專利名稱：一種用于全伺服并條機自調勻整控制的電子差速齒輪的制作方法
技術領域：
本實用新型屬于紡織機械自動控制技術領域，具體地說，是一種用于并條機自調勻整控制的電子控制部件。
背景技術：
并條機是紡織生產中的關鍵設備，用于把若干根梳理或精梳后的纖維條經過牽伸機構加工成為具有一定品質要求的纖維條。并條機的作用是改善條子的內部結構，從而提高其長片段均勻度，同時降低重量不勻率，使條子中的纖維伸直平行，減少彎鉤，使細度符合規(guī)定，使不同種類或不同品質的原料混和均勻，達到規(guī)定的混和比。并條機的自調勻整控制可以通過輸入纖維條的質量密度來控制牽伸機構的牽伸倍數來進一步提高輸出纖維條的均勻度即條干值。并條機牽伸機構通常由三對羅拉組成，一羅拉為前羅拉，牽伸過程中保持速度不變以達到固定的生產速度，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保持固定的速度比，實現對纖維條的預牽伸，二羅拉和一羅拉之間的速度比由自調勻整控制系統(tǒng)進行調節(jié)實現對纖維條的主牽伸。因此，并條機的自調勻整控制最終是通過控制二羅拉的速度來完成的。針對二羅拉的傳動控制，主要有兩種方式差速傳動方式和獨立傳動方式。圖1是基于差速齒輪箱的并條機自調勻整系統(tǒng)原理示意圖，多根纖維條并合后，經過三對羅拉組成的牽伸機構后輸出。自調勻整控制器通過檢測羅拉檢測輸入條子的質量密度，控制勻整伺服電機的速度，主電機和勻整電機連接到機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，通過調節(jié)勻整伺服電機的速度來改變二、三羅拉的速度，從而改善輸入條子的均勻度。差速傳動方式實現了羅拉同步運動和自調勻整之間的解耦，但采用機械差速齒輪箱，具有維護復雜，齒輪比調節(jié)不靈活，響應特性不高等缺點。采用獨立傳動方式，即用伺服電機直接驅動二羅拉，則可以克服上述缺點，但必須解決羅拉同步運動控制和自調勻整控制的解耦問題，否則會大大提高二羅拉電機控制的復雜度。

實用新型內容本實用新型目的在于提供一種用于全伺服并條機自調勻整控制的電子差速齒輪， 該結構作為并條機控制系統(tǒng)的一部分，使電子差速齒輪具有和機械差速齒輪同樣的剛度， 有效地實現了同步運動和自調勻整之間的解耦。同時具有齒輪比靈活可調，具備機械諧振抑制能力等優(yōu)點。為實現本實用新型的目的，本實用新型提出如下的技術方案一種用于全伺服并條機自調勻整控制的電子差速齒輪，設置于并條機前羅拉編碼器和后羅拉電機驅動器之間，其特征在于，該電子差速齒輪包括分頻器、數字濾波器、脈沖發(fā)生器、測速模塊、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前羅拉編碼器相連，分頻器的輸出端分別連接到測速模塊和脈沖合成器的輸入端，數字濾波器的輸入端與全伺服并條機的自調勻整控制器的控制信號輸出端相連，數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后羅拉電機驅動器相連。前羅拉編碼器和自調勻整控制器的輸出信號分別經分頻器和數字濾波器進行分頻和濾波處理，同時分別經測速模塊和脈沖發(fā)生器進行速度測量和脈沖測量后再進入脈沖合成器和速度合成器，進行速度和脈沖合成后輸出到后羅拉電機驅動器，實現差速控制。本實用新型中分頻器可實現任意電子齒輪比的分頻，采用分頻器，可取代差速齒輪箱結構中的輕重牙調整。本實用新型中數字濾波器對自調勻整控制器的控制指令信號進行數字低通濾波和必要的帶阻濾波，消除控制指令信號中的干擾和噪聲，以及會引起機械設備諧振的頻率段信號。