專利名稱：一種用于全伺服并條機(jī)自調(diào)勻整控制的電子差速齒輪的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本實(shí)用新型屬于紡織機(jī)械自動(dòng)控制技術(shù)領(lǐng)域，具體地說，是一種用于并條機(jī)自調(diào)勻整控制的電子控制部件。
背景技術(shù)：
并條機(jī)是紡織生產(chǎn)中的關(guān)鍵設(shè)備，用于把若干根梳理或精梳后的纖維條經(jīng)過牽伸機(jī)構(gòu)加工成為具有一定品質(zhì)要求的纖維條。并條機(jī)的作用是改善條子的內(nèi)部結(jié)構(gòu)，從而提高其長片段均勻度，同時(shí)降低重量不勻率，使條子中的纖維伸直平行，減少彎鉤，使細(xì)度符合規(guī)定，使不同種類或不同品質(zhì)的原料混和均勻，達(dá)到規(guī)定的混和比。并條機(jī)的自調(diào)勻整控制可以通過輸入纖維條的質(zhì)量密度來控制牽伸機(jī)構(gòu)的牽伸倍數(shù)來進(jìn)一步提高輸出纖維條的均勻度即條干值。并條機(jī)牽伸機(jī)構(gòu)通常由三對(duì)羅拉組成，一羅拉為前羅拉，牽伸過程中保持速度不變以達(dá)到固定的生產(chǎn)速度，二羅拉和三羅拉為后羅拉，二羅拉和三羅拉之間用同步帶傳動(dòng)保持固定的速度比，實(shí)現(xiàn)對(duì)纖維條的預(yù)牽伸，二羅拉和一羅拉之間的速度比由自調(diào)勻整控制系統(tǒng)進(jìn)行調(diào)節(jié)實(shí)現(xiàn)對(duì)纖維條的主牽伸。因此，并條機(jī)的自調(diào)勻整控制最終是通過控制二羅拉的速度來完成的。針對(duì)二羅拉的傳動(dòng)控制，主要有兩種方式差速傳動(dòng)方式和獨(dú)立傳動(dòng)方式。圖1是基于差速齒輪箱的并條機(jī)自調(diào)勻整系統(tǒng)原理示意圖，多根纖維條并合后，經(jīng)過三對(duì)羅拉組成的牽伸機(jī)構(gòu)后輸出。自調(diào)勻整控制器通過檢測(cè)羅拉檢測(cè)輸入條子的質(zhì)量密度，控制勻整伺服電機(jī)的速度，主電機(jī)和勻整電機(jī)連接到機(jī)械差速齒輪箱的輸入軸，差速齒輪箱的輸出軸與二、三羅拉連接，通過調(diào)節(jié)勻整伺服電機(jī)的速度來改變二、三羅拉的速度，從而改善輸入條子的均勻度。差速傳動(dòng)方式實(shí)現(xiàn)了羅拉同步運(yùn)動(dòng)和自調(diào)勻整之間的解耦，但采用機(jī)械差速齒輪箱，具有維護(hù)復(fù)雜，齒輪比調(diào)節(jié)不靈活，響應(yīng)特性不高等缺點(diǎn)。采用獨(dú)立傳動(dòng)方式，即用伺服電機(jī)直接驅(qū)動(dòng)二羅拉，則可以克服上述缺點(diǎn)，但必須解決羅拉同步運(yùn)動(dòng)控制和自調(diào)勻整控制的解耦問題，否則會(huì)大大提高二羅拉電機(jī)控制的復(fù)雜度。

實(shí)用新型內(nèi)容本實(shí)用新型目的在于提供一種用于全伺服并條機(jī)自調(diào)勻整控制的電子差速齒輪， 該結(jié)構(gòu)作為并條機(jī)控制系統(tǒng)的一部分，使電子差速齒輪具有和機(jī)械差速齒輪同樣的剛度， 有效地實(shí)現(xiàn)了同步運(yùn)動(dòng)和自調(diào)勻整之間的解耦。同時(shí)具有齒輪比靈活可調(diào)，具備機(jī)械諧振抑制能力等優(yōu)點(diǎn)。