西门子6ES7223-1BM22-0XA8详细使用

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些年，随着人们审美意识增强和生活水平的提高，高档色织产品愈加受到人们喜爱。不仅仅真丝绸，化纤丝、人造丝、混纺纱和棉纱等也可采用色丝织造，这就促使纱筒染色工艺在色织行业获得广泛应用。一般纱筒染色前需要将外购的坯纱络成适合于筒子染色用的“松式筒子”供下道工序用，因此松式精密络筒机的需求日益增加。 

    国内现有的松式络筒机整机结构一般采用单锭集中传动方式，通常包括卷绕、导纱、**喂等几种运动，采用机械齿轮和凸轮机构完成，针对各种纱线不同的络筒工艺，设备调整比较困难；导纱机构采用的是槽筒和旋转翼片，对一些高档纱线易产生损伤；同时由于采用的是机械传动结构，卷绕速度不高。目前国外这种松式络筒机已经完全采用基于电子齿轮和电子凸轮的全数码卷绕结构，即单锭独立传动；卷绕、横动导纱、纱线**喂、张力补偿均采用单独电机控制，各电机之间的运动关系可通过参数设置进行描述，灵活应对各种特性的纱线卷绕工艺的需要；横动导纱采用的是“导纱器”，即俗称的“兔子头”，对纱线的损伤很小，特别适用于高档色织纱线的卷绕；另外由于各电机在机械上没有直接的传动连接，辅以高速精密运动控制软件算法，可以很方便地实现高速精密交叉卷绕，络纱速度远大于机械式松式络筒机，大大提高了络纱效率。

    北京和利时电机技术有限公司通过和国内纺机集团合作，针对精密松式络筒机的工艺特点，在自身多年伺服和运动控制技术积累的基础上，在国内开发成功全面拥有自主知识产权的高速精密松式络筒机电气控制方案。整个方案具有良好的性能价格比，大大提升了国产松式络筒机的自动化水平，主要技术指标达到了国外同类设备的水平。

    系统控制方案简介

    以单锭控制为例，系统控制方案原理如图一所示，横动电机轴连接一个钢丝轮，通过钢丝轮的正反旋转驱动紧固在钢丝上导纱器左右移动，实现纱线的横动排线运动；卷绕电机直接驱动纱筒旋转，实现纱线的卷绕运动，上述横动和卷绕两个运动合成后即表现为纱线以螺旋线的形状来回卷绕在纱筒表面。张力补偿电机和**喂电机则主要用于控制纱线卷绕过程中的张力。

    本方案中横动导纱电机采用了一台经过*特设计的**小惯量伺服电机，卷绕和**喂电机采用的也是专门设计定制的高速无刷直流电机，张力电机采用了一台普通步进电机。图中的“单锭控制驱动器”是和利时电机公司在自有开发的全数字永磁交流伺服驱动器的基础上，嵌入了精密络筒机高速电子导纱运动控制算法、卷绕无刷电机速度控制和纱线张力控制策略的**型电机驱动控制系统。整个系统结构简单，功能齐全，通过键盘或通信方式调整“单锭控制驱动器”内部存储器参数可以方便设置纱线卷绕成形的几何参数（满筒直径，收边幅度等），卷绕的线速度，卷绕比，往复动程长度，纱筒硬边修整的差动幅度、差动周期、差动凸轮曲线等各项工艺参数，同时具备RS232、RS485、CAN总线三种通信接口，可以很方便完成多锭联网控制，完全实现柔性化数码卷绕。主要技术参数列举如下：

