摘　要:采用110BF003步進電機對瑞士進口的SAURER400 型織機的機械式送經機構進行改進,給出了機構設計和電機控制方法. 實驗結果表明,步進電機送經裝置優于機械式送經,對張力波動控制靈敏,稀密路下降,斷頭少,操作方便,成本低,具有推廣價值. 關鍵詞:步進電機; 電子送經; SAURER400型織機; 控制方法 Abstract: The mechanical let2off system of the SAURER400 loom is imp roved by 110BF003 stepp ingmotor. An imp roved mechanism system which suits to stepp ingmotor and a waywhich controls stepp ingmotor are p rovided. The ex2 periments indicate that this let2off system with stepp ingmotor p recedes to the mechanism system and is sensitive to the tension fluctuation, and makes the stop mark, heavy streak and broken ends decrease perfectly. This sys2tem is easier to operate and economical. It can be used for reference. Key words: stepp ingmotor; electronic let2off system; SAURER400 loom; controllingmethod 目前,國內仍有許多無梭織機采用機械式送經結構[sup][ 1 ][/sup] ,其缺點在于:加工誤差和機械磨損較大,控制精度不高;對緯密等織造參數進行修改時需調換齒輪,操作不便而且機構復雜;織機高速運轉時,動態響應差;經紗張力調節困難等[sup][ 2, 3 ][/sup] . 因此,許多紡織廠需要對原有的機械式送經織機進行改造. 本文采用步進電機對一臺從瑞士進口的采用了機械式送經機構的SAUR2ER400型剛性劍桿織機進行了電子送經機構改造. 采用單片機來控制步進電機,通過單片機定時器T1來控制電機頻率;通過定時時間長短改變脈沖寬度;通過使T1初值勻速變化來實現電機的加減速;并通過實驗檢測了該改進機構的有效性. 1　步進電機的選用 傳統的電子送經系統中,送經電機一般采用交直流伺服電機. 直流伺服電機的線性調速范圍較大,易控制,效率高,但電刷產生的電火花將干擾控制系統的正常工作且有安全隱患;交流伺服電機低速性能好,抗電磁干擾,但機械特性較軟,線性調速區小,與之配套的變頻調速器價格較為昂貴[sup][ 4 ][/sup] . 相比較而言,步進電機具有功能靈活多樣、脈沖輸出準確、實時性強和高頻特性好等特點,通過軟件設計可以實現多種復雜的控制,其系統成本較低,但其力矩較小. 在織造過程中,送經電機正轉,使織軸正傳送出經紗時,經紗張力不是負載阻力,而是驅動力,步進電機只需要輸出較小的力矩,就能送出經紗;當送經電機反轉張緊經紗時,經紗張力是負載阻力,步進電機需要輸出較大的驅動力矩. 此次設計選用反應式步進電機110BF003,起動頻率1 500 Hz,運轉頻率7 000 Hz. 其轉矩特性如圖1所示. 根據矩頻特性曲線可知,當電機頻率達到一定時,轉矩急劇下降. 在送經時,有時間限制,電機頻率要求較高,此時正好電機轉矩要求不高;而電機反轉張緊經紗時,沒有時間限制,可以降低頻率,來達到電機轉矩要求. 反應式步進電機110BF003能滿足送經需要,且電機和驅動器較便宜,性價比高. 2　織軸驅動系統改進 2. 1　SAURER400機械式送經機構 SAURER400型織機采用機械式送經機構,動力由主電機通過皮帶和齒輪等傳遞過來. 其機構簡圖如圖2所示. 當筘座腳經傳動帶動擺桿上下擺動時,超越離合器的套圈也隨之擺動,因而使超越離合器的內外環共同轉動. 由于棘輪與離合器用螺釘連接在一起,此時棘爪帶動棘輪使之與離合器做同方向的轉動;由同軸的蝸桿帶動蝸輪,與蝸輪同軸的送經齒輪再與織軸邊盤齒輪嚙合,最后帶動織軸轉動,送出相應長度的經紗. 2. 2　改進機構 改進后的電子送經機構簡圖如圖3所示.在機械式傳動連桿處將其斷開,改用單獨的步進電機作為送經電機來驅動此送經裝置. 由簡圖可看出,電機通過減速器帶動設計齒輪3與齒輪2嚙合,然后直接傳到與齒輪2同軸的蝸桿、蝸輪,之后傳到送經齒輪與織軸邊盤齒輪嚙合,最后帶動織軸轉動以達到送經的目的. 其中的減速器、齒輪2、齒輪3和蝸輪、蝸桿都為電機起到了減速作用. 3　步進電機的速度控制 3. 1　步進電機轉速計算 設經紗直徑為D, 織物規格中緯密為Pw ,則要求每緯的送經量為[sup][ 5 ][/sup] : 主軸每轉一周,電機需運轉步數為: 式中, n1[sub]max[/sub]為電機最大脈沖個數; n1[sub]min[/sub]為電機最小脈沖個數. 此時電機頻率很大,大于啟動頻率,不能直接采用勻速運行,存在加減速問題. 3. 2　電機加減速控制 電機加減速控制是指步進電機每次運行經歷啟動、加速、恒速、減速和停止幾個過程. 因此,步進電機的工作頻率是不停變化的. 在啟動加速過程中,步進電機的工作頻率逐漸升高至運行頻率. 