為實(shí)現(xiàn)本實(shí)用新型的目的，本實(shí)用新型提出如下的技術(shù)方案一種用于全伺服并條機(jī)自調(diào)勻整控制的電子差速齒輪，設(shè)置于并條機(jī)前羅拉編碼器和后羅拉電機(jī)驅(qū)動(dòng)器之間，其特征在于，該電子差速齒輪包括分頻器、數(shù)字濾波器、脈沖發(fā)生器、測(cè)速模塊、脈沖合成器和速度合成器，其中，[0009]所述分頻器的輸入端與并條機(jī)前羅拉編碼器相連，分頻器的輸出端分別連接到測(cè)速模塊和脈沖合成器的輸入端，數(shù)字濾波器的輸入端與全伺服并條機(jī)的自調(diào)勻整控制器的控制信號(hào)輸出端相連，數(shù)字濾波器的輸出端分別連接到脈沖發(fā)生器和速度合成器的輸入端，測(cè)速模塊的輸出端與速度合成器的輸入端相連，脈沖發(fā)生器的正脈沖輸出端和負(fù)脈沖輸出端均與脈沖合成器輸入端相連，脈沖合成器和速度合成器的輸出端均與并條機(jī)后羅拉電機(jī)驅(qū)動(dòng)器相連。前羅拉編碼器和自調(diào)勻整控制器的輸出信號(hào)分別經(jīng)分頻器和數(shù)字濾波器進(jìn)行分頻和濾波處理，同時(shí)分別經(jīng)測(cè)速模塊和脈沖發(fā)生器進(jìn)行速度測(cè)量和脈沖測(cè)量后再進(jìn)入脈沖合成器和速度合成器，進(jìn)行速度和脈沖合成后輸出到后羅拉電機(jī)驅(qū)動(dòng)器，實(shí)現(xiàn)差速控制。本實(shí)用新型中分頻器可實(shí)現(xiàn)任意電子齒輪比的分頻，采用分頻器，可取代差速齒輪箱結(jié)構(gòu)中的輕重牙調(diào)整。本實(shí)用新型中數(shù)字濾波器對(duì)自調(diào)勻整控制器的控制指令信號(hào)進(jìn)行數(shù)字低通濾波和必要的帶阻濾波，消除控制指令信號(hào)中的干擾和噪聲，以及會(huì)引起機(jī)械設(shè)備諧振的頻率段信號(hào)。本實(shí)用新型中脈沖發(fā)生器把數(shù)字濾波器的輸出信號(hào)轉(zhuǎn)變?yōu)槊}沖信號(hào)。當(dāng)數(shù)字濾波器輸出信號(hào)為正值時(shí)，脈沖發(fā)生器的正脈沖輸出端輸出脈沖；當(dāng)數(shù)字濾波器輸出信號(hào)為負(fù)值時(shí)，脈沖發(fā)生器的負(fù)脈沖輸出端輸出脈沖；脈沖的頻率與數(shù)字濾波器輸出信號(hào)幅值成正比。脈沖發(fā)生器不會(huì)同時(shí)輸出正脈沖和負(fù)脈沖。本實(shí)用新型中測(cè)速模塊對(duì)分頻器輸出的脈沖信號(hào)進(jìn)行精確測(cè)頻，得到與脈沖信號(hào)頻率成正比的輸出信號(hào)，用于速度合成。本實(shí)用新型中脈沖合成器把分頻器輸出脈沖和脈沖發(fā)生器的輸出脈沖進(jìn)行疊加，在固定時(shí)間內(nèi)，如果分頻器輸出脈沖數(shù)為M，脈沖發(fā)生器輸出正脈沖數(shù)為Ni，輸出負(fù)脈沖數(shù)為N2，則在該時(shí)間內(nèi)脈沖合成器的輸出脈沖數(shù)為M+N1-N2，該輸出脈沖作為位置指令輸出到二羅拉電機(jī)驅(qū)動(dòng)器的位置環(huán)，即單位時(shí)間內(nèi)輸出脈沖數(shù)對(duì)應(yīng)著單位時(shí)間內(nèi)二羅拉電機(jī)的運(yùn)動(dòng)位移。本實(shí)用新型中速度合成器把測(cè)速模塊的輸出值和數(shù)字濾波器的輸出值進(jìn)行疊加， 得到后羅拉電機(jī)的速度指令，該指令作為前饋信號(hào)輸出到后羅拉電機(jī)驅(qū)動(dòng)器的位置環(huán)。