    可实现精密卷绕和数控分层卷绕两种功能； 

    卷绕比控制范围2.000～12.000； 

    横动伺服电机换向加速度高达8000r/s2，往复频率较大为800次/分钟，即每分钟1600次换向； 

    横动伺服电机具备动程自动找零功能，*外接零位传感器； 

    内嵌有卷绕、**喂和张力补偿三个电机的控制功能，可与变频器、直流无刷电机驱动器、步进电机驱动器方便接口，实现卷绕电机、**喂电机和张力补偿电机的控制； 

    具备空筒直径校准功能； 

    多种实时参数显示，如实际线速度、纱筒直径、往复频率等； 

    多种故障保护措施，如参数异常、电机**速、动程**差、硬件故障等； 

    实时工作参数具备掉电保护功能，如卷绕长度、卷绕直径等；

    横动伺服电机控制简介

    为了保证纱筒具备良好的染色性能，需要从开始卷绕到满筒之间任何直径点上，筒子上的纱线在空间上成立体交叉，彼此都不平行，保证每层纱线没有重叠，就是说需要对纱筒的卷绕比进行精密控制。所谓卷绕比，就是横动导纱钩每往复一次，纱筒卷绕的圈数。交叉卷绕有传统的槽筒卷绕（任意卷绕）、恒定卷绕比精密卷绕、数控分层卷绕三种形式，本方案主要实现了恒定卷绕比精密交叉卷绕和数控分层卷绕两种功能。

    为了实现精密交叉卷绕，“单锭控制驱动器”通过实时采集卷绕电机反馈编码器脉冲信号计算其实时速度，根据精密卷绕工艺要求，用*特数控算法得出横动伺服电机的速度给定指令，以保横动伺服电机转速与卷绕电机转速按照卷绕比的定义保持一定关系，让纱线以空间螺旋线的形状往复绕在纱筒上。通过精密控制卷绕比，往复卷绕的纱线彼此交叉，不重叠，也就是说巧妙采用电子齿轮和电子凸轮取代机械齿轮和凸轮传动实现纱筒的精密卷绕。

    为了实现精密卷绕的高速性能，需要横动伺服电机在做往复运动时，能够快速换向，这就要求伺服电机具备较高的转矩惯量比，为此对横动伺服电机进行了*特优化设计，以保电机转子惯量尽可能小。同时伺服驱动器的电机控制算法在高动态响应性方面也做了针对性的设计，采用PID控制结合模糊控制算法，保伺服电机速度在不产生**调的情况下，尽可能短时间内完成换向。

    由于横动电机换向时，不论多快，都会因为换向加减速造成有硬边现象出现，按照机械式络筒机硬边原理，在“单锭控制驱动器”中嵌入了差动凸轮运动规律算法，周期性地实时变换横动导纱器的换向点，完成硬边功能。同时可以根据不同纱线特性，选择不同的差动凸轮曲线，设置差动周期和幅度。

    除了采取差动电子凸轮算法硬边技术外，本方案还富有*创性地实现了导纱器较小换向弧长的控制算法，充分利用了DSP数字信号处理器高速运算能力，实时计算和修正横动导纱伺服电机与纱筒卷绕电机传动的凸轮曲线规律，保在任何卷绕转速和卷绕直径状态下，导纱器换向的弧长较小，较大限度地卷绕纱筒的硬边现象。

    卷绕线速度控制简介

    理论析，纱筒卷绕的线速度随纱筒的卷绕半径变化而变化，而线速度的变化直接引起卷绕张力的波动，从而会影响纱筒的成形质量和纱线的机械物理性能。如果外层纱的张力大于内层纱的张力，就容易产生筒子外层纱挤压内层纱的胀边现象；如果络纱过程中张力变化过大，也会造成纱线因络纱张力不同出现纱线拉伸率不同，这就要求在络筒过程中尽量减小张力及压力的波动。所以除保证恒定纱筒压力外，保卷绕速度相对稳定是控制张力波动的一项重要措施。

    张力控制简介

    精密卷绕加工时纱线张力的大小直接影响筒子卷绕的松紧度，从而影响筒子绕纱的容量和染色的难易，并影响纱线加工的断头率，因而各种精密卷绕络筒机都有纱线的张力控制环节，特别是供筒子染色用的纱线的加工张力，不宜过大，以获得松式卷筒，有利于染色。本方案除了采取措施保证相对恒定的纱线卷绕线速度外，还另外设计有一个张力递减调节装置，采用一个步进电机控制的张力调节杆。在线速度升程中，通过调节步进电机的转角状态，控制张力调节杆的角度，改变纱线通过的门栅夹持力度，以保证卷绕张力恒定；另外按照特殊纱筒“里紧外松”的工艺要求，可以根据纱筒卷绕半径调节张力杆的角度，保证卷绕纱筒小直径时卷绕张力大，大直径时卷绕张力小。

