萬中魁，胡旭東，彭來湖

(浙江理工大學(xué) 教育部現(xiàn)代紡織裝備技術(shù)工程研究中心，浙江 杭州 310018)

0 引言

無縫針織內(nèi)衣機是一種集約化控制的機電一體化針織設(shè)備，專門用于編織高檔無縫全成形針織內(nèi)衣產(chǎn)品［1］。為了保證無縫內(nèi)衣產(chǎn)品的彈性和舒適度，針織材料多采用高彈性紗線。彈性紗線輸送過程中，張力的變化直接影響編織成圈的均勻和整齊。所以，實現(xiàn)彈性紗線的恒張力輸送，是無縫內(nèi)衣機準(zhǔn)確成圈的關(guān)鍵。可靠穩(wěn)定的恒張力輸紗控制系統(tǒng)能大大提升無縫內(nèi)衣機的編織效率和產(chǎn)品質(zhì)量。

該設(shè)計通過對編織成圈過程中紗線張力變化進行研究，提出一種基于CAN 總線通訊和模糊規(guī)則自整定PID 方法的控制器，以解決無縫內(nèi)衣機織造時的紗線張力實時變化和現(xiàn)有控制器抗干擾能力差、紗線張力控制精度低的問題。

本研究從總體設(shè)計、硬件設(shè)計和軟件設(shè)計3個方面進行闡述，并通過仿真測試，驗證方案的可行性。

1 總體設(shè)計概述

無縫內(nèi)衣機中彈性紗線從紗架上的紗筒外圈繞下，穿過斷紗報警器的過孔，進入恒張力輸紗裝置后，經(jīng)過編織成圈機構(gòu)的成圈編織，形成無縫產(chǎn)品［2］。該設(shè)計是針對在輸紗過程中，對紗線張力進行實時檢測，運用模糊自整定的PID 控制方法，減小實際測量值與設(shè)定值之間的誤差，調(diào)整直流電機轉(zhuǎn)速，實現(xiàn)張力的恒定。

控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)圖如圖1 所示，主要包括主控模塊、恒張力控制模塊和斷紗報警模塊。①主控模塊采用32 位Cortex-M4 內(nèi)核的ARM 芯片STM32F407 作為控制核心，最高工作頻率達168 MHz，芯片內(nèi)資源豐富，含6 路UART和2 路CAN 控制器，最多提供140個I/O口。②恒張力控制模塊中主要包括與主控模塊通訊的DSP 芯片、驅(qū)動直流電機的驅(qū)動電路和張力檢測模塊。主控模塊與恒張力模塊之間通過CAN 總線通訊，主控模塊發(fā)送指令到恒張力控制模塊，實現(xiàn)張力設(shè)置和張力大小調(diào)節(jié);恒張力控制模塊反饋當(dāng)前張力值，并在張力變化過大時發(fā)出停止指令。③斷紗報警模塊由斷紗信號采集電路和斷紗報警器組成，能夠檢測輸紗過程中是否出現(xiàn)斷紗現(xiàn)象，一旦發(fā)生斷紗，則向主控模塊發(fā)出報警信號，主控模塊向恒張力控制模塊發(fā)送停機指令，直流電機停止轉(zhuǎn)動。

圖1 控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

2 硬件電路設(shè)計

2.1 紗線張力檢測模塊設(shè)計

2.1.1 紗線張力檢測原理

張力檢測機構(gòu)簡圖如圖2 所示。紗線張力的檢測，采用應(yīng)變電阻傳感器［3］。應(yīng)變電阻片在受到拉力或壓力時會產(chǎn)生阻值變化，圖2 中:紗線2 在牽引力下向上貼緊基座1，導(dǎo)致基座1 受力發(fā)生形變，應(yīng)變電阻片a3 受到壓力作用，應(yīng)變電阻片b4 受到拉力作用，不同的紗線張力產(chǎn)生的形變不同，所以應(yīng)變電阻片的阻值不同。

圖2 張力檢測機構(gòu)簡圖

2.1.2 紗線張力檢測模塊電路設(shè)計

張力檢測模塊電路原理圖如圖3 所示。本研究通過橋式檢測電路將阻值變化轉(zhuǎn)換為電壓變化，經(jīng)過差分放大電路將電壓值放大到ADC 模塊的電壓采集范圍內(nèi)［4］，ADC 模塊將采集到的電壓信號轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號，由DSP 進行處理。橋式檢測電路中，兩個電阻應(yīng)變片為R1和R2，分別受到拉力和壓力，RV1 為調(diào)零電阻，R5為限流電阻，起保護電路的作用。當(dāng)紗線狀態(tài)穩(wěn)定時，R1、R2阻值穩(wěn)定，調(diào)節(jié)RV1 使得電橋平衡，輸出電壓為0 V。當(dāng)紗線張力變化時，引起R1、R2阻值的變化，從而導(dǎo)致輸出電壓的變化，根據(jù)壓力的變化得到紗線張力的變化情況。信號放大電路采用AD620B，該運放主要用于微弱信號的放大，增益范圍為1～10 000。AD705為電路提供模擬電壓，并為AD620B 提供模擬地。

