戴 寧，胡旭東，彭來湖，鐘垚森

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

無縫內(nèi)衣機作為圓形緯編針織機中的特種機型，其織物不僅只需進行簡單裁剪即可成型，而且在穿著時更加貼身合體[1-3]。國外意大利Santoni等公司在無縫內(nèi)衣機的發(fā)展上走在了國際前列，近年來，國內(nèi)無縫內(nèi)衣機雖發(fā)展迅速，但其控制系統(tǒng)在穩(wěn)定性以及功能性方面與國外先進的控制系統(tǒng)相比仍存在不足[4-6]。密度電動機作為無縫內(nèi)衣機控制系統(tǒng)中重要的驅(qū)動模塊，其轉(zhuǎn)動的位置對應(yīng)著成圈三角的豎直位置，進而控制織物在不同部位的疏密程度。如果密度電動機沒有在織物的各部位轉(zhuǎn)到相應(yīng)的位置，則織物會出現(xiàn)橫紋甚至其尺寸不對等情況產(chǎn)生，這將直接影響無縫內(nèi)衣機的生產(chǎn)效率以及生產(chǎn)質(zhì)量。目前市場上Santoni公司部分無縫內(nèi)衣機配置的密度電動機內(nèi)嵌了絕對式位置編碼器，對密度電動機的轉(zhuǎn)動位置進行了閉環(huán)控制，但相比之下，其價格昂貴，且模塊所需安裝空間較大。國內(nèi)機械廠家在無縫內(nèi)衣機市場上競爭激烈，機械本體的空間利用以及價格優(yōu)勢顯得越來越重要。

通過對無縫內(nèi)衣機密度電動機的工作特性以及成圈三角的運動規(guī)律進行研究總結(jié)，提出了一種無縫內(nèi)衣機密度電動機控制技術(shù)。該技術(shù)采用 ARM處理器，并為無縫內(nèi)衣機“量身制定”了一套自定義CAN總線協(xié)議，以歸零和跑位2種方式控制相應(yīng)密度電動機轉(zhuǎn)動到指定位置，并在每次歸零時進行丟步偵錯，且無需安裝絕對式編碼器，提高了密度電動機控制穩(wěn)定性的同時節(jié)約了成本。

1 設(shè)計概述

本文以浙江紹興某無縫內(nèi)衣機廠的RFSM10內(nèi)衣機為機械本體進行研究。密度電動機控制成圈三角在豎直方向上進行運動，從而控制織針在成圈軌跡上的吃紗深度，進而影響織物的疏密程度。圖1示出無縫內(nèi)衣機三角排布以及壓針電動機與成圈三角的結(jié)構(gòu)。

圖1 無縫內(nèi)衣機三角排布以及壓針 電動機與成圈三角的結(jié)構(gòu)圖Fig.1 Figure of triangle arrangement of seamless underwear machine(a)and structure of density motor and circle forming triangle(b)

由圖1可知，織針經(jīng)過集圈三角，退圈三角，色紗三角，分針三角，降針三角所在位置后，最終會進入成圈三角，當(dāng)密度電動機控制成圈三角向上運動時，織針的吃紗深度較淺，織物組織較密，反之，織物組織較疏。密度電動機的轉(zhuǎn)動帶動其軸上的凸輪運轉(zhuǎn)，進而通過傳動裝置，控制成圈三角的位移。步進電動機的尾部軸上裝有蘑菇狀的結(jié)構(gòu)鐵件(簡稱蘑菇頭)和零位傳感器，當(dāng)蘑菇頭的圓弧部分靠近傳感器時，結(jié)構(gòu)鐵件與傳感器探頭之間的間隙最小，此時零位傳感器檢測到鐵感應(yīng)信號，用作密度電動機對零以及跑位的基準(zhǔn)。

