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无缝内衣机纱线张力自整定PID控制器设计

万中魁;胡旭东;彭来湖

【摘要】针对无缝内衣机织造时的纱线张力实时变化和现有控制器抗干扰能力差、

纱线张力控制精度低的问题,对纱线张力的采集、直流电机的驱动、数据的传输和

纱线张力的恒定进行了研究,提出了一种基于CAN总线通讯和模糊参数自整定PID

方法的控制器.阐述了控制器的硬件电路设计和软件设计,给出了纱线张力检测电路、

直流电机驱动电路、CAN总线接口电路和断纱报警电路的工作原理以及CAN总

线的通讯方法.重点论述了基于模糊规则的自整定PID控制方法的实现,并利用

Simulink仿真对控制器的准确性进行了测试.研究结果表明,该控制器有效解决了纱

线张力的非线性时变问题,实现了纱线的恒张力输送,使编织成圈均匀整齐,且系统稳

定性高,实时性好.

【期刊名称】《机电工程》

【年(卷),期】2015(032)012

【总页数】5页(P1611-1615)

【关键词】恒张力;纱线;CAN总线;自整定PID

【作者】万中魁;胡旭东;彭来湖

【作者单位】浙江理工大学教育部现代纺织装备技术工程研究中心,浙江杭州

310018;浙江理工大学教育部现代纺织装备技术工程研究中心,浙江杭州310018;

浙江理工大学教育部现代纺织装备技术工程研究中心,浙江杭州310018

【正文语种】中文

【中图分类】TH39;TS183

0引言

无缝针织内衣机是一种集约化控制的机电一体化针织设备，专门用于编织高档无缝

全成形针织内衣产品［1］。为了保证无缝内衣产品的弹性和舒适度，针织材料多

采用高弹性纱线。弹性纱线输送过程中，张力的变化直接影响编织成圈的均匀和整

齐。所以，实现弹性纱线的恒张力输送，是无缝内衣机准确成圈的关键。可靠稳定

的恒张力输纱控制系统能大大提升无缝内衣机的编织效率和产品质量。

该设计通过对编织成圈过程中纱线张力变化进行研究，提出一种基于CAN总线通

讯和模糊规则自整定PID方法的控制器，以解决无缝内衣机织造时的纱线张力实

时变化和现有控制器抗干扰能力差、纱线张力控制精度低的问题。

本研究从总体设计、硬件设计和软件设计3个方面进行阐述，并通过仿真测试，

验证方案的可行性。

1总体设计概述

无缝内衣机中弹性纱线从纱架上的纱筒外圈绕下，穿过断纱报警器的过孔，进入恒

张力输纱装置后，经过编织成圈机构的成圈编织，形成无缝产品［2］。该设计是

针对在输纱过程中，对纱线张力进行实时检测，运用模糊自整定的PID控制方法，

减小实际测量值与设定值之间的误差，调整直流电机转速，实现张力的恒定。

控制系统的结构图如图1所示，主要包括主控模块、恒张力控制模块和断纱报警

模块。①主控模块采用32位Cortex-M4内核的ARM芯片STM32F407作为控

制核心，最高工作频率达168MHz，芯片内资源丰富，含6路UART和2路

CAN控制器，最多提供140个I/O口。②恒张力控制模块中主要包括与主控模块

通讯的DSP芯片、驱动直流电机的驱动电路和张力检测模块。主控模块与恒张力

模块之间通过CAN总线通讯，主控模块发送指令到恒张力控制模块，实现张力设

置和张力大小调节;恒张力控制模块反馈当前张力值，并在张力变化过大时发出停

止指令。③断纱报警模块由断纱信号采集电路和断纱报警器组成，能够检测输纱过

程中是否出现断纱现象，一旦发生断纱，则向主控模块发出报警信号，主控模块向

恒张力控制模块发送停机指令，直流电机停止转动。

图1控制系统结构图

2硬件电路设计

2.1纱线张力检测模块设计

2.1.1纱线张力检测原理

张力检测机构简图如图2所示。纱线张力的检测，采用应变电阻传感器［3］。应

变电阻片在受到拉力或压力时会产生阻值变化，图2中:纱线2在牵引力下向上贴

紧基座1，导致基座1受力发生形变，应变电阻片a3受到压力作用，应变电阻片

b4受到拉力作用，不同的纱线张力产生的形变不同，所以应变电阻片的阻值不同。

图2张力检测机构简图1—基座;2—纱线;3—应变电阻片a;4—应变电阻片b

2.1.2纱线张力检测模块电路设计

张力检测模块电路原理图如图3所示。本研究通过桥式检测电路将阻值变化转换

为电压变化，经过差分放大电路将电压值放大到ADC模块的电压采集范围内

［4］