本實用新型中脈沖發(fā)生器把數字濾波器的輸出信號轉變?yōu)槊}沖信號。當數字濾波器輸出信號為正值時，脈沖發(fā)生器的正脈沖輸出端輸出脈沖；當數字濾波器輸出信號為負值時，脈沖發(fā)生器的負脈沖輸出端輸出脈沖；脈沖的頻率與數字濾波器輸出信號幅值成正比。脈沖發(fā)生器不會同時輸出正脈沖和負脈沖。本實用新型中測速模塊對分頻器輸出的脈沖信號進行精確測頻，得到與脈沖信號頻率成正比的輸出信號，用于速度合成。本實用新型中脈沖合成器把分頻器輸出脈沖和脈沖發(fā)生器的輸出脈沖進行疊加，在固定時間內，如果分頻器輸出脈沖數為M，脈沖發(fā)生器輸出正脈沖數為Ni，輸出負脈沖數為N2，則在該時間內脈沖合成器的輸出脈沖數為M+N1-N2，該輸出脈沖作為位置指令輸出到二羅拉電機驅動器的位置環(huán)，即單位時間內輸出脈沖數對應著單位時間內二羅拉電機的運動位移。本實用新型中速度合成器把測速模塊的輸出值和數字濾波器的輸出值進行疊加， 得到后羅拉電機的速度指令，該指令作為前饋信號輸出到后羅拉電機驅動器的位置環(huán)。本實用新型的優(yōu)越性和技術效果在于提供一種用于全伺服并條機自調勻整控制的電子差速齒輪結構，實現全伺服并條機的自調勻整控制與羅拉電機同步控制的解耦控制，即自調勻整控制算法只需要根據輸入棉條的質量密度和死區(qū)長度給出合適的差速控制信號給電子差速齒輪，電子差速齒輪具有與機械差速齒輪同樣的剛度。這種新型結構用電子元件取代了自調勻整并條機的傳統(tǒng)機械差速齒輪箱結構，同時又保持了機械差速齒輪箱的同步性好、抗干擾能力強的優(yōu)點，控制系統(tǒng)的靈活性、響應能力和可靠性高。

圖1為基于機械差速齒輪箱的并條機自調勻整控制原理示意圖。圖2為本實用新型的整體結構示意圖。
具體實施方式
[0020]
以下結合附圖對本實用新型作進一步詳細的說明。在圖2中，電子差速齒輪1連接于一個并條機前羅拉編碼器8、自調勻整控制器 9、后羅拉電機驅動器10之間，該電子差速齒輪1包括分頻器2、數字濾波器3、脈沖發(fā)生器 4、測速模塊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的輸出端分別與測速模塊5和脈沖合成器6的輸入端相連；數字濾波器3的輸入端與自調勻整控制器 9的控制信號輸出端相連，數字濾波器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；測速模塊5的輸入端與分頻器2的輸出端相連，測速模塊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、負脈沖輸出兩個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的兩個輸出端相連，脈沖合成器6的輸出端與并條機后羅拉電機驅動器10的輸入端相連；速度合成器7的輸入端與數字濾波器3的輸出端、測速模塊5的輸出端相連，速度合成器7的輸出端與并條機后羅拉電機驅動器10的輸入端相連。上述模塊可以有多種實施方式，其中可編程邏輯器件如FPGA是最佳的實施方式。 下面給出一種基于FPGA的實施方式，其中加法器、乘法器、計數器等模塊作為基本的FPGA 實現單元，直接使用而沒有給出其內部實現結構。分頻器2 為便于FPGA實現，首先把分頻系數轉換為M/2N的形式，分頻器內部包括一 2N位的累加器，上電復位后初始值為零，每個輸入脈沖的上升沿使累加器的值增加M,則累加器的高N位對應數值X代表分頻后應該輸出的脈沖數累加值，用N位計數器對分頻器實際輸出脈沖進行計數，并把該計數值Y與X進行比較，如果Y < X，則邏輯電路產生一個脈沖到分頻器輸出端，同時計數器使Y增1，直到Y = X，分頻器輸出端不再輸出脈沖。采用上述邏輯結構，分頻器每接收2N個輸入脈沖，會產生M個輸出脈沖，從而實現了任意小數比的分頻。數字濾波器3 數字濾波器3可采用加法器和乘法器，實現固定結構的UR濾波器，濾波器系數可根據并條機機械特性和傳感器特性離線算好后作為參數提供給數字濾波
