)/Fin)计算频率依赖计算值；极限部，根据极限频率限制所述频率依赖计算值；以及加算部，将所述极限处理过的频率依赖计算值与所述上一个周期的输出频率Fout(n-1)相加，

将该相加结果作为所述本周期的输出频率Fout(n)向所述电动机输出。

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