    **喂电机控制简介

    精密卷绕过程中纱线线速度肯定大于纱筒退绕线速度，张力值也因此增大，而过大的张力不但得不到优质纱筒，而且会增加纱线的断头，降低生产效率。因此，本方案采用了所谓“**喂”的办法，即送出纱线的速度大于卷取纱线的速度，将纱线卷绕时筒子“硬拖”纱线的状况改变成缓和地卷取纱线的状况，从而减少断头，获得满意的松式卷绕筒子。纱线在**喂滚筒上环绕的圈数取决于**喂量的大小，一般的**喂量控制值在1．02～1．06（一圈情况下）之间。

    结论

    精密络筒、络丝机器是纺织工艺中提高纺织品质量的关键设备，高速精密数码卷绕方案成功掌握了纱线高速精密卷绕工艺中的“KNOW HOW”，全部采用永磁电机驱动技术，机器能耗远远低于传统的变频电机传动设备。同时由于采用了柔性化数码控制技术，非常适合于高档织物的多品种、小批量纱筒生产，具有良好的社会经济效益。和利时电机技术公司开发的该创新解决方案涉及了电子控制，数字伺服电机和驱动、精密运动控制、和计算机网络通信等技术，是典型的高技术机电一体化控制方案，也是采用数字控制技术改造传统产业的典型案例。

   **温度正呈现上升的趋势，更加有效地利用能源成为当务之急。降低能耗的主要对象之一是电机。据粗略统计，电机消耗了美国一半以上的能量。在家庭中使用的电机数量一般不下50台，一部汽车里通常有70至80台电机，至于在工业领域，工厂自动化中应用的电机更加比比皆是。 
   当前，单片机（MCU）技术取得的进步能够比以往任何时候都更加有效地控制电机，而成本却更低。这种进步对市场的影响一方面加速了从机电控制到电子式控制的转变，另一方面可以实现电机的变速控制，优化电机的运行。而且，对整个市场而言，降低了元器件的整体成本。
    单片机控制的无刷直流电机
    与电机控制中经常使用的有刷电机不同，单片机控制的无刷直流（BLDC）电机不存在电刷磨损和电弧，因而电机的使用寿命实质上只受到轴承寿命的影响。此外，单片机控制的无刷直流电机系统的优越性还包括：
·更高的效率
·转矩-惯性比高
·能达到更高的速度
·听得见的噪声更低
·更高的热效率
·更低的电磁干扰
    大量专门针对电机控制应用而设计的8位单片机在解决数字电机控制问题上是成本效益较高的方法之一。但在过去，集成的程度和可供选择的产品一直有限。而现在，单片机性能高达10MIPS，具备的运动控制**硬件包括中心对齐的14位脉宽调制器（PWM）、运动反馈模块和高速模数转换器（ADC），使以往需要较昂贵处理器的应用可以采用成本较低的8位单片机来实现。
    某些单片机，如PIC18F4431，在进行三相PWM控制时，可用硬件实现对无刷直流电机所有三个相的驱动，从而较大限度地降低了软件的开发和调试工作量。该单片机较多有8个PWM通道，而一般只需6个通道即可驱动三相电机。因此，可以用另外两个通道来实现其它功能，*再添加其它元器件。带有正交编码器接口的运动反馈模块是单片机的一个组成部分，可减少元器件数目，降低系统成本。
    不仅如此，带有一个运行速度高达200 ksps的高速ADC的单片机，可以为闭环控制提供必要的速度。在两个不同的通道上同时采样，可以实现同时对电压和电流进行采样。在闭环电机控制中，需要这种高速的转换进行反电动势的测量。ADC可在上升沿或下降沿保持与PWM同步，使开关噪声降至较低。综上所述，有了这些模块就不需要任何外部的电机控制器件，如高速ADC和位置编码器了。
    在很多电机控制应用中，故障防护操作是关键。带有故障防护时钟监控器（其中内部RC振荡器在晶振失效时可以充当备份时钟）的单片机使设计人员得以利用供高可靠性的数字控制。只需利用PWM上的可编程死区时间延迟，即可较大限度地减小开关噪声，同时还可以按时完成设计，将新产品投放市场；否则就需要额外增加几周的开发时间，由此带来的差别显而易见。在各种情况下，具有高可靠性闪存的单片机，灵活性都很强，不仅可以让产品按时上市，而且在电机安装前或已经投入使用后，都可以根据变化的要求进行调整。
    不同的需求、推动力和解决方案
    家用电器、工业和汽车这三大市场中对于电子电机控制的需要，证明具有先进的电机控制外设的单片机是大有市场的。
在家用电器市场领域，为了符合**推行的计划标准，如美国**旨在促进使用率家电的能源之星计划，需要改进电机控制。洗衣机就是迫切需要改进电机控制的一类产品。直接驱动洗衣机可以不再需要电机轴与滚筒之间的连接皮带，同时还可设置各种速度范围和使用不同形状的滚筒。
    某洗衣机厂商对洗衣机进行了全新的设计，结果比传统的洗衣机的耗电量减少了38%， 用水量减少了17%。电机控制的单片机可根据衣物的数量和类别调整电机的功率。但是，洗衣机的购买者对于购买价格仍然十分在意，因此厂商必须不断降低其开发和生产成本，才能为更广大的消费者群体提供更先进而负担得起的洗衣机。
    在家用电器中，专门为电机控制应用而设计的8位单片机集成了各种功能，大大减少了额外元器件的需求。较新单片机具备片上电机PWM、故障防护时钟监控器以及高度可靠的闪存，使家用电器中电机控制的设计得以简化，并满足降的目标。