本文研究的無縫內(nèi)衣機機械本體包含8路成圈機構(gòu)，故需要8個密度電動機進行控制，每個電動機的轉(zhuǎn)動狀態(tài)受其電動機驅(qū)動板接收的CAN總線協(xié)議來控制。無縫內(nèi)衣機密度電動機控制技術(shù)總體結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 無縫內(nèi)衣機密度電動機控制技術(shù)總體結(jié)構(gòu)Fig.2 Overall structure of seamless underwear machine density motor control technology

無縫內(nèi)衣機8路密度電動機等間距分布于圓型針筒外側(cè)，為減少CAN總線與各節(jié)點之間的總線長和信號反射干擾，本文采用2個阻值為120 Ω的終端電阻及CAN總線構(gòu)成了環(huán)針筒外側(cè)的環(huán)形網(wǎng)絡(luò)。CAN總線采用差分傳輸模式，分別與主控制模塊內(nèi)置CAN模塊的高位數(shù)據(jù)線(CAN-H)，與低位數(shù)據(jù)線(CAN-L)接口相連，各密度電動機模塊等間距接入圓形網(wǎng)絡(luò)內(nèi)，并與主控制模塊進行通訊。密度電動機驅(qū)動模塊通過CAN總線接收來自主控制模塊的指令，并控制其對應(yīng)密度電動機轉(zhuǎn)到指定位置。

特別地，本文采用了歸零偵錯方式可實現(xiàn)密度電動機丟步自診斷，與傳統(tǒng)開環(huán)控制方式相比，本文增加了脈沖記憶與脈沖比較環(huán)節(jié)，2種控制方式的流程簡圖如圖3所示。

圖3 2種控制方式的流程簡圖Fig.3 Schematic diagram of two control methods. (a)Traditional method；(b)Improved method

由圖可知，傳統(tǒng)開環(huán)控制模式編織過程為A->B->C，C再回到B階段進而循環(huán)編織，其中B階段在單件織物編織時，由于織物不同部位的組織密度不同，B階段可能重復(fù)多次(即n的值大于等于1)后，再執(zhí)行C階段。

相比傳統(tǒng)開環(huán)控制，改進方法增加了D脈沖記憶階段和E脈沖比較階段，當(dāng)密度電動機發(fā)生丟步現(xiàn)象時，從霍爾傳感器處轉(zhuǎn)到跑位位置(跑位)的脈沖，與從跑位位置處轉(zhuǎn)到霍爾傳感器處(歸零)所需脈沖數(shù)目不一致，當(dāng)2過程脈沖數(shù)目偏差過大時，則存在密度電動機丟步現(xiàn)象，需檢查密度電動機驅(qū)動板，密度電動機等是否存在故障。該控制方式在不增加成本，不增加機械安裝空間的基礎(chǔ)上，實現(xiàn)了密度電動機的丟步檢測，極大提高了密度電動機控制的穩(wěn)定性。

2 電動機驅(qū)動板電路設(shè)計

無縫內(nèi)衣機上的密度電動機主要采用兩相4線步進電動機，密度電動機模塊接收來自CAN總線上的動作指令，控制兩相4線步進電動機轉(zhuǎn)到指定位置。密度電動機驅(qū)動板控制電路如圖4所示。

圖4 密度電動機驅(qū)動板控制電路圖Fig.4 Control circuit diagram of density motor drive board

圖4中S為零位信號，接于ARM處理器輸入IO口，當(dāng)密度電動機尾部蘑菇頭靠近零位傳感器時，零位信號S為低電平，其余默認為高電平，實現(xiàn)電動機轉(zhuǎn)動過程的零位檢測。D,P,V，En為電路原理圖的網(wǎng)絡(luò)編號，分別代表方向控制信號，脈沖控制信號，參考電壓控制信號，使能信號且與ARM處理器相應(yīng)的輸出IO口相連。光耦隔離芯片采用的是型號為TLP113光耦隔離芯片，實現(xiàn)控制芯片和驅(qū)動芯片的電氣隔離，提高抗干擾能力[7-8]，電壓調(diào)節(jié)模塊實現(xiàn)步進電動機運轉(zhuǎn)時的參考電壓是停止時的2倍，為常見分壓電路，由參考電壓控制信號V實現(xiàn)二分壓。電動機驅(qū)動模塊主要由東芝型號為TB6600HG的兩相混合式步進電動機驅(qū)動芯片組成，ARM處理器通過D,P,V，En信號的輸出，控制TB6600HG電壓驅(qū)動芯片產(chǎn)生A+,A-，B+,B-四相步進電動機驅(qū)動時序，控制密度電動機的運轉(zhuǎn)。CAN通信模塊實現(xiàn)密度電動機與主控制模塊之間通訊信號的電平轉(zhuǎn)換。地址編碼模塊實現(xiàn)無縫內(nèi)衣機第1路到第8路的密度電動機地址編碼。

