第四章 倍 捻机传动系统研究.docx

1、第四章 倍 捻机传动系统研究4 倍捻机控制系统主电路设与PLC选用在上一章的倍捻机的传动与控制系统的设计中，基本上把倍捻机的三个运动的控制方式已经确定。其中的倍捻机的加捻运动和卷取运动都是用的变频调速，而倍捻机的导纱运动确实用到伺服闭环系统调速。这些运动控制系统选择的原因与理由在上一章分析中都给出，在此就不在说明。下面就各个运动控制系统的主电路的设计与搭建以及各个器件的选择作详细的设计说明。4.1 变频调速系统的设计与实现4.1.1 变频调速系统变频器的选用、接线原理与模式选择1.变频器的选用根据电工与自动化等相关行业评价，以及中国变频器市场份额调查显示,三菱变频器综合评价较高。三菱变频器是采

2、用磁通矢量控制技术、PWM原理和智能功率模块的高性能变频器，其功率范围为0.4315KW。为了满足不同的工业现场应用，三菱变频器分3个产品系列： FR-A540:适用于一般工业应用。 FR-F540:使用于风机和泵类负载。 FR-A241E:适用于位能性负载。由于倍捻机属于一般工业，那么我们将对FR-A540变频器的特点进行了解。具体有以下特点：（1）用磁通矢量控制技术。在无速度传感器的开环控制下，速度调节范围为1:120；采用速度传感器的闭环控制下，调速范围为1:1000。低速旋转时转矩均匀。（2）用Soft-PWM原理和智能功率模块（IPM），使变频器输出波形更好，噪音更低，抗干扰性能更强

3、。（3）停电时减速停止功能，内置PID控制功能，变频/工频切换功能和顺序控制功能。（4）符合国际标准的现场总线通信功能。（5）具有过电流、过载、过电压、欠电压、接地过电流、输出短路、失速防止等保护。 （6）风扇端子和控制端子的安装和维修简便。（7）附设累计功率监视及累计运行时间监视功能，用户可分析节能效果。对于三菱FR-A540系列变频器的规格型号如下表4-1所示 表4-1 三菱A系列变频器的规格型 号额定容量/kVA额定电流/A适配电动机/kwFR-A540-0.4K-CH1.11.50.4FR-A540-0.75K-CH1.92.50.75FR-A540-1.5K-CH341.5FR-A5

4、40-2.2K-CH4.262.2FR-A540-3.7K-CH6.993.7FR-A540-5.5K-CH9.1125.5FR-A540-7.5K-CH13177.5FR-A540-11K-CH17.52311FR-A540-15K-CH23.63115FR-A540-18.5K-CH293818.5FR-A540-22K-CH32.84322FR-A540-30K-CH43.45730FR-A540-37K-CH547137FR-A540-45K-CH658645FR-A540-55K-CH8411055FR-A540L-75K11014475FR-A540L-90K13718090FR-

5、A540L-110K165216110FR-A540L-132K198260132FR-A540L-160K248325160FR-A540L-220K329432220FR-A540L280K417547417根据上面表格的参数，我们结合前面确定的卷取和加捻电机的功率，可以知道我们所对应选取的驱动器了。卷绕驱动器是FR-A540-2.2K-CH，加捻驱动器是FR-A540-7.5K-CH。2.频器的FR-A540系列的接线原理图三菱FR-A540系列变频器接线原理如图4-1所示图4-1 三菱FR-A540系列变频器的接线原理 （3）变频器的操作模式选择三菱变频器的操作模式有“PU操作模式”、

6、“外部操作模式”、“组合操作模式”、“内部通信模式”。模式的选择应根据生产的控制要求和生产作业的现场条件等因数来确定，达到既满足控制要求，又能够以人为本的目的。由于是多电机控制系统，我们选择外部控制模式。外部控制操作的基本电路如下图4-2所示。 图42 外部控制操作的基本电路4.1.2变频调速系统电气主电路接线与电工器件型号确定根据变频调速系统主电路设计原则，按照电流从电网流出为起点，一次流过配电变压器T、隔离开关GK、断路器QF、接触器KM、进线侧电抗器FIL1、电源侧交流电抗器1ACL、变频器、输出侧交流电抗器2ACL、输出侧电抗器FIL2、热过载继电器FR、三相异步电机M。按照上面的这个

7、顺序我们就很容易搭建起两个变频调速系统的主电路原理图。对于中间的各个电工元器件的选择，我们要根据被控电机的功率、额定电压、额定电流、以及购买的方便性、经济性、产品的稳定性来综合考虑。对于电器接线图可以在后面的附图中查阅。对于各个电工元器件见下表4-2。 表42 元器件型号表电机型号变频器型号电器元件名称电器元件型号备注7.5KWFR-A540-7.5K-CH断路器FQD215-40/390接触器KMCJ0-40电源侧电抗器ALCHKBJ/H-0110-B4贵州新汇控科技有限公司输出侧电抗器ACLHKBC/H-0075-B4贵州新汇控科技有限公司热过载继电器JRJBO-16/3D2.2KWFR-

