基于交流伺服电机的纤维缠绕张力控制系统研究

摘要

纤维缠绕成型是一种重要的复合材料成型工艺,在纤维缠绕成型的过程中纤维纱带受到的张力是影响所得制品质量的重要工艺参数,对缠绕过程中张力的实时控制具有重要意义。目前纤维缠绕系统中,张力控制系统大多采用磁粉制动器或者力矩电机作为系统执行元件,在实时控制中存在响应速度较慢的缺点。
　　本文提出一种以交流伺服电机作为张力控制执行元件的方法,通过实际控制系统的组建以及试验和比较,研究表明交流伺服电机适用于张力控制系统,并能取得良好的控制效果。本文的工作主要包括以下几点:(1)系统的组建工作。在对纤维缠绕张力控制系统原理的理解以及其特点的分析的基础上,组建了一套以张力传感器作为检测部分加入对实时张力的反馈、计算机作为控制部分、交流伺服电机作为执行元件的闭环伺服控制系统。(2)张力检测部分的设计。在张力的检测元件上选用的是一种平行梁称重传感器,并通过传感器部分实现张力与电信号的转换。在数据采集模块部分选用的是基于PCI总线的PCI-7422板卡,并且通过在计算机里利用Labview软件的编程与调试,实现了计算机对实时张力的检测。(3)控制信号输出部分的设计。为了实现计算机输出的数字信号控制交流伺服电机的运动,选用了基于USB总线的MP431板卡,并且运用Labview软件的编程实现了计算机中控制信号的输出。(4)张力控制策略的设计。根据纤维缠绕张力控制系统的特点,在选择控制策略时,采用的是积分分离式的PID控制策略,当实时的张力偏差超过了设定的范围时,将采用PD控制;并对张力控制系统进行PID参数整定,得到了控制效果良好的PID控制参数。(5)张力控制系统的调试与试验。首先,对交流伺服电机作为执行元件的张力控制系统进行了的运行调试,实现了良好的张力控制效果。并且,安装和调试了分别用磁粉制动器和力矩电机作为执行器件的张力控制系统。通过对各系统的多次运行试验,进行了试验记录数据的分析和控制效果比较,表明交流伺服电机控制系统的响应最快、控制效果最佳。

目录

摘要

Abstract

第一章 绪论

1.1 纤维缠绕技术概述

1.1.1 纤维缠绕成型工艺概述

1.1.2 纤维缠绕的发展与应用

1.2 纤维缠绕中张力控制方法及对其控制的意义

1.3 纤维缠绕张力控制系统的国内外研究现状

1.3.1 交流伺服控制系统的研究现状

1.3.2 纤维缠绕张力控制系统的检测部分研究现状

1.3.3 纤维缠绕张力控制器部分的研究现状

1.4 研究目的与意义

1.4.1 研究目的

1.4.2 研究意义

1.5 研究内容

第二章 基于交流伺服电机的张力控制系统硬件组建

2.1 交流伺服电机的工作原理

2.2 交流伺服电机的转矩控制

2.3 系统检测部分的设计

2.4 控制器的设计

2.5 输入输出模块的设计

2.6 交流伺服张力控制系统的特性及要求

2.6.1 模型的不确定性

2.6.2 交流伺服张力控制系统的基本要求

2.7 张力控制方法的组建

2.8 本章总结

第三章 张力控制策略设计

3.1 张力控制系统的模型建立

3.2 PID控制策略的原理

3.3 积分分离式PID控制策略

3.4 纤维缠绕张力控制系统PID控制的实现

3.5 本章总结

第四章 基于交流伺服电机的张力控制系统软件设计

4.1 基于Labview建立的控制器的基本框架

4.2 数据采集模块的设计

4.3 张力传感器的标定

4.4 采集过程的数字滤波设计

4.5 控制器部分的软件设计

4.6 本章总结

第五章 张力控制系统分析与试验

5.1 交流伺服电机张力控制系统分析

5.2 磁粉制动器张力控制系统分析

5.3 力矩电机张力控制系统分析

5.4 张力控制系统试验与比较

5.4.1 张力开环控制的输出线性试验与比较

5.4.2 张力开环控制的响应速度试验与比较

5.4.3 张力闭环控制的输出线性试验与比较

5.5 本章总结

第六章 总结与展望

6.1 总结

6.2 展望

参考文献

攻读硕士学位期间发表的学术论文

致谢