圖3 張力檢測模塊電路

2.2 直流電機驅(qū)動電路

直流電機驅(qū)動電路如圖4 所示。電機采用無刷直流電機，通過無刷直流電機控制器專用芯片MC33035驅(qū)動，芯片內(nèi)部含有邏輯轉(zhuǎn)換電路，能夠直接將霍爾傳感器的信號轉(zhuǎn)換為驅(qū)動信號。同時，系統(tǒng)利用MC33039 閉環(huán)無刷直流電機適配器進行頻率電壓轉(zhuǎn)換，將反饋電壓反饋到MC33035 的反相輸入端，構(gòu)成閉環(huán)速度可調(diào)系統(tǒng)。圖4 中，端口SensorA、SenserB和SenserC 為電機轉(zhuǎn)子霍爾傳感器采集到的位置信號，端口A、B、C 為供給電機的三相交流信號。工作時，MC33035 根據(jù)電機轉(zhuǎn)子位置信號，結(jié)合方向控制端、制動輸入端、電流檢測端等信號狀態(tài)，產(chǎn)生逆變橋三相上、下橋臂開關(guān)器件的6 路控制信號分別為AB、BB、CB、At、Bt和Ct。AB、BB、CB 信號是脈寬調(diào)制PWM 信號，通過改變MC33035 的誤差放大器同相輸入端的電壓可實現(xiàn)占空比的調(diào)節(jié)。6 路控制信號經(jīng)過放大后，接逆變橋橋臂，產(chǎn)生供電機運轉(zhuǎn)的三相方波交流電流信號。

圖4 直流電機驅(qū)動電路

2.3 CAN 總線接口電路設(shè)計

CAN 總線接口電路實現(xiàn)主控模塊和恒張力控制模塊之間的數(shù)據(jù)通訊，接口電路如圖5 所示。該電路采用TJA1050 作為CAN 收發(fā)器［5］，波特率最高可達1 Mbps，使用TLP113 高速光耦實現(xiàn)電源隔離，減少信號滯后，提高傳輸效率。圖5 中:上拉電阻R12和R14可以提高CAN總線的傳輸速度，R11和R15為限流電阻，防止流進芯片和光耦的電流過大，終端電阻R10，可以消除通訊電纜中的信號反射，使收發(fā)器和電纜之間阻抗相匹配［6-8］。

2.4 斷紗報警模塊電路設(shè)計

圖5 CAN 總線接口電路

圖6 斷紗報警電路

斷紗報警電路是為了當(dāng)報警信號產(chǎn)生時，將斷紗報警器產(chǎn)生的報警信號傳輸?shù)紻SP 中。斷紗報警電路原理圖如圖6 所示。圖6 中:MBR10100CT 為高壓肖特基整流器，內(nèi)部為兩個共陰極二極管，發(fā)生報警時，斷紗報警器A 中的開關(guān)閉合時，U2和U3 中二極管兩端產(chǎn)生壓差，二極管導(dǎo)通，12 V 經(jīng)過兩次二極管壓降，是的X 點電位為10.6 V 左右，PNP 型三極管Q1的VEB=12 V－10.6 V=1.4 V ＞0，使得Q1工作在飽和區(qū)［9］，從而使得光耦OP3 中發(fā)光二級管導(dǎo)通，ALARM信號發(fā)生“1”到“0”的跳變。當(dāng)沒有報警時，X 點電位為12 V，Q1工作在截止區(qū)，光耦中發(fā)光二級管截止，ALARM信號為“1”。

3 軟件設(shè)計

3.1 主控模塊軟件設(shè)計

主控模塊程序流程圖如圖7 所示。CAN 發(fā)送命令通過CAN 總線發(fā)送到恒張力控制模塊，CAN接收中斷接收來自恒張力控制模塊反饋來的當(dāng)前張力值。當(dāng)斷紗報警器報警或當(dāng)前值偏離設(shè)定值過大，由主控模塊發(fā)送停機指令。若張力系數(shù)更改，系統(tǒng)配置張力系數(shù)后，發(fā)送調(diào)節(jié)張力系數(shù)指令。

圖7 主控模塊程序流程圖

3.2 恒張力控制模塊軟件設(shè)計

恒張力控制模塊程序流程圖如圖8 所示。系統(tǒng)在CAN接收中斷中接收來自主控模塊的指令，進行命令解析，如果收到斷紗報警或張力偏離過大指令，則關(guān)閉直流電機，停止輸送紗線。如果收到張力系數(shù)調(diào)節(jié)指令，則通過改變電機轉(zhuǎn)速，調(diào)整紗線張力與設(shè)定值相符。在紗線傳輸過程中，通過張力檢測模塊中實時檢測到的張力值，與主控模塊發(fā)送過來的張力系數(shù)進行對比，改變直流電機轉(zhuǎn)速，使測量值與設(shè)定值盡可能接近，且將測量到的當(dāng)前張力值反饋給主控模塊。