3 程序算法設(shè)計

3.1 密度電動機動作協(xié)議及協(xié)議解析算法

主控制模塊按角度將鏈條程序中當(dāng)前角度下各密度電動機的位置值發(fā)送給各密度電動機，該技術(shù)采用CAN2.0B協(xié)議，具有32位擴展幀，8個字節(jié)長度的數(shù)據(jù)段，其中32位擴展幀中包含29位可編輯段[9]，鏈條程序中主要包括正向位置，反向位置以及零度位置。其中正向位置以及反向位置最大數(shù)值為250，零度位置為0。為提高無縫內(nèi)衣機控制系統(tǒng)的時效性，將8路密度電動機所需轉(zhuǎn)動的位置值整理在一幀數(shù)據(jù)包內(nèi)，密度電動機的動作協(xié)議如表1 所示。

表1 密度電動機動作協(xié)議Tab.1 Protocol of density motor action

由表1可知，Data[1]～Data[8]依次存放第1路密度電動機～第8路密度電動機的位置值。DATA[0]代表29位擴展幀的低8位，依次存放著8個密度電動機的正向位置以及反向位置的信息。比如DATA[0]為0b10000010,則代表Data[2], Data[8]存放的是正向位置數(shù)據(jù)，其余數(shù)據(jù)位存放的是反向位置數(shù)據(jù)。29位擴展幀9～29位作為預(yù)留擴展，密度電動機動作協(xié)議解析算法流程如圖5所示。

圖5 密度電動機動作協(xié)議解析算法流程圖Fig.5 Flow chart of density motor action protocol analysis algorithm

圖5中：x為ARM處理器讀取到的當(dāng)前地址，其值范圍為0x0～0x7,依次代表第1路密度電動機到第8路密度電動機所對應(yīng)的驅(qū)動板地址；s為臨時變量，用以判斷當(dāng)前路地址需處于正方向位置還是反方向位置；d為所讀取的該路密度電動機的位置值大小；p為該協(xié)議所需密度電動機處于的具體位置。

3.2 密度電動機動作執(zhí)行程序算法

ARM處理器接收到主控制模塊下發(fā)的密度電動機動作并提取出相應(yīng)位置p后，與自身現(xiàn)有位置q進行比較，若二者位置不一樣，ARM處理器控制TB6600HG驅(qū)動芯片使密度電動機運轉(zhuǎn)到新的位置p。密度電動機的位置取決于蘑菇頭和零位傳感器的相對位置，具體如圖6所示。

注：“→”箭頭表示感應(yīng)器位置。圖6 密度電動機位置簡圖Fig.6 Diagram of density motor position

圖6中a位置為密度電動機的零點位置，此時零位傳感器有鐵感應(yīng)信號，當(dāng)蘑菇頭順時針轉(zhuǎn)動，轉(zhuǎn)到b位置時，密度電動機為負位置，此時零位傳感器仍有鐵感應(yīng)信號，若此時蘑菇頭再次順時針轉(zhuǎn)過半圓,到達位置d，此時零位傳感器檢測不到鐵感應(yīng)信號。當(dāng)蘑菇頭從a位置逆時針轉(zhuǎn)動到c位置時，此時密度電動機為正位置，此時零位傳感器檢測不到鐵感應(yīng)信號，密度電動機從c位置繼續(xù)逆時針轉(zhuǎn)動到d位置，此時密度電動機正位置增大，但未超過半圓。本文定義ARM處理器D所在IO口輸出為高電平時，蘑菇頭逆時針轉(zhuǎn)動，輸出IO口為低電平時，順時針轉(zhuǎn)動。密度電動機動作執(zhí)行程序算法流程如圖7所示。