8、A540-2.2K-CH断路器FQDZ15-63/390接触器KMCJO-30电源侧电抗器ALCHKBJ/H-0022-B4贵州新汇控科技有限公司输出侧电抗器ACLHKBC/H-0022-B4贵州新汇控科技有限公司热过载继电器JRJBO-16/3说明1 7.5KW线路接线电缆为KVVP3x6的电缆；2.2KW的接线电缆为KVVP3x2.5.2. 所有的控制系统采用一个总的隔离开关HG1-32/30(宁波开关厂)3. 由于输入倍捻机的电是标准的三相380V的车间用的，故不需要配置变压器。4.2伺服闭环调速系统的设计与实现在前面的倍捻机导纱运动控制系统设计中，我们根据工艺的要求确定了其控制系统为闭

9、环伺服控制系统。那么接下来我们将具体的伺服系统进行设计和实现。4.2.1伺服驱动器与伺服电机的选择1. 伺服驱动器的选择在前面我们在实现变频调速系统时，两个异步电机的驱动器都选的三菱公司的变频器。考虑到倍捻机整个系统统一性，以及各个功能模块的兼容性，不妨在此选择伺服驱动器时选用三菱的。三菱交流伺服驱动器是日本三菱机电公司研发制作的。三菱公司不仅伺服驱动产品技术先进、可靠性好、转速高、容量大，而且产品齐全，兼容性好。在专用加工设备、自动生产线、纺织机械、印刷机械、包装机械等行业应用较广。三菱公司的通用伺服驱动产品有21世纪出研发的MR-J2S系列、最新开发的高性能MR-J3系列与小功率经济型MR

10、-ES系列三大产品系列。由于我们伺服系统是用于倍捻机导纱运动控制，从功率角度上讲，伺服驱动器的要求并不是很高。在此我们选择技术比较成熟的三菱MR-J2S系列的驱动器。2. MR-J2S系列的驱动器规格与性能（1）驱动器规格MR-J2S系列驱动器常用的规格见下表43所示，表中输入/输出参数是驱动器的最大允许值，如电机容量未达到驱动器的满足条件，数据可适当减小。根据表43可知我们选取的驱动器为MR-J2S-20A1。表43MR-J2S系列驱动器常用规格驱动器型号输入电源规格输出规格输入电压输入频率输入容量（KVA）适配电机功率（KW）额定最大电流（A）MR-J2S-101AC100V允许范围：AC

11、85127V额定：50/60;允许范围5%0.30.050.11.2/4MR-J2S-20A10.50.21.5/5.0MR-J2S-40A10.90.43/9MR-J2S-10AAC230V;允许范围207253V额定：50/60Hz;允许范围5%0.30.050.11.2/4MR-J2S-20A0.50.21.5/5MR-J2S-40A0.90.43/10MR-J2S-60A10.63.6/12MR-J2S-70A1.30.756/20MR-J2S-10A三相AC200V;允许范围170253V额定：50/60;允许范围5%0.30.050.11.2/4MR-J2S-20A0.50.21.

12、5/5MR-J2S-40A0.90.43/1MR-J2S-60A10.63.6/12MR-J2S-70A1.30.756/20MR-J2S-100A1.70.851.08/25MR-J2S-200A3.512212/36MR-J2S350A5.53.516/48MR-J2S-500A7.5530/90MR-J2S-700A107.540/120MR-J2S-60A4三相AC400V;允许范围323528V额定：50/60;允许范围5%01.00.51.5/4.5MR-J2S-100A41.712.9/8.7MR-J2S-200A43.51.525/15MR-J2S-350A45.53.58.4

13、/2.5MR-J2S-500A47.5512/36MR-J2S-700A41077.518/54（2）技术性能MR-J2S系列驱动器的主要技术性能如表4-4所示表44 MR-J2S系列驱动器的主要技术指标项目技术参数逆变控制方式正弦波PWM控制位置反馈18bit绝对或增量编码器，位置全闭环控制速度调节范围1：5000速度控制精度1.01%频率响应550Hz模拟量输入速度给定DC-1010V转矩给定DC-88V输入电阻1012K位置给定输入输入方式脉冲+方向，相位差为90的正反转脉冲，正转+反转脉冲信号类型DC5V线驱动输入，DC524V集电极开路输入输入脉冲频率线驱动输入：max500kHZ;