    在工业应用领域，装配线运行的用电成本与故障停机都将使利润减少。我们用工业用泵中基于单片机的变速驱动（VSD）系统取代阀门为例，来说明改进控制能力将如何直接影响效率和利润。
    对于泵和风扇而言，其功耗与转轴速度的立方根成正比。当转轴速度降低10%时，气流也减小10%，但能耗减少27%！如果速度降低20%，能耗可降低49%。在工业应用的离心泵、风扇和鼓风机中，通过使用单片机进行变速电机控制，取代速度恒定的电机和利用阀门减小气流的方法，可以节能25%至40%，这已得到了证明。
    用单片机进行电机控制在工业应用中的收效十分明显。因此，究竟是否采用单片机驱动的变速电机控制只需由其它一些因素来决定，如灵活性和可靠性等可避免故障的因素。具有闪存和EEPROM存储器的单片机可实现VSD电机控制，对于需要进行升级或改善控制程序等变化，其再编程能力可满足工业用户所需的灵活性。Microchip的PIC18F2431或PIC18F4431等单片机具有16KB闪存和256字节EEPROM，这些8位单片机的存储器足以应对工业环境中各种必要的变动。与之同等重要的是Microchip的闪存采用PMOS电可擦除单元（PEEC）工艺技术，其数据存储单元的耐用性**过100万次擦/写周期（典型值），而数据保存期**过40年。
    在汽车应用中使用电机进行通风、开关门窗以及移动座椅等已得到了广泛应用。这些不经常使用的操作尚能容忍较低的效率，但是一些经常使用的设备如乘客空调、发动机箱内风扇等，则连续不断地消耗着汽车中有限的能量。电机控制单片机可以使空调风扇以恰当的速度运转来保持适宜的温度，从而降低噪声和功耗。
    在很多情况下，用于电机控制的单片机必须利用控制器局域网络（CAN）或局部互联网络（LIN）协议连接到汽车网络。现在的车身电子设备一般采用成本较低的LIN协议以降低总系统成本。有些单片机系列具备增强型USART模块，它支持LIN 1.2，同时还提供起始位的自动唤醒功能以及在很多情况下，用于电机控制的单片机必须利用控制器局域网络（CAN）或局部互联网络（LIN）协议连接到汽车网络。现在的车身电子设备一般采用成本较低的LIN协议以降低总系统成本。有些单片机系列具备增强型USART模块，它支持LIN 1.2，同时还提供起始位的自动唤醒功能以及自动波特率检测。
更加的未来
    随着控制算法在各个市场领域中复杂程度的不断提高，数字电机控制器的处理能力需要从单片机的性能水平提升到数字信号处理器（DSP）的性能水平。数字信号控制器（DSC）性能更高而价格适中，采用设计人员熟悉的单片机技术，适用于更加复杂的电机控制设计，包括矢量控制设计。DSC的运行速度高达30MIPS，并具有高达144KB的闪存和电机控制**的集成外设，可实现先进的新型电机控制应用。有了基于单片机和DSC的电子电机控制，家用电器、工业控制及汽车不仅运行效率更高、功能更丰富，而价格也适中