本實(shí)用新型的優(yōu)越性和技術(shù)效果在于提供一種用于全伺服并條機(jī)自調(diào)勻整控制的電子差速齒輪結(jié)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)全伺服并條機(jī)的自調(diào)勻整控制與羅拉電機(jī)同步控制的解耦控制，即自調(diào)勻整控制算法只需要根據(jù)輸入棉條的質(zhì)量密度和死區(qū)長度給出合適的差速控制信號(hào)給電子差速齒輪，電子差速齒輪具有與機(jī)械差速齒輪同樣的剛度。這種新型結(jié)構(gòu)用電子元件取代了自調(diào)勻整并條機(jī)的傳統(tǒng)機(jī)械差速齒輪箱結(jié)構(gòu)，同時(shí)又保持了機(jī)械差速齒輪箱的同步性好、抗干擾能力強(qiáng)的優(yōu)點(diǎn)，控制系統(tǒng)的靈活性、響應(yīng)能力和可靠性高。

圖1為基于機(jī)械差速齒輪箱的并條機(jī)自調(diào)勻整控制原理示意圖。圖2為本實(shí)用新型的整體結(jié)構(gòu)示意圖。
具體實(shí)施方式
[0020]
以下結(jié)合附圖對(duì)本實(shí)用新型作進(jìn)一步詳細(xì)的說明。在圖2中，電子差速齒輪1連接于一個(gè)并條機(jī)前羅拉編碼器8、自調(diào)勻整控制器 9、后羅拉電機(jī)驅(qū)動(dòng)器10之間，該電子差速齒輪1包括分頻器2、數(shù)字濾波器3、脈沖發(fā)生器 4、測(cè)速模塊5、脈沖合成器6、速度合成器7。其中分頻器2的輸入端與并條機(jī)前羅拉編碼器8的輸出端相連，分頻器2的輸出端分別與測(cè)速模塊5和脈沖合成器6的輸入端相連；數(shù)字濾波器3的輸入端與自調(diào)勻整控制器 9的控制信號(hào)輸出端相連，數(shù)字濾波器3的輸出端分別與脈沖發(fā)生器4和速度合成器7的輸入端相連；測(cè)速模塊5的輸入端與分頻器2的輸出端相連，測(cè)速模塊5的輸出端與速度合成器7的輸入端相連；脈沖發(fā)生器4的輸入端和數(shù)字濾波器3的輸入端相連，脈沖發(fā)生器4的正脈沖輸出、負(fù)脈沖輸出兩個(gè)輸出端與脈沖合成器6相連；脈沖合成器6的輸入端與分頻器 2的輸出端、脈沖發(fā)生器4的兩個(gè)輸出端相連，脈沖合成器6的輸出端與并條機(jī)后羅拉電機(jī)驅(qū)動(dòng)器10的輸入端相連；速度合成器7的輸入端與數(shù)字濾波器3的輸出端、測(cè)速模塊5的輸出端相連，速度合成器7的輸出端與并條機(jī)后羅拉電機(jī)驅(qū)動(dòng)器10的輸入端相連。上述模塊可以有多種實(shí)施方式，其中可編程邏輯器件如FPGA是最佳的實(shí)施方式。 下面給出一種基于FPGA的實(shí)施方式，其中加法器、乘法器、計(jì)數(shù)器等模塊作為基本的FPGA 實(shí)現(xiàn)單元，直接使用而沒有給出其內(nèi)部實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)。分頻器2 為便于FPGA實(shí)現(xiàn)，首先把分頻系數(shù)轉(zhuǎn)換為M/2N的形式，分頻器內(nèi)部包括一 2N位的累加器，上電復(fù)位后初始值為零，每個(gè)輸入脈沖的上升沿使累加器的值增加M,則累加器的高N位對(duì)應(yīng)數(shù)值X代表分頻后應(yīng)該輸出的脈沖數(shù)累加值，用N位計(jì)數(shù)器對(duì)分頻器實(shí)際輸出脈沖進(jìn)行計(jì)數(shù)，并把該計(jì)數(shù)值Y與X進(jìn)行比較，如果Y < X，則邏輯電路產(chǎn)生一個(gè)脈沖到分頻器輸出端，同時(shí)計(jì)數(shù)器使Y增1，直到Y(jié) = X，分頻器輸出端不再輸出脈沖。