14、集电极开路输出位置反馈输出信号类型A/B/C三相驱动输出+Z相集电极开路输出分频系数任意开关量输入/输出信号输入信号9点输出信号6点其他功能制动方式电阻制动超程控制正反相超程输入电子齿轮比0.02500保护功能过电流、过载、过电压、欠电压、缺相制动异常、过热、编码器断线、主回路检测、CPU检测、参数保护通信接口接口范围RS232/RS422网络连接1:32环境要求使用/存储温度055/-2065相对湿度90%RH以下振动/冲击0.5g/2g（3）驱动器附件选择根据上面驱动器的型号，我们可以在MR-JS系列驱动动器配套附件表中选择相关附件。它们的型号为：直流电抗器FR-BEL-0.4K、交流电抗

15、器FR-BAL-0.75K、滤波器HF3010A、零相电抗器FR-BSF01、断路器FQ为DZ15-63/390、接触器KM为CJO-30。2 伺服电机的选择MR-J2S配套的伺服电机通常为中小功能电机，产品电压等级一般为三相AC220V。根据运途与结构，配套伺服电机可分为中惯量标准电机、小惯量电机、超低惯量电机与特殊安装扁平电机4类，HC-SFS、HC-KFS/HC-RFS、HC-MFS、HC-UFS共5个系列。由于小惯量电机可广泛用于印刷、食品、包装、传送设备、纺织机械、注朔机、压力机等负载惯量小、转速要求高的场合，是目前使用最多的伺服电机产品。小惯量的电机分为小功率HC-KFS系列（50

16、750W）、中惯量HC-RFS系列（15KW）两类，电机的额定转速均为3000r/min。小惯量伺服电机的主要技术参数如表45所示。根据表格可确定伺服电机的型号是HC-KFS23表45 HC-KFS系列小功率、小惯量电机主要技术参数技术参数电机型号HC-KFS053132343.73配套驱动器MR-J2S-10A/BJ2S-10A/BJ2S-20A/BJ2S-40A/BJ2S-70A/B额定输出功率（W）50100200400750额定输出转矩（N.m）0.160.320.641.32.4最大输出转矩（N.m）0.480.951.93.87.2额定转数（r/min）3000最高转数（r/min

17、）4500瞬时最高转数（r/min）5175额定功率变化率（KW/s）4.7812.19.6524.237.7额定电流（A）0.810.681.12.35.8最大电流（A）2.52.13.46.918.6允许制动率（次/分钟）不受限制不受限制不受限制220190无/带制动转子惯量（10.m）0.053/0.0560.084/0.0870.42/0.470.6/0.721.51/1.64正常允许负载惯量比15配套编码器17bit(131072P/r)增量/绝对通用编码器4.2.2驱动器接线与控制模式选择、电气接线图在前面我们已经把驱动器的型号确定为MR-J2S-20A1。根据驱动器的使用手册可以

18、很清晰知道驱动器的各个端子的功能。由于本次对倍捻机的设计并没有采用通信和反馈功能。所以在下面的接线总图中将不会显示出来，如下图43。对于驱动器的模式根据前面的设计，我们将在速度控制模式下利用PLC搭建一个位置反馈控制的闭环系统，来满足倍捻机的导纱往复运动的需要。对于电气接线图将在附图中可查阅。 图43 MR-J2S系列驱动器接线总图4.3 上位控制器PLC选用由于本课题是基于PLC倍捻机控制系统设计，那么我们的控制器则是PLC。对于控制器的选用同样是要根据我们所设计系统选择。选择的基本依据了满足我们的控制要求就可以了。至于选择那种品牌的PLC自然是要结合我们设计的经济性、控制的稳定性，对使用环

19、境适应性、购买和售后服务的周全性等要求来综合考虑。4.3.1 PLC品牌确定可编程序控制器（PLC）是集微机技术、自动化技术、通信技术于一体的通用工业控制装置。它可靠性强、性价比高、使用方便，已在工业控制的各个领域里得到了极为广泛的应用，成为实现工业自动化的一种强有力的工具。现在世界上的PLC种类非常丰富，各国各地区都有自己研制的PLC。但从市场份额的角度上讲，主流的PLC有西门子、三菱、欧姆龙、松下、ABB、施赖德等等。欧姆龙公司是世界著名的几大PLC生产与开发的厂家之一，欧姆龙的大、中、小、微型机各具特色，各有所长，在中国市场占有率位居前列。特别是他的小型机P型机、中型机C200H,、在用

