吳英剛,彭來湖,胡旭東

(浙江理工大學 浙江省現(xiàn)代紡織裝備技術重點實驗室，浙江 杭州 310018)

紗線輸送是圓緯機編織過程中的重要環(huán)節(jié)，紗線輸送的速度和平穩(wěn)性對織物的質(zhì)量和編織的產(chǎn)品類型有很大影響.紗線輸送時若張力波動過大，紗線就會因超出伸長范圍而斷紗[1]，產(chǎn)生織物上線圈大小不均勻、表面不平整、多橫條等現(xiàn)象.由于圓緯機編織時織物直徑的多變性和品種的多樣性，且線圈長度主要取決于送紗速度[2]，因此送紗速度需要根據(jù)編織要求進行調(diào)節(jié)，各成圈系統(tǒng)的紗線速度要一致[3].目前生產(chǎn)中以消極式送紗和采用主軸間接驅(qū)動的積極式送紗方式為主.消極式送紗的紗線張力波動較大，且送紗的速度不能任意調(diào)節(jié)；由主軸間接驅(qū)動的積極式送紗的紗線張力波動較小，但送紗速度的調(diào)節(jié)麻煩，不同的送紗速度需要更換不同直徑的送紗盤.針對上述兩種送紗方式的不足，本文提出了一種由交流伺服電機直接驅(qū)動的積極式送紗方式，并設計了圓緯機主動式送紗控制系統(tǒng).該系統(tǒng)以RAM(Random Access Memory)為控制器的核心，集編碼器信號采集、交流伺服電機驅(qū)動、開關量信號檢測、人機交互等模塊于一體，實現(xiàn)圓緯機編織時紗線張力和送紗速度的控制功能.

1 圓緯機主動式送紗控制原理

圓緯機送紗裝置如圖1所示.紗線從紗筒上牽引下來，經(jīng)過輸紗器上的磁性張力環(huán) ，纏繞到輸紗器的繞紗筒上，繞過輸紗器的斷紗報警器感應桿后，勾在織針的針勾上.所需輸紗器的個數(shù)由圓緯機路數(shù)決定.輸紗器靠皮帶傳動，其動力來自上帶輪或者下帶輪，具體通過輸紗器上的調(diào)節(jié)輪來選擇.上、下帶傳動的主動輪分別套在兩臺交流伺服電機(電機被固定在圓形支架上)的輸出軸上，由兩臺伺服電機來驅(qū)動.控制伺服電機的速度即可調(diào)節(jié)紗線輸送的速度，從而實現(xiàn)對織物線圈任意長度的調(diào)節(jié)[4].

為了保證紗線張力穩(wěn)定，伺服電機速度必須與圓緯機轉(zhuǎn)速同步.因此，在圓緯機主軸上安裝了增量式編碼器.MCU(Microcontroller Unit)通過捕獲編碼脈沖，結(jié)合PID(Proportion Integral Derivative)算法來同步調(diào)整伺服電機速度，實現(xiàn)送紗速度的無極調(diào)節(jié)，并確保送紗的平穩(wěn)和均勻.

圖1 圓緯機送紗裝置示意圖

2 硬件電路設計

2.1 硬件總體設計方案

根據(jù)送紗速度和紗線張力的控制要求，本系統(tǒng)采用RAM為控制器核心.RAM可以通過編程實現(xiàn)復雜的算法來提高控制精度[5-6]，且性價比高.圖2所示為系統(tǒng)硬件電路的整體框圖.MCU采用意法半導體(ST)公司型號為STM32F429的RAM芯片，該芯片的主頻高達180 MHz.編碼器信號捕獲模塊用來捕獲編碼器的脈沖信號.伺服電機驅(qū)動模塊為紗線輸送提供動力.液晶驅(qū)動模塊用于8英寸液晶屏和觸摸屏的控制.開關量信號檢測模塊用于斷紗和按鈕信號檢測.通訊模塊為擴展模塊，可實現(xiàn)送紗控制板與主控系統(tǒng)的通訊.電源模塊為各模塊提供電能.

圖2 系統(tǒng)硬件電路整體框圖

2.2 開關量信號檢測電路

為了提高圓緯機在啟動和停止時紗線輸送的跟隨性能，在控制系統(tǒng)設計方案中增加了對啟動、停止和點動按鈕的檢測，以確保在圓緯機啟動和停止階段布面的平整光滑.同時，為了防止紗線拉斷后引起的織物破損，在控制系統(tǒng)中加入了斷紗報警檢測功能，使伺服電機在斷紗報警時能及時停機.系統(tǒng)開關量信號檢測電路如圖3所示.當按鈕按下或紗線斷掉時，INPUT端口被拉低，光耦導通，發(fā)光二極管L1點亮，MCU檢測到OUTPUT端口為低電平后進入相應中斷指令進行處理.該檢測電路中光耦前端的發(fā)光二極管L1的導通電流一般為5 mA，壓降為1.8 V.根據(jù)歐姆定律可計算出R8約為4.3 kΩ，取R8=4.7 kΩ，同時可根據(jù)光耦的CTR(Current Transfer Ratio)系數(shù)計算出R7.R7約為1.5 kΩ,取R7=2.0 kΩ.

