基于力矩电机的铺丝机构张力测控技术研究

论文摘要

本文在分析和研究现有纤维复合材料缠绕(FW)成型机构张力测控系统的结构和发展状况的基础上,研究设计了一种基于力矩电机的在快速缠绕情况下可实现对张力的高精度控制的张力测控系统。本文的主要工作包括:(1)电阻应变式张力传感器的结构分析及其调理转换电路设计,以及传感器的动静态响应特性;(2)分析了系统的执行元件——力矩电机的工作原理以及传递函数,建立了张力控制系统的数学模型,结合力矩电机的驱动控制电路,对电机工作特性进行了仿真。(3)系统以单片机为控制核心,采用数字PID控制结合力矩电机控制器实现对电机的转矩控制,系统的性能得到了很大的改善,使张力控制系统达到响应快速、波动率小的较理想的控制目标。(4)本文对纤维缠绕张力控制系统进行了软件设计,软件以功能模块的结构设计方法进行设计,减少模块之间的耦合,提高编程和调试速度。文中介绍了增量式PID运算模块以及数据通讯模块的设计方法。(5)为了验证张力测控系统的控制效果,本文对张力测控系统进行了试验研究。通过对力矩电机堵转状态下的相关试验数据研究分析,验证系统达到了在快速缠绕情况下对张力要求响应快速和稳定控制的目标。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第一章 绪论
• 1.1 引言
• 1.2 缠绕机构张力控制国内外研究现状和发展方向
• 1.2.1 纤维缠绕机构中张力的特点
• 1.2.2 张力控制系统的国内外现状
• 1.2.3 张力控制器的发展趋势
• 1.3 本文研究意义和主要内容
• 1.3.1 缠绕过程中张力控制的意义
• 1.3.2 本文各章节内容
• 第二章 张力测控系统总体设计方案
• 2.1 系统设计要求
• 2.2 系统设计方案
• 2.2.1 系统框图
• 2.2.2 测试电路设计
• 2.3 本章小结
• 第三章 张力传感器设计
• 3.1 电阻应变片结构和工作原理
• 3.1.1 应变式传感器的结构和选材
• 3.1.2 金属丝的电阻应变效应
• 3.2 横向效应及横向灵敏度
• 3.3 电阻应变片的温度误差及补偿
• 3.4 张力传感器调理电路
• 3.5 张力传感器的设计
• 3.5.1 传感器的结构设计及测量原理
• 3.5.2 张力传感器的动态响应特性
• 3.6 本章小结
• 第四章 力矩电机特性研究及其驱动控制电路
• 4.1 力矩电机的选型
• 4.2 直流电机的基本工作原理
• 4.3 永磁式直流力矩电机的结构特点
• 4.3.1 直流力矩电机的扁平结构
• 4.3.2 电枢形状对直流力矩电机转矩的影响
• 4.3.3 电枢形状对直流力矩电机空载转速的影响
• 4.4 永磁式直流力矩电机的主要性能指标
• 4.5 直流力矩电机的数学模型
• 4.5.1 直流力矩电机的静态工作特性
• 4.5.2 直流力矩电机的动态工作特性
• 4.5.3 直流力矩电机的数学模型
• 4.6 直流力矩电机控制器电路
• 4.6.1 PWM 控制电路
• 4.6.2 过流保护电路和欠压保护电路
• 4.6.3 直流电机的高频脉冲列驱动控制
• 4.7 力矩电机堵转特性仿真分析
• 4.8 本章小结
• 第五章 系统软件设计和控制效果分析
• 5.1 系统软件设计要求
• 5.2 系统的张力控制方法——PID 控制
• 5.2.1 PID 控制的原理和特点
• 5.2.2 数字PID 控制及其算法
• 5.2.3 PID 控制器的参数整定
• 5.3 单片机串口通讯设计
• 5.3.1 单片机串口通信协议
• 5.3.2 串口通讯设计方案
• 5.4 张力控制效果分析
• 5.5 本章小结
• 第六章 总结与展望
• 6.1 本文的主要工作
• 6.2 后期工作展望
• 参考文献
• 致谢
• 在学期间的研究成果及发表的学术论文
• 附录