20、户中享有很高的声誉。它的小型机CPM1A与其他的机型相比更加强大，其性价比很高，而且售后服务也非常齐全，在小规模控制中应用是非常的广泛。综合它众多优点，我们选择用欧姆龙公司的PLC来控制倍捻机运动系统。 4.3.2 欧姆龙PLC CPM1A的功能简介1. 模拟设定电位器功能 CPM1A有2个模拟设定电位器，可用于模拟设定定时器/计数器的设定值。2个电位器于CPU单元面板的左上角，用螺丝刀旋转电位器，0200（BCD）的值自动送入特殊辅助继电器区域，模拟设定电位器0的值送入250CH，模拟设定电位器1的值送入251CH。2. 输入时间常数设定功能CPM1A的输入电路设有滤波器，可减少振动和外部杂

21、波干扰造成的不可靠性。输入滤波器时间常数可以根据需要进行设置，设置范围为1ms/2ms/4ms/8ms/16ms/32ms/64ms/128ms(缺省设置为8ms)。要修改CPM1A的输入时间常数，可通过外围设备在PLC系统设置区域的DM6620DM6625中设置。3. 外部输入中断功能在CPM1A的CPU单元，10点I/O型有2个输入点0000300004，20点，30点，40点I/O型有4个输入点0000300006，可以来实现外部输入中断。外部输入中断有两种模式：输入中断模式与计数器中断模式。在使用输入中断功能时，应通过外围设备在PLC系统设置区域的DM6628进行设置。4. 快速响应输

22、入功能 由于PLC采用循环扫描的工作方式，其输出对输入的响应速度受扫描周期的影响。这在一般情况下不会有问题，但是在一些特殊情况下会出问题。特别是一些瞬时的输入信号往往被遗漏。为了防止出现这种情况，在CPM1A中设计了快速响应功能。它可以不受扫描周期的影响，随时接受瞬间脉冲，最小脉冲宽度0.2ms。快速响应的输入内部具有缓冲，将瞬间脉冲记忆下来并在规定时间响应它。在CPM1A的CPU单元中，10点I/O型有2点，20点、20点、30点、40点I/O型有4点快速响应输入，它们的端子号与外部中断输入端子号相同，也是0000300004或0000300006。在使用快速响应输入功能时，应通过外围设备在

23、PLC系统设置区域的DM6628进行设置。5. 间隔定时中断功能 CPM1A有一个间隔定时器，间隔定时器一到规定的时间，立即停止执行主程序，转去执行中断子程序。间隔定时有两种模式：一种定时时间到，只执行一次中断，称为单次中断模式；另一种是没隔一段时间就中断一次，称为重复中断模式。间隔定时时间可在0.5319968ms范围内设定。 6. 高速计数器功能CPM1A的高速计数器有递增输入和相位差输入两种模式。它与中断功能配合使用可以实际目标值一致比较控制或区域比较控制。在递增输入模式下，计数器脉冲输入端为00000，计数频率为5KHz，计数范围为065535；在相位差模式下，计数脉冲输入端为0000

24、0和00001、复位输入端为00002，计数频率为2.5KHz，计数范围为-3276732767。在使用高速计数器功能时，应通过外围设备在PLC系统设置区域的DM6628进行设置。7. 脉冲输出CPM1A的晶体管输出型能产生一个20Hz2KHz的单相脉冲输出，占空比为50%，输出点为01000或01001.输出脉冲的数目、频率分别由PULS、SPED指令控制8. 通信功能强大CPM1A具有较为强大的通信功能，CPM1A可以与个人计算机进行HOST Link通信；CPM1A还可以与本公司的可编程终端进行NT链接通信；在 CPM1A之间、与CQM1、CPM1、SRM1之间进行1：1PLC Link

25、通信。通信时除了外设端口连接适当的通信适配器外，还有通过外围设备在PLC系统设定区的DM6650DM6653进行设置。 9. 丰富的指令系统和高性能的快闪内存 CPM1A具有丰富的指令系统，除了基本的逻辑指令、定时/计数指令、位移指令外，还有算数运算指令、逻辑运算指令、数据传送指令、数据比较指令、数据转化指令、高速计数器指令中断控制指令、脉冲输出指令、子程序控制指令、步进控制指令、故障诊断指令等。CPM1A的基本指令有14种，应用指令有79种。利用这些指令可以很方便完成复杂的控制功能。CPM1A采用快闪存储器作内存，不用锂电池保存内存数据及用户程序，因此很使用方便。 以上的九个主要方面的功能，使我们控制器CPM1A的功能的强大，故在此我们选用欧姆龙的CPM1A做为倍捻机的上位机。4.4 本章小结本章主要是根据前面几章运动分析和传动设计，以及结合结构与机构部分设计参数，对三个运动控制系统进行详细设计。其中大部分是对系统功能器件的选择。经过这章运动系统的设计和搭建，整个倍捻机的运动控制系统基本形成，当然也为后续控制系统组建与链接、控制器的选择、程序的设计提供相应的参数。