需要注意的是,若升頻過快,前一拍驅動脈沖未能使電機轉子進入下拍的動態穩定區,電機就會出現失步現象;但升頻過慢,電機升速時間過長也不能滿足某些工藝的要求. 目前國內外步進電機加減速控制方法,主要有直線型加減速速度曲線和指數型加減速速度曲線[sup][ 6 ][/sup] . 本次設計采用單片機內部的定時器來實現步進電機脈沖的發送,在每次進入定時中斷后,改變定時常數,從而升速時使脈沖頻率逐漸增大,減速時使脈沖頻率逐漸減小. 若采用指數型加減速曲線來控制加減速,需要事先做好單片機定時器初值表,計算量較大,較麻煩. 因此本次實驗采用單片機初值直線加減速,介于直線型加減速和指數型加減速兩者之間,如圖4所示,圖中f[sub]o[/sub] 為起始頻率, f[sub]h[/sub] 為勻速時頻率, t[sub]h[/sub] 為每周期運轉終止時間. 由于單片機計數器是加計數,步進電機速度是曲線變化,接近曲線型,此方法編程簡單,效果優于直線型加減速控制. 設計中采用定時器T1來產生電機脈沖,定時器定時到一次,從單片機P1. 0口發出一個脈沖,電機運行一步,加減速時每個臺階運行4步,相鄰兩個臺階間定時器初值差16. 其流程圖如圖5所示. 3. 3　脈沖數調整 本設計采用增量式的PID控制,但電機運轉是以步數為單位的, PID運算所得數據不能直接來調整電機運轉步數,需要進行一定的比較判斷. 在織機運轉一周內,A /D對張力值進行8次采樣,由單片機取得這些數據進行平均計算,所得值作為本周張力值. 將本值與所設定的標準張力值進行比較,差值通過PID 運算,得到的數據經過一定比較判斷,可得到下周電機需運轉的步數.計算下周電機需送脈沖數的程序流程圖如圖6所示. [align=center] 圖5　T1中斷流程圖[/align] 同樣脈沖個數n次后, 將這脈沖個數調整為脈沖基數,在這個基數上對脈沖數進行調整. n記為調整次數,所調整的脈沖個數記為調整數. 先設定調整次數為10, P ID計算所得數據放在兩個字節中. 先對高字節進行比較,如高字節大于零,調整次數改為3,同時若本周張力超出范圍,調整數定為4,反之則定為8;若高字節小于零,對低字節進行比較,若大于BAH,調整數定為4,若小于BAH大于46H,調整數定為2. P ID計算結果,若為正則脈沖基數加上調整數,即為下周電機脈沖數;若為負則減. 若本周張力超出范圍,則減緩脈沖變換速率,即調整次數變為6. 根據調整次數來判斷是否應改變脈沖基數. [align=center] 圖6　電機脈沖數調整流程圖[/align] 4　實驗結果 針對改進機構做了大量實驗. 由于受到織機的5大運動影響,一個周期內,張力有一波動范圍. 張力值通過傳感器測量,經放大器放大,輸出0～5 V電壓,此電壓和壓力值成正比,經過A /D采樣,送到單片機,單片機對此數據進行一定處理,計算得出電機需送脈沖數. 實驗時首先讓織機仍采用機械式送經機構,對張力值進行采樣,將所得張力值作為本次織物的張力標準值. 實驗初始電機運轉步數根據前面理論計算得出,在此基礎上通過張力來調整實際電機需運轉的步數.實驗所得電機需運轉步數基數同理論計算所得值差別不大. 理論值和改進機構送經基數對比如表1所示. 電機運轉步數由脈沖數決定,一個脈沖對應電機運轉一步,脈沖數只能取整數. 實驗證明,改進機構能夠使織機正常織布,能保證張力在343～378 N內波動. 改進機構張力值為490 N時電機都可以倒轉,調整時間可控制在8周期內. [align=center]表1　改進機構送經基數理論值和實驗值對比 [/align] 　在溫度28 ℃、濕度650 /0 ,主軸轉速為390 r /min,織物品種為58. 3 ×58. 3 tex、200 ×200根/10 cm、160 cm毛滌平布條件下,分別采用機械式送經和此次改進系 統來試驗,測試結果如表2所示. [align=center]表2　兩種送經方式比較 [/align] 5　結論 （1）步進電機能在SAURER400織機電子送經改造中應用,并能很好地發揮步進電機優點,轉速控制方便,實時性好,成本低. （2）只對原機械式送經機構做一些變動,就能使步進電機驅動織軸轉動,變為電子式送經. 此方法比之機械式更簡單,適應性更強. 更換織物時,只需設置參數,程序可以自動調整,不需要變動機械結構. （3）經改進后的電子送經裝置對張力控制較靈敏,稀密路控制好,斷頭率較少. （4）實驗表明,該系統操作方便,成本低,具有老機改造和新機配套的推廣價值. 參考文獻: [ 1 ] 　毛新華. 紡織工藝與設備[M〗. 北京:中國紡織出版社,2004. [ 2 ] 　周駿彥,肖　強. 基于單片機的電子送經卷取控制系統設計[ J ]. 計算機測量與控制, 2005, 13 （7） : 698 - 700. [ 3 ] 　周其洪,何永義,郭　帥. 基于DSP的智能電子送經控制系統[ J ]1機電一體化, 2003, （6） : 59 - 62. [ 4 ] 　陳　革,毛立民,林　申. 電子送經織軸驅動系統的設計[ J ]. 東華大學學報:自然科學版, 2005, 31 （6） : 66 - 69. [ 5 ] 　楊建成,蔣秀明. SAURER400型織機送經機構改進設計[ J ]1天津工業大學學報, 2006, 25 （5） : 55 - 57. [ 6 ] 　劉向東,王述東,王桂蓮. 沖床步進電機加減速運動的研究[J ]1佳木斯大學學報:自然科學版, 2005, 23 （4） : 577 - 578.