采用上述邏輯結(jié)構(gòu)，分頻器每接收2N個(gè)輸入脈沖，會(huì)產(chǎn)生M個(gè)輸出脈沖，從而實(shí)現(xiàn)了任意小數(shù)比的分頻。數(shù)字濾波器3 數(shù)字濾波器3可采用加法器和乘法器，實(shí)現(xiàn)固定結(jié)構(gòu)的UR濾波器，濾波器系數(shù)可根據(jù)并條機(jī)機(jī)械特性和傳感器特性離線算好后作為參數(shù)提供給數(shù)字濾波
ο脈沖發(fā)生器4 脈沖發(fā)生器4的實(shí)現(xiàn)與分頻器類似，內(nèi)部含有一累加器，初始值為零，每隔固定的采樣周期，累加器與當(dāng)前數(shù)字濾波器的輸出值相加，取累加器的高N位值作為脈沖發(fā)生器4應(yīng)該輸出的脈沖數(shù)累加值，用N位計(jì)數(shù)器和比較器控制輸出脈沖的產(chǎn)生，使脈沖發(fā)生器4實(shí)際輸出的脈沖累加計(jì)數(shù)與累加器的高N位相等。測(cè)速模塊5 測(cè)速模塊5通過測(cè)量輸入脈沖的頻率來達(dá)到測(cè)速的目的，頻率的測(cè)量有多種方式，如單位時(shí)間窗內(nèi)對(duì)輸入脈沖進(jìn)行計(jì)數(shù)，或用高頻率時(shí)鐘脈沖測(cè)量兩個(gè)輸入脈沖上升沿之間的時(shí)間等。為了精確的測(cè)量頻率，可以充分發(fā)揮FPGA的優(yōu)勢(shì)，采用上述兩種方法相結(jié)合的測(cè)量方式。脈沖合成器6 可采用三計(jì)數(shù)端口的可逆計(jì)數(shù)器，分頻器2的輸出的每個(gè)脈沖使計(jì)數(shù)器增1，脈沖發(fā)生器4輸出的每個(gè)正脈沖也使計(jì)數(shù)器增1，脈沖發(fā)生器4輸出的每個(gè)負(fù)脈沖使計(jì)數(shù)器減1。速度合成器7 可直接采用加法器，把數(shù)字濾波器3的輸出值和測(cè)速模塊5的輸出值相加，為了支持帶符號(hào)運(yùn)算，需要先把把數(shù)字濾波器3的輸出值和測(cè)速模塊5的輸出值表示成二進(jìn)制補(bǔ)碼形式，然后進(jìn)行補(bǔ)碼加法，其結(jié)果作為輸出值發(fā)送給并條機(jī)后羅拉電機(jī)驅(qū)動(dòng)器10。電子差速齒輪的工作過程如下當(dāng)外部的自調(diào)勻整控制器9未工作時(shí)，其輸出控制信號(hào)為零，并條機(jī)作為無自調(diào)勻整的普通并條機(jī)運(yùn)行。此時(shí)電子差速齒輪相當(dāng)于一個(gè)電子齒輪，分頻器2的分頻比對(duì)應(yīng)著電子齒輪比，當(dāng)一羅拉11 (即前羅拉)在運(yùn)動(dòng)時(shí)，安裝在一羅拉11上的編碼器8輸出脈沖信號(hào)，該脈沖頻率和數(shù)量分別與一羅拉11的速度和角位移成正比，由于自調(diào)勻整控制器 9的輸出信號(hào)為零，則數(shù)字濾波器3的輸出也為零，脈沖發(fā)生器4不輸出脈沖，此時(shí)脈沖合成器6的輸出脈沖與分頻器2的輸出脈沖相同，速度合成器7的輸出信號(hào)與測(cè)速模塊5的輸出信號(hào)相同，脈沖合成器6的輸出脈沖和速度合成器7的輸出信號(hào)同時(shí)輸出到二、三羅拉 12、13(即后羅拉)的電機(jī)驅(qū)動(dòng)器10驅(qū)動(dòng)羅拉旋轉(zhuǎn)，后羅拉電機(jī)與前羅拉的轉(zhuǎn)速比由分頻器 2的分頻比決定，該分頻比決定了在沒有自調(diào)勻整作用下羅拉的牽伸倍數(shù)，由設(shè)備操作人員根據(jù)工藝設(shè)定。