圖3 開關量信號檢測電路

2.3 編碼器信號捕獲電路

控制系統(tǒng)選用增量式編碼器，編碼器隨主軸每轉(zhuǎn)過一定角度就會發(fā)出一個脈沖信號，包括A相、B相、Z相共三相輸出.A相與B相脈沖相差1/4周期；Z相每圈發(fā)一個信號，用來記錄機器圈數(shù).MCU的定時器TIM5具有正交編碼功能，通過通道1和通道2準確測定A相與B相正交編碼脈沖的個數(shù).

編碼器A相脈沖信號捕獲電路如圖4所示.將A相的差分脈沖信號輸入高速光耦的前端，光耦后端的輸出信號連接定時器TIM5的通道1.在圖4中，C1和C2為濾波電容，大小均為1 000 pF，用來濾除雜波；二級管D1的作用是保護編碼器；R1和R2為上拉電阻，起限流作用.編碼器B相、Z相脈沖信號捕獲電路與A相相似，但B相脈沖信號由定時器TIM5的通道2捕獲，Z相脈沖信號由普通IO口的外部中斷捕獲.

圖4 編碼器A相脈沖信號捕獲電路

2.4 交流伺服電機驅(qū)動電路

在圓緯機編織時，驅(qū)動輸紗器的電機除了速度可以任意調(diào)節(jié)外，還要求速度變化快速且穩(wěn)定.交流伺服電機不僅速度調(diào)節(jié)方便快捷，而且工作可靠.因此，控制系統(tǒng)選用交流伺服電機作為輸送器的驅(qū)動源.該伺服電機的驅(qū)動電路如圖5所示.MCU控制的脈沖和方向信號經(jīng)過雙通道高速光耦，接在四路差分線路驅(qū)動器上，從而轉(zhuǎn)化為差分信號來控制伺服電機驅(qū)動器，調(diào)節(jié)伺服電機速度.在一定范圍內(nèi)，MCU發(fā)送脈沖的頻率越高，電機速度越快[7].

圖5 伺服電機驅(qū)動電路

3 控制程序設計

3.1 控制程序總體設計方案

uC/OS-II操作系統(tǒng)是一個強實時性、多任務的內(nèi)核，它具有任務管理、任務同步、通訊機制及簡單內(nèi)存管理等功能[8].送紗控制系統(tǒng)對控制的實時性要求較高，因此選用了uC/OS-II操作系統(tǒng).送紗控制系統(tǒng)的任務主要包括開關量信號檢測、編碼器信號捕獲、伺服電機驅(qū)動和LCD(Liquid Crystal Display)數(shù)據(jù)交互等，各任務間采用消息郵箱的通訊方式進行數(shù)據(jù)傳輸，以高效完成系統(tǒng)控制任務.多任務交互流程如圖6所示.

圖6 多任務交互流程

3.2 開關量信號檢測程序

開關量信號檢測包括對啟動、點動、運行3個按鈕以及斷紗報警的檢測和處理，其流程如圖7所示.當系統(tǒng)檢測到開關量信號狀態(tài)改變時，依次判斷是否為斷紗報警信號、急停信號、點動信號和運行信號，并將判斷結(jié)果以消息郵箱的通信方式發(fā)送給伺服電機驅(qū)動任務和LCD數(shù)據(jù)交互任務.

圖7 開關量信號檢測流程

3.3 編碼器信號捕獲程序

編碼器信號捕獲程序用于實時捕獲編碼器信號，確保伺服電機和圓緯機具有良好的同步性.為了提高MCU的使用效率并增加單塊MCU驅(qū)動伺服電機的個數(shù)，系統(tǒng)初始化定時器TIM5每捕獲一個編碼器脈沖信號就將消息發(fā)送給伺服電機驅(qū)動程序進行處理，同時發(fā)送給LCD數(shù)據(jù)交互程序進行顯示.考慮到圓緯機速度的提升使相鄰編碼脈沖的時間間隔越來越短，定時器TIM5根據(jù)圓緯機速度逐步增加到每捕獲2個、3個、4個編碼器脈沖信號將發(fā)送一次數(shù)據(jù).這樣可提高MCU在圓緯機高速情況下的帶載能力和運行效率.