3.3 恒張力模糊自整定PID 算法的實現(xiàn)

3.3.1 恒張力模糊自整定PID 控制原理

模糊自整定PID 屬于一種智能PID 控制，根據(jù)誤差e和誤差的變化ec 來自動調(diào)節(jié)PID 的參數(shù)。這種控制方法利用模糊規(guī)則，找出PID 中比例系數(shù)kp、積分系數(shù)ki、微分系數(shù)kd與e和ec 間的模糊關(guān)系，實時地對3個參數(shù)進行修改，以滿足不同的輸入對控制參數(shù)的要求［10-11］。模糊自整定PID 控制原理框圖如圖9 所示。

圖8 恒張力控制模塊程序流程圖

圖9 模糊自整定PID 控制原理框圖

該設(shè)計中模糊自整定PID 算法由恒張力控制模塊中的DSP 實現(xiàn)，通過橋式電路采集應(yīng)變電阻傳感器上的電壓變化，經(jīng)放大后，由DSP 中的ADC 模塊轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號，并換算成對應(yīng)的張力值。將檢測到的張力值與所設(shè)定張力值進行比較，得到e和ec，DSP 中構(gòu)建的模糊控制器根據(jù)兩參數(shù)值進行模糊推理，得到新的kp、ki和kd，輸入PID 調(diào)節(jié)器，調(diào)整直流電機轉(zhuǎn)速，調(diào)節(jié)紗線供給快慢，從而改變紗線張力大小。

根據(jù)kp、ki、kd對系統(tǒng)性能的影響，并結(jié)合紗線張力的自身特性，得到張力模糊控制推理規(guī)則。張力調(diào)節(jié)過程中，先保持kp大小適中、ki稍小、kd稍大，這樣既能使系統(tǒng)有一定響應(yīng)速度，又能避免引起過分微分飽和;然后逐漸加大kp和ki，提高響應(yīng)速度，減少穩(wěn)態(tài)誤差，kd保持不變;當(dāng)張力逐漸穩(wěn)定后，減小kp，降低響應(yīng)速度，逐漸加大ki并減小kd，維持系統(tǒng)穩(wěn)定，避免系統(tǒng)振蕩。

3.3.2 恒張力模糊自整定PID 算法

模糊控制器采用模糊推理中常用的CRI 算法，將語言變量的論域從連續(xù)域轉(zhuǎn)換成有限整數(shù)的離散論域［12］。該設(shè)計中，筆者采用三角隸屬函數(shù)，語言變量在量化域中取值均為{NB，NM，NS，Z，PS，PM，PB}，分別為負大、負中、負小、零、正小、正中和正大。依據(jù)上述模糊規(guī)則，本研究建立的Δkp、Δki、Δkd的模糊規(guī)則表如表1 所示。

表1 Δkp、Δki、Δkd的模糊規(guī)則表

下面運用重心法將模糊量清晰化，以比例系數(shù)kp為例，重心法計算公式如下:

4 仿真測試

根據(jù)所述控制系統(tǒng)，本研究在Simulink 下進行仿真，設(shè)置模糊參數(shù)的初值為0.3，相應(yīng)階躍響應(yīng)曲線圖如圖10 所示。

圖10 模糊自整定PID 階躍響應(yīng)曲線圖

由曲線圖可知，系統(tǒng)的超調(diào)量δ=12%，響應(yīng)時間t=1.6 s，表明該模糊自整定PID 控制系統(tǒng)的超調(diào)量較小、響應(yīng)速度較快。

5 結(jié)束語

本研究通過對恒張力輸紗控制系統(tǒng)的整體結(jié)構(gòu)、硬件與軟件設(shè)計進行分析，給出了一種基于CAN 總線通訊和模糊參數(shù)自整定PID 方法的控制器。該設(shè)計采用自整定PID 控制方法，針織過程中自動調(diào)整PID 參數(shù)，能夠?qū)崿F(xiàn)紗線的恒張力傳輸。恒張力模塊與主控模塊間采用CAN 總線通訊方式，增強抗干擾能力和系統(tǒng)穩(wěn)定性。本研究通過Simulink 仿真驗證了控制器的準(zhǔn)確性。

研究結(jié)果表明，該控制器的超調(diào)量小、響應(yīng)速度快，能夠有效解決無縫內(nèi)衣機中紗線張力的實時變化的問題，實現(xiàn)紗線的恒張力輸送，具有良好應(yīng)用前景。

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