一種快速電錠控制開關的研究

[摘要] 通過對傳統電錠控制開關的分析，提出了一種基于能耗制動的電錠開關新理念，并論述了新型電錠開關在單片機控制下的實現。為實現卷繞機高效化提供了重要的理論依據和有效手段。

[關鍵詞] 卷繞機電錠控制開關單片微機控制系統

一、前言

在生產過程中，粘膠長絲需要用卷繞機將其卷繞在具有一定容量的卷裝上，卷繞機一般是由卷曲機構跟導絲機構組成。自從高速紡絲技術出現以來，特別是隨著20世紀70年代高速紡絲技術的進步，紡絲關鍵設備之一的卷繞機正向高速化、大型化、自動化和信息化方向飛速發展。卷繞機中電錠的啟動與制動是由電錠轉換開關來實現的，由于電錠本身是一種高速旋轉的離心機設備，所以它的制動是非常關鍵的環節。

二、傳統電錠控制開關的分析

傳統的電錠控制開關是目前紡絲企業廣泛采用的一種控制開關，它是利用反接制動原理進行制動，其結構如圖1所示。當電錠起動時，1、2和3、4接點分別接通;當電錠制動時，1、4和2、3接點分別接通，此時定子繞組兩相反接，以達到反接制動的目的;待電錠停止后，將開關置于零位，各接點均斷開，但另一相電源仍與電錠連接。

電錠兩相反接運行的機械特性在圖2中給出。由曲線所示，當電錠速度受反力矩慢慢降為零時，反力矩并沒有降為零，此時若沒有及時地切斷電源，電錠會在力矩的作用下反轉，這就容易造成反捻絲餅的出現。同時，由于有一相電源始終跟電錠接通，當電路接地時，就很難分清是開關或匯流排的原因，還是電錠本身的原因。

在傳統控制開關中，存在下面一些主要問題:

1.制動時間長，影響了紡絲機的生產效率，增加了水廢絲。

2.熔斷器裝載了開關內部，撤卸的時候不方便。

3.當工藝工控制停車不及時，電錠容易反轉，出現反捻絲餅等。

三、新型電錠控制開關的研究

為了解決目前所廣泛使用的傳統電錠控制器所帶來的一系列問題，從而提高生產效率，研究新型的電錠開關就成為了必要。新型電錠開關是利用了能耗制動的原理，圖3中曲線2表示能耗制動過程電錠所表現的機械特性。在能耗制動過程中，當電錠的速度為零時，電磁轉矩T也為零，這就避免了不及時停車所造成的絲餅反捻現象。

1.新型控制開關的主電路設計

為了實現制動的快速性與穩定性，可采用直流能耗制動的原理來設計新型控制開關。其主電路如圖3所示。在圖3中，熔斷器FU采用了熔斷器座，在外部就可以隨時將其取出;利用高頻感應原理增加了LED發光二極管，用以指示熔斷器的熔斷情況;發光二極管與IN4007二極管反并聯，電阻R為限流電阻，與IN4007二極管一起起到保護發光二極管的作用;電錠開關采用了線電壓整流方式，這就避免了由于電錠供電系統接地造成的相電壓不平衡因素的影響;為了增加整個系統的可靠性，設計中只用了兩個10 A10HY整流管。電錠起動時，1和2、3和4、5和6分別接通;制動檔時，1和7、3和8、5和6分別接通;停止檔時，每個接點都不接通。

在實際的生產中，企業越來越追求控制的高度自動化，以達到可靠、安全、高效的目的。為了實現這一目標，可采用單片機實行適時監控整個生產運行過程。對于電錠速度相對穩定的紡絲生產過程，從卷裝開始到卷繞滿徑的時間在理想情況下是某一定值，那么就可以利用單片機計時到卷裝滿時開啟制動開關，然后利用另一定時器所預先設定的制動時間來停止電錠的運行，這樣不但不會出現絲餅的反轉，也不會出現能耗制動停車不及時所帶來的熔斷絲熔斷。

2.控制系統的硬件設計

為了實現上面所分析的控制效果，可設計如圖4所示的單片機控制結構圖。整個系統的控制核心部分主要是由主機電路、人機界面(鍵盤/顯示電路)、輸入輸出電路以及運行狀態監控電路(聲光報警電路)等環節，通過過橋母板連接。在主機電路設計中，選用AT89C2051單片機作為中央處理單元，同時包括電源與芯片復位電路的設計，芯片內的2個定時/計數器分別存儲從卷繞運行開始到卷裝滿徑的所需時間和制動過程所需時間，并可根據生產的需要現場調節;復位電路具有上電復位和人工復位的作用;利用串行通信接口還可將本系統作為紡絲生產線計算機集散控制系統(DCS)的下位機使用。在鍵盤/顯示電路中，應用8279接口芯片，外接10數字鍵和4個LED顯示器，分別用來鍵入數據和顯示運行狀態。為了提高控制系統實際應用中的抗干擾能力，在輸入輸出電路與受控主電路通過設置光耦電路來提高可靠性。

圖6所示為中央處理單元的輸出口與受控繼電器之間的電路圖。光電耦合器G5LC-14-12VDC是用來隔離大電流的反串，起到抗干擾的作用;反向放大三極管T1用來放大光電耦合器輸出的電流以驅動繼電器;T1集體管集電極上的二極管起到箝位作用。

3.控制系統的軟件設計

控制系統的軟件主要采用了C語言按模塊程序、容錯技術、數字濾波等方面進行程序設計，從而進一步提高了系統的穩定性與抗干擾能力。整個系統的程序結構分為主程序、設定命令處理程序、讀出命令處理程序、寫入命令處理程序以及若干個子程序等部分。下面主要介紹主程序的流程圖。

圖7為主程序的流程圖，從流程圖中可以看出，在按下開始按鈕后，電錠的正常運行、制動以及停車過程都不需要人為地去干預，這就在很大程度上提高了生產效率。

四、結束語

基于單片機控制的能耗制動電錠開關是一種新型的轉換開關，用能耗制動方法實現電錠的控制具有制動速度快、穩定性高、自動化技術明顯以及不會出現絲餅反捻等特點，應用價值廣泛。本文涉及的基本原理和控制系統方法的設計為電錠的控制建立了理論基礎和時間用途。

注:絲錠負載為4.5Kg

上表為新型電錠控制器與傳統電錠控制器在實際控制效果上的比較，從而反映除了新型控制器的快速型。

參考文獻:

[1]Kenneth M Dean Uetal.High-speed winding of classical precision-wound yarn packges[J].International Fiber Journal，2000.96～100

[2]Wei Jian.Research on the control system of spindle drive for high speed spinning machine[J].Journal of Donghua University，2001.18(1).76～80