第四章 倍 捻机传动系统研究.docx
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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0.4~315KW。
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）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/kw
FR-A540-0.4K-CH
1.1
1.5
0.4
FR-A540-0.75K-CH
1.9
2.5
0.75
FR-A540-1.5K-CH
3
4
1.5
FR-A540-2.2K-CH
4.2
6
2.2
FR-A540-3.7K-CH
6.9
9
3.7
FR-A540-5.5K-CH
9.1
12
5.5
FR-A540-7.5K-CH
13
17
7.5
FR-A540-11K-CH
17.5
23
11
FR-A540-15K-CH
23.6
31
15
FR-A540-18.5K-CH
29
38
18.5
FR-A540-22K-CH
32.8
43
22
FR-A540-30K-CH
43.4
57
30
FR-A540-37K-CH
54
71
37
FR-A540-45K-CH
65
86
45
FR-A540-55K-CH
84
110
55
FR-A540L-75K
110
144
75
FR-A540L-90K
137
180
90
FR-A540L-110K
165
216
110
FR-A540L-132K
198
260
132
FR-A540L-160K
248
325
160
FR-A540L-220K
329
432
220
FR-A540L280K
417
547
417
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”、“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4—2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4—2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
7.5KW
FR-A540-7.5K-CH
断路器FQ
D215-40/390
接触器KM
CJ0-40
电源侧电抗器ALC
HKBJ/H-0110-B4
贵州新汇控科技有限公司
输出侧电抗器ACL
HKBC/H-0075-B4
贵州新汇控科技有限公司
热过载继电器JR
JBO-16/3D
2.2KW
FR-A540-2.2K-CH
断路器FQ
DZ15-63/390
接触器KM
CJO-30
电源侧电抗器ALC
HKBJ/H-0022-B4
贵州新汇控科技有限公司
输出侧电抗器ACL
HKBC/H-0022-B4
贵州新汇控科技有限公司
热过载继电器JR
JBO-16/3
说明
17.5KW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-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4—3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4—3可知我们选取的驱动器为MR-J2S-20A1。
表4—3MR-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-101
AC100V
允许范围：
AC85~127V
额定：
50/60;允许范围
±5%
0.3
0.05～0.1
1.2/4
MR-J2S-20A1
0.5
0.2
1.5/5.0
MR-J2S-40A1
0.9
0.4
3/9
MR-J2S-10A
AC230V;
允许范围207~253V
额定：
50/60Hz;允许范围
±5%
0.3
0.05～0.1
1.2/4
MR-J2S-20A
0.5
0.2
1.5/5
MR-J2S-40A
0.9
0.4
3/10
MR-J2S-60A
1
0.6
3.6/12
MR-J2S-70A
1.3
0.75
6/20
MR-J2S-10A
三相AC200V;
允许范围170~253V
额定：
50/60;允许范围
±5%
0.3
0.05～0.1
1.2/4
MR-J2S-20A
0.5
0.2
1.5/5
MR-J2S-40A
0.9
0.4
3/1
MR-J2S-60A
1
0.6
3.6/12
MR-J2S-70A
1.3
0.75
6/20
MR-J2S-100A
1.7
0.85～1.0
8/25
MR-J2S-200A
3.5
12～2
12/36
MR-J2S350A
5.5
3.5
16/48
MR-J2S-500A
7.5
5
30/90
MR-J2S-700A
10
7.5
40/120
MR-J2S-60A4
三相AC400V;
允许范围323~528V
额定：
50/60;允许范围
±5%
01.0
0.5
1.5/4.5
MR-J2S-100A4
1.7
1
2.9/8.7
MR-J2S-200A4
3.5
1.5～2
5/15
MR-J2S-350A4
5.5
3.5
8.4/2.5
MR-J2S-500A4
7.5
5
12/36
MR-J2S-700A4
10
7～7.5
18/54
（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4—4MR-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-10～10V
转矩给定
DC-8～8V
输入电阻
10～12KΩ
位置给定输入
输入方式
脉冲+方向，相位差为90º的正反转脉冲，正转+反转脉冲
信号类型
DC5V线驱动输入，DC5～24V集电极开路输入
输入脉冲频率
线驱动输入：
max500kHZ;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
0.02～500
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
0～55º/-20～65℃
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（50～750W）、中惯量HC-RFS系列（1～5KW）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4—5所示。
根据表格可确定伺服电机的型号是HC-KFS23
表4—5HC-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-KFS
053
13
23
43.
73
配套驱动器MR-
J2S-10A/B
J2S-10A/B
J2S-20A/B
J2S-40A/B
J2S-70A/B
额定输出功率（W）
50
100
200
400
750
额定输出转矩（N.m）
0.16
0.32
0.64
1.3
2.4
最大输出转矩（N.m）
0.48
0.95
1.9
3.8
7.2
额定转数（r/min）
3000
最高转数（r/min）
4500
瞬时最高转数（r/min）
5175
额定功率变化率（KW/s）
4.78
12.1
9.65
24.2
37.7
额定电流（A）
0.81
0.68
1.1
2.3
5.8
最大电流（A）
2.5
2.1
3.4
6.9
18.6
允许制动率（次/分钟）
不受限制
不受限制
不受限制
220
190
无/带制动转子惯量（10
.m
）
0.053/0.056
0.084/0.087
0.42/0.47
0.6/0.72
1.51/1.64
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4—3。
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4—3MR-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。
4.3.1PLC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PLCCPM1A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，0~200（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DM6620～DM6625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00003~00004，20点，30点，40点I/O型有4个输入点00003~00006，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00003~00004或00003~00006。
在使用快速响应输入功能时，应通过外围设备在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0.5～319968ms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0～65535；在相位差模式下，计数脉冲输入端为00000和00001、复位输入端为00002，计数频率为2.5KHz，计数范围为-32767～32767。
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20Hz～2KHz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HOSTLink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：
1PLCLink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DM6650～DM6653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。
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