ο脈沖發(fā)生器4 脈沖發(fā)生器4的實現與分頻器類似，內部含有一累加器，初始值為零，每隔固定的采樣周期，累加器與當前數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應該輸出的脈沖數累加值，用N位計數器和比較器控制輸出脈沖的產生，使脈沖發(fā)生器4實際輸出的脈沖累加計數與累加器的高N位相等。測速模塊5 測速模塊5通過測量輸入脈沖的頻率來達到測速的目的，頻率的測量有多種方式，如單位時間窗內對輸入脈沖進行計數，或用高頻率時鐘脈沖測量兩個輸入脈沖上升沿之間的時間等。為了精確的測量頻率，可以充分發(fā)揮FPGA的優(yōu)勢，采用上述兩種方法相結合的測量方式。脈沖合成器6 可采用三計數端口的可逆計數器，分頻器2的輸出的每個脈沖使計數器增1，脈沖發(fā)生器4輸出的每個正脈沖也使計數器增1，脈沖發(fā)生器4輸出的每個負脈沖使計數器減1。速度合成器7 可直接采用加法器，把數字濾波器3的輸出值和測速模塊5的輸出值相加，為了支持帶符號運算，需要先把把數字濾波器3的輸出值和測速模塊5的輸出值表示成二進制補碼形式，然后進行補碼加法，其結果作為輸出值發(fā)送給并條機后羅拉電機驅動器10。電子差速齒輪的工作過程如下當外部的自調勻整控制器9未工作時，其輸出控制信號為零，并條機作為無自調勻整的普通并條機運行。此時電子差速齒輪相當于一個電子齒輪，分頻器2的分頻比對應著電子齒輪比，當一羅拉11 (即前羅拉)在運動時，安裝在一羅拉11上的編碼器8輸出脈沖信號，該脈沖頻率和數量分別與一羅拉11的速度和角位移成正比，由于自調勻整控制器 9的輸出信號為零，則數字濾波器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的輸出信號與測速模塊5的輸出信號相同，脈沖合成器6的輸出脈沖和速度合成器7的輸出信號同時輸出到二、三羅拉 12、13(即后羅拉)的電機驅動器10驅動羅拉旋轉，后羅拉電機與前羅拉的轉速比由分頻器 2的分頻比決定，該分頻比決定了在沒有自調勻整作用下羅拉的牽伸倍數，由設備操作人員根據工藝設定。當外部的自調勻整控制器9啟動工作時，其輸出控制信號由自調勻整控制器的纖維條密度檢測傳感信號、勻整控制參數和勻整控制算法共同決定，該信號用于控制電子差速齒輪1實現電子差速，該信號經過數字濾波器3過濾掉一部分高頻噪聲和可能引起諧振的頻率段信號。當數字濾波器3的輸出信號為正信號時，脈沖發(fā)生器4在正脈沖輸出端輸出脈沖信號，脈沖頻率實時地與數字濾波器3的輸出信號值成正比，脈沖合成器6在單位時間內輸出的脈沖個數是分頻器2輸出脈沖個數和脈沖發(fā)生器4輸出脈沖個數之和，速度合成器7的輸出信號是測速模塊5輸出信號值與數字濾波器3輸出信號值之和，脈沖合成器6 的輸出脈沖和速度合成器7的輸出信號同時輸出到二、三羅拉12、13(即后羅拉)的電機驅動器10驅動羅拉旋轉，后羅拉電機的速度等于前羅拉轉速乘以分頻器2的分頻比再加上自調勻整控制器9輸出信號對應的速度。