圖7 密度電動機動作執(zhí)行程序算法流程圖Fig.7 Flow chart of density motor action execution program algorithm

圖7中：Q為密度電動機轉(zhuǎn)動到指令所需位置的差值；Dr為臨時變量，用以判斷密度電動機的轉(zhuǎn)向；yQ為ARM處理器所需發(fā)送的脈沖值。根據(jù)內(nèi)衣機密度電動機控制位置可知，當(dāng)位置改變量大致為400時，對應(yīng)密度電動機轉(zhuǎn)1圈，而密度電動機的步距角為 1.8°，無法滿足無縫內(nèi)衣機織物密度的精細調(diào)節(jié)[10]。TB6600HG可實現(xiàn)步距角16細分驅(qū)動，可實現(xiàn)3 200等分，故yQ的值可由下式獲得：

yQ=8|Q|

密度電動機零位的位置是固定的，即圖6的a位置，密度電動機歸零及偵錯算法流程如圖8所示。

圖8 密度電動機歸零及偵錯算法流程Fig.8 Flow chart of density motor zeroing and debugging algorithm

圖8中：i為臨時變量，用以計算歸零過程中同一個方向所需的脈沖個數(shù)；S為ARM處理器IO口檢測到的零位信號電平；yq為從位置q轉(zhuǎn)到零位位置的理論值，其值大小可將q代入公式可得；e為誤差系數(shù)，經(jīng)測試其值設(shè)置為16，可滿足生產(chǎn)需求。

雖然密度電動機零位的位置是固定的，但零位傳感器在蘑菇頭轉(zhuǎn)動的半個周期內(nèi)都能檢測到鐵感應(yīng)信號，故當(dāng)其在正向位置時，只需控制蘑菇頭順時針旋轉(zhuǎn)至第一次檢測出鐵感應(yīng)的位置，即歸零結(jié)束。當(dāng)在負向位置時，其需要先逆時針轉(zhuǎn)到正向位置，再順時針轉(zhuǎn)到a位。

4 實驗測試

本控制技術(shù)主要實現(xiàn)無縫內(nèi)衣機密度電動機穩(wěn)定工作，并能在出現(xiàn)有丟步現(xiàn)象時，可通過密度電動機歸零程序進行偵錯。本文驗證平臺需證明該控制方式的密度電動機的平穩(wěn)運行狀態(tài)以及丟步狀況產(chǎn)生時，能實現(xiàn)實時的報錯。實驗平臺的搭建示意圖如圖9所示。

圖9 實驗平臺搭建示意圖Fig.9 Diagram of experimental platform construction

密度電動機的平穩(wěn)運行狀態(tài)可通過如下過程進行驗證：主控制模塊下發(fā)密度電動機跑位指令，密度電動機按照表1所示動作協(xié)議進行解析，高性能示波器分兩路對密度電動機驅(qū)動模塊中ARM處理器P管腳和S管腳處波形進行采集，密度電動機按照ARM處理器P處的脈沖數(shù)進行跑位，S管腳處信號的一個完整周期代表密度電動機跑完一周的時間。在密度電動機勻速運轉(zhuǎn)時，應(yīng)確保S管腳處的零位信號周期以及高電平占空比為定值，同時需保證在一個完整的零位信號周期內(nèi)，P管腳處的信號個數(shù)唯一，且每個信號的波形完整，周期以及其占空比也為定值。