當(dāng)外部的自調(diào)勻整控制器9啟動(dòng)工作時(shí)，其輸出控制信號(hào)由自調(diào)勻整控制器的纖維條密度檢測(cè)傳感信號(hào)、勻整控制參數(shù)和勻整控制算法共同決定，該信號(hào)用于控制電子差速齒輪1實(shí)現(xiàn)電子差速，該信號(hào)經(jīng)過數(shù)字濾波器3過濾掉一部分高頻噪聲和可能引起諧振的頻率段信號(hào)。當(dāng)數(shù)字濾波器3的輸出信號(hào)為正信號(hào)時(shí)，脈沖發(fā)生器4在正脈沖輸出端輸出脈沖信號(hào)，脈沖頻率實(shí)時(shí)地與數(shù)字濾波器3的輸出信號(hào)值成正比，脈沖合成器6在單位時(shí)間內(nèi)輸出的脈沖個(gè)數(shù)是分頻器2輸出脈沖個(gè)數(shù)和脈沖發(fā)生器4輸出脈沖個(gè)數(shù)之和，速度合成器7的輸出信號(hào)是測(cè)速模塊5輸出信號(hào)值與數(shù)字濾波器3輸出信號(hào)值之和，脈沖合成器6 的輸出脈沖和速度合成器7的輸出信號(hào)同時(shí)輸出到二、三羅拉12、13(即后羅拉)的電機(jī)驅(qū)動(dòng)器10驅(qū)動(dòng)羅拉旋轉(zhuǎn)，后羅拉電機(jī)的速度等于前羅拉轉(zhuǎn)速乘以分頻器2的分頻比再加上自調(diào)勻整控制器9輸出信號(hào)對(duì)應(yīng)的速度。當(dāng)數(shù)字濾波器3的輸出信號(hào)為負(fù)信號(hào)時(shí)，脈沖發(fā)生器4在負(fù)脈沖輸出端輸出脈沖信號(hào)，脈沖頻率實(shí)時(shí)地與數(shù)字濾波器3的輸出信號(hào)值成正比， 脈沖合成器6在單位時(shí)間內(nèi)輸出的脈沖個(gè)數(shù)是分頻器2輸出脈沖個(gè)數(shù)和脈沖發(fā)生器4輸出脈沖個(gè)數(shù)之差，速度合成器7的輸出信號(hào)是測(cè)速模塊5輸出信號(hào)值與數(shù)字濾波器3輸出信號(hào)值之差，脈沖合成器6的輸出脈沖和速度合成器7的輸出信號(hào)同時(shí)輸出到二、三羅拉12、 13(即后羅拉)的電機(jī)驅(qū)動(dòng)器10驅(qū)動(dòng)羅拉旋轉(zhuǎn)，后羅拉電機(jī)的速度等于前羅拉轉(zhuǎn)速乘以分頻器2的分頻比再減去自調(diào)勻整控制器9輸出信號(hào)對(duì)應(yīng)的速度。通過上述過程，電子差速齒輪實(shí)現(xiàn)了與機(jī)械差速齒輪箱類似的功能差速輸入端無輸入時(shí)，實(shí)現(xiàn)普通齒輪功能，并具有齒輪比靈活可調(diào)的特點(diǎn)，當(dāng)差速輸入端有輸入時(shí)，通過電子方法控制后羅拉電機(jī)的速度，實(shí)現(xiàn)差速功能，達(dá)到與自調(diào)勻整控制解耦的目的。
權(quán)利要求1.一種用于全伺服并條機(jī)自調(diào)勻整控制的電子差速齒輪，設(shè)置于并條機(jī)前羅拉編碼器 (8)和后羅拉電機(jī)驅(qū)動(dòng)器(10)之間，其特征在于，該電子差速齒輪包括分頻器O)、數(shù)字濾波器(3)、脈沖發(fā)生器、測(cè)速模塊(5)、脈沖合成器(6)和速度合成器(7)，其中，所述分頻器O)的輸入端與并條機(jī)前羅拉編碼器(8)相連，分頻器O)的輸出端分別連接到測(cè)速模塊( 和脈沖合成器(6)的輸入端，數(shù)字濾波器(3)的輸入端與全伺服并條機(jī)的自調(diào)勻整控制器(9)的控制信號(hào)輸出端相連，數(shù)字濾波器(3)的輸出端分別連接到脈沖發(fā)生器(4)和速度合成器(7)的輸入端，測(cè)速模塊(5)的輸出端與速度合成器(7)的輸入端相連，脈沖發(fā)生器的正脈沖輸出端和負(fù)脈沖輸出端均與脈沖合成器(6)輸入端相連，脈沖合成器(6)和速度合成器(7)的輸出端均與并條機(jī)后羅拉電機(jī)驅(qū)動(dòng)器(10)相連。