3.4 伺服電機驅(qū)動程序

實現(xiàn)紗線輸送速度無極調(diào)節(jié)和同步跟隨圓緯機速度，是伺服電機驅(qū)動控制的主要任務.伺服電機驅(qū)動流程如圖8所示.在無斷紗報警的情況下，若伺服電機驅(qū)動程序收到開關量信號檢測程序發(fā)送的運行按鈕按下或點動按鈕按下的信息，則伺服電機以設定的初始速度開始轉(zhuǎn)動；當伺服電機驅(qū)動程序收到編碼器信號捕獲程序發(fā)送的信息后，根據(jù)LCD數(shù)據(jù)交互程序設置的速度值，結(jié)合當前圓緯機運行速度和PID算法來調(diào)節(jié)伺服電機速度.若伺服電機驅(qū)動程序收到開關量信號檢測程序發(fā)送的急停按鈕按下或點動按鈕松開的信息，并且編碼器信號捕獲程序采集的相鄰兩個編碼脈沖時間差大于一定值，則關停伺服電機.

圖8 伺服電機驅(qū)動流程

3.5 LCD數(shù)據(jù)交互程序

LCD觸摸屏作為人機界面的輸入設備已被廣泛應用于手持設備、工業(yè)控制、家電等領域，而且基于ARM處理器的觸摸屏也已成為嵌入式系統(tǒng)的主要部件[9-10].本系統(tǒng)選用8英寸LCD屏實現(xiàn)伺服電機參數(shù)的輸入、開關量信號的顯示，可將設置的伺服參數(shù)發(fā)送給伺服電機驅(qū)動程序，同時接收開關量信號檢測程序發(fā)送的運行狀態(tài)和報警信息.系統(tǒng)運行監(jiān)控界面如圖9所示.

圖9 系統(tǒng)運行監(jiān)控界面

4 測 試

4.1 編碼器信號捕獲測試

準確的編碼器信號捕獲是系統(tǒng)穩(wěn)定控制的前提，其A相與B相是正交編碼信號.從定時器TIM5兩個通道捕獲的編碼脈沖如圖10所示.從圖10可看出，A、B兩相信號相差1/4周期，信號平穩(wěn)可靠.

圖10 定時器TIM5兩個通道捕獲的編碼脈沖信號

4.2 伺服電機驅(qū)動測試

對紗線輸送速度的無級調(diào)節(jié)由伺服電機來控制.為了增強伺服電機控制的抗干擾能力，本系統(tǒng)伺服電機的速度和方向都采用了差分控制方式.伺服電機速度差分控制波形如圖11所示.

圖11 伺服電機速度差分控制波形

伺服電機速度對圓緯機速度應有良好的跟隨性能.在人機界面設定伺服參數(shù)不變的情況下，當圓緯機速度減小時，編碼器捕獲單個脈沖的時間加長，MCU發(fā)送給伺服驅(qū)動器的脈沖頻率變慢，伺服電機速度也隨之減小.伺服電機脈沖跟隨編碼器脈沖信號變化的波形如圖12所示.在圖12中，上邊(1號通道)波形為編碼器的A相脈沖；下邊(2號通道)波形為控制伺服電機速度的脈沖，其變化規(guī)律符合跟隨要求.

圖12 伺服電機脈沖跟隨編碼器脈沖信號變化波形

4.3 裝機測試

圖13所示為伺服電機的現(xiàn)場安裝位置.伺服電機通過固定夾具安裝在圓形支架上，輸出軸上安裝的主動輪通過帶傳動來驅(qū)動輸紗器輸送紗線.

現(xiàn)場測試證明，圓緯機主動式送紗控制系統(tǒng)被安裝使用后，紗線張力平穩(wěn)，紗線輸送速度調(diào)節(jié)方便，達到了客戶提出的送紗控制要求.

圖13 伺服電機現(xiàn)場安裝位置

5 結(jié)束語

本文根據(jù)針織圓緯機編織時紗線輸送的控制要求，針對現(xiàn)有送紗控制系統(tǒng)存在的缺陷，從硬件和軟件兩個方面著手，研制了一套集編碼器信號捕獲、開關量信號檢測、交流伺服電機驅(qū)動、LCD數(shù)據(jù)交互等模塊于一體的圓緯機主動式送紗控制系統(tǒng)，有效地解決了紗線輸送速度不易調(diào)節(jié)和張力波動大的問題.通過理論分析和現(xiàn)場測試，該控制系統(tǒng)設計方案合理，具有良好的工程應用前景.

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