密度電動機的歸零偵錯程序可通過如下過程進行驗證：本文通過在主控制模塊中編寫循環(huán)發(fā)送測試程序，時間間隔為10 s,使其針對第1～8路密度電動機依次產(chǎn)生包含密度電動機動作協(xié)議的指令(先發(fā)送轉(zhuǎn)180°的跑位指令，后發(fā)送歸零指令)。在密度電動機模塊中編寫接收測試指令，并按照圖7、8所示算法流程進行動作(本文對TB6600HG進行了8細分，轉(zhuǎn)動180°，ARM處理器需發(fā)送1 600個跑位脈沖)。密度電動機在歸零偵錯異常時向主控制模塊進行反饋，主控制模塊接收到來自密度電動機的偵錯異常指令時，在圖9所示的人機交互屏上顯示該路密度電動機異常提示框。

本文針對圖9所示的實驗平臺，對第1～8路的密度電動機正常安裝，并對第8路密度電動機添加跑位監(jiān)測程序，當(dāng)檢測到密度電動機處于跑位階段時，及時失能密度電動機，并在ARM處理器發(fā)送完1 000個跑位脈沖后再使能密度電動機，直至發(fā)完1 600 個跑位指令。并按照過程1、過程2所述方式進行測試，密度電動機ARM處理器P管腳和S管腳處波形如圖10所示。

圖10 ARM處理器P管腳和S管腳處波形圖Fig.10 Diagram of waveform about P pin and S pin of ARM processor

本實驗先使密度電動機在24 h內(nèi)處于固定速度的跑位狀態(tài)，并將第1～7路中某一路密度電動機模塊中ARM處理器的P管腳以及S管腳接入示波器進行觀察。由圖可知，兩段波形從上到下分別示出ARM處理器的S管腳以及P管腳處的波形，通過MatLab對兩管腳處的波形數(shù)據(jù)進行重繪和統(tǒng)計可知，P管腳處波形頻率是S管腳處的3 200倍。故P管腳處其波形顯示密集，經(jīng)過放大處理，其波形與S管腳處波形一樣，波形完整，且波形重復(fù)性好，故本控制方案可使密度電動機的平穩(wěn)運行。

為驗證本實驗密度電動機的丟步偵錯功能，本實驗按照過程2所述方式進行驗證，調(diào)取人機界面內(nèi)24 h的報警信息，并對報警信息進行統(tǒng)計整理，統(tǒng)計結(jié)果顯示如表2所示。

表2 丟步測試統(tǒng)計表Tab.2 Statistics of lost step test

由圖10和表2可知,人機界面顯示每隔10 s出現(xiàn)一次8號密度電動機異常報警信息，并統(tǒng)計出 24 h 內(nèi)的報警信息共達8 640次。本文循環(huán)測試指令的時間間隔為10 s,故每次都能檢測到第8路密度電動機的丟步故障。本技術(shù)在浙江紹興某無縫內(nèi)衣機廠運行1 a左右，能有效地對密度電動機丟步進行偵錯，提高了國產(chǎn)無縫內(nèi)衣機的生產(chǎn)效率。

5 結(jié)束語

此無縫內(nèi)衣機密度電動機控制技術(shù)，結(jié)合密度電動機在機械本體上的分布以及其編織工藝，制定了基于CAN2.0B協(xié)議的密度電動機動作指令，只需一幀即可包含所有電動機在當(dāng)前角度下的位置信息，有效提高了無縫內(nèi)衣機控制系統(tǒng)的時效性。設(shè)計了關(guān)鍵的電路設(shè)計以及程序算法，在實現(xiàn)密度電動機精密控制的同時，密度電動機在歸零過程中還增加了密度電動機丟步偵錯機制。減少了無縫內(nèi)衣機織物的次品率，提高了國產(chǎn)無縫內(nèi)衣機密度電動機控制技術(shù)。

本控制技術(shù)無需對每路密度電動機增加編碼器來實現(xiàn)閉環(huán)控制，節(jié)約了機械本體空間利用的同時還降低了成本。此歸零偵錯方式雖以無縫內(nèi)衣機為研究本體，但對其他需要織物密度調(diào)節(jié)的針織圓緯機具有一定借鑒意義。