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的電子差速齒輪，其特征在于，所述數(shù)字濾波器(3)用于對(duì)自調(diào)勻整控制器(9)的控制指令信號(hào)進(jìn)行數(shù)字低通濾波和帶阻濾波，以消除控制指令信號(hào)中的干擾和噪聲，以及引起機(jī)械設(shè)備諧振的頻率段信號(hào)。
3.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的電子差速齒輪，其特征在于，所述脈沖發(fā)生器(4)用于將數(shù)字濾波器(3)的輸出信號(hào)轉(zhuǎn)變?yōu)槊}沖信號(hào)。
4.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的電子差速齒輪，其特征在于，所述測(cè)速模塊( 用于對(duì)分頻器(2)輸出的脈沖信號(hào)進(jìn)行測(cè)頻，以得到與脈沖信號(hào)頻率成正比的輸出信號(hào)，以用于速度合成。
5.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的電子差速齒輪，其特征在于，所述脈沖合成器(6)用于將分頻器O)的輸出脈沖和脈沖發(fā)生器的輸出脈沖進(jìn)行疊加，疊加合成的脈沖作為位置指令輸出到后羅拉電機(jī)驅(qū)動(dòng)器(10)的位置環(huán)。
6.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的電子差速齒輪，其特征在于，所述速度合成器(7)用于將測(cè)速模塊(5)的輸出值和數(shù)字濾波器(3)的輸出值進(jìn)行疊加，得到后羅拉電機(jī)驅(qū)動(dòng)器(10) 的速度指令，作為前饋信號(hào)輸出到后羅拉電機(jī)驅(qū)動(dòng)器(10)的位置環(huán)。
專利摘要本實(shí)用新型公開了一種用于全伺服并條機(jī)自調(diào)勻整控制的電子差速齒輪，設(shè)置于并條機(jī)前后羅拉編碼器(8，10)之間，包括分頻器(2)、數(shù)字濾波器(3)、脈沖發(fā)生器(4)、測(cè)速模塊(5)、脈沖合成器(6)和速度合成器(7)，其中，前羅拉編碼器(8)和自調(diào)勻整控制器(9)的輸出信號(hào)分別經(jīng)分頻器(2)和數(shù)字濾波器(3)進(jìn)行分頻和濾波處理，同時(shí)分別經(jīng)測(cè)速模塊(5)和脈沖發(fā)生器(4)進(jìn)行速度測(cè)量和脈沖測(cè)量后再進(jìn)入脈沖合成器(6)和速度合成器(7)，進(jìn)行速度和脈沖合成后輸出到后羅拉電機(jī)驅(qū)動(dòng)器(10)，實(shí)現(xiàn)差速控制。本實(shí)用新型的電子差速齒輪具有和機(jī)械差速齒輪同樣的剛度，齒輪比靈活可調(diào)，具備機(jī)械諧振抑制能力等優(yōu)點(diǎn)。
文檔編號(hào)D01H5/38GK202214496SQ20112027665
公開日2012年5月9日 申請(qǐng)日期2011年8月1日 優(yōu)先權(quán)日2011年8月1日
發(fā)明者仁向杰, 宋小軍, 沈忱, 艾武, 謝經(jīng)明, 陳冰, 陳幼平 申請(qǐng)人:華中科技大學(xué)