當數字濾波器3的輸出信號為負信號時，脈沖發(fā)生器4在負脈沖輸出端輸出脈沖信號，脈沖頻率實時地與數字濾波器3的輸出信號值成正比， 脈沖合成器6在單位時間內輸出的脈沖個數是分頻器2輸出脈沖個數和脈沖發(fā)生器4輸出脈沖個數之差，速度合成器7的輸出信號是測速模塊5輸出信號值與數字濾波器3輸出信號值之差，脈沖合成器6的輸出脈沖和速度合成器7的輸出信號同時輸出到二、三羅拉12、 13(即后羅拉)的電機驅動器10驅動羅拉旋轉，后羅拉電機的速度等于前羅拉轉速乘以分頻器2的分頻比再減去自調勻整控制器9輸出信號對應的速度。通過上述過程，電子差速齒輪實現了與機械差速齒輪箱類似的功能差速輸入端無輸入時，實現普通齒輪功能，并具有齒輪比靈活可調的特點，當差速輸入端有輸入時，通過電子方法控制后羅拉電機的速度，實現差速功能，達到與自調勻整控制解耦的目的。
權利要求1.一種用于全伺服并條機自調勻整控制的電子差速齒輪，設置于并條機前羅拉編碼器 (8)和后羅拉電機驅動器(10)之間，其特征在于，該電子差速齒輪包括分頻器O)、數字濾波器(3)、脈沖發(fā)生器、測速模塊(5)、脈沖合成器(6)和速度合成器(7)，其中，所述分頻器O)的輸入端與并條機前羅拉編碼器(8)相連，分頻器O)的輸出端分別連接到測速模塊( 和脈沖合成器(6)的輸入端，數字濾波器(3)的輸入端與全伺服并條機的自調勻整控制器(9)的控制信號輸出端相連，數字濾波器(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后羅拉電機驅動器(10)相連。
2.根據權利要求1所述的電子差速齒輪，其特征在于，所述數字濾波器(3)用于對自調勻整控制器(9)的控制指令信號進行數字低通濾波和帶阻濾波，以消除控制指令信號中的干擾和噪聲，以及引起機械設備諧振的頻率段信號。
3.根據權利要求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)用于將數字濾波器(3)的輸出信號轉變?yōu)槊}沖信號。
4.根據權利要求1或2所述的電子差速齒輪，其特征在于，所述測速模塊( 用于對分頻器(2)輸出的脈沖信號進行測頻，以得到與脈沖信號頻率成正比的輸出信號，以用于速度合成。
5.根據權利要求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)生器的輸出脈沖進行疊加，疊加合成的脈沖作為位置指令輸出到后羅拉電機驅動器(10)的位置環(huán)。
6.根據權利要求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)用于將測速模塊(5)的輸出值和數字濾波器(3)的輸出值進行疊加，得到后羅拉電機驅動器(10) 的速度指令，作為前饋信號輸出到后羅拉電機驅動器(10)的位置環(huán)。
專利摘要本實用新型公開了一種用于全伺服并條機自調勻整控制的電子差速齒輪，設置于并條機前后羅拉編碼器(8，10)之間，包括分頻器(2)、數字濾波器(3)、脈沖發(fā)生器(4)、測速模塊(5)、脈沖合成器(6)和速度合成器(7)，其中，前羅拉編碼器(8)和自調勻整控制器(9)的輸出信號分別經分頻器(2)和數字濾波器(3)進行分頻和濾波處理，同時分別經測速模塊(5)和脈沖發(fā)生器(4)進行速度測量和脈沖測量后再進入脈沖合成器(6)和速度合成器(7)，進行速度和脈沖合成后輸出到后羅拉電機驅動器(10)，實現差速控制。本實用新型的電子差速齒輪具有和機械差速齒輪同樣的剛度，齒輪比靈活可調，具備機械諧振抑制能力等優(yōu)點。
文檔編號D01H5/38GK202214496SQ20112027665
公開日2012年5月9日 申請日期2011年8月1日 優(yōu)先權日2011年8月1日
發(fā)明者仁向杰, 宋小軍, 沈忱, 艾武, 謝經明, 陳冰, 陳幼平 申請人:華中科技大學