張逸塵，郭思龍，薛子鵬，蘇云帆，楊一帆，田瑞明，董洪衛(wèi)，馬炳川

(1.中國(guó)重型機(jī)械研究院股份公司，西安 710032；2.中國(guó)兵器工業(yè)集團(tuán)北方電子研究院有限公司，西安 710100；3.浙江久立特材科技股份有限公司，浙江 湖州 313028；4.中國(guó)重型機(jī)械研究院股份公司成都分院，成都 610042)

0 引言

隨著科技的發(fā)展，無(wú)梭織機(jī)將緯紗卷裝從梭子中分離出來(lái)，或是僅攜帶少量的緯紗，實(shí)現(xiàn)以小而輕的引緯器替代大而重的梭子，進(jìn)而以無(wú)梭織機(jī)替代有梭織機(jī)，為高速引緯提供了有利條件[1]。無(wú)梭織機(jī)直接將筒子卷裝通過(guò)儲(chǔ)緯裝置引入引緯機(jī)構(gòu)，使織機(jī)擺脫頻繁的補(bǔ)緯動(dòng)作。因此，對(duì)于增加織物品種、調(diào)整織物結(jié)構(gòu)、減少織物疵點(diǎn)、提高織物質(zhì)量、降低織機(jī)噪聲、改善勞動(dòng)條件、減少能耗具有重要意義[2]。選緯器作為無(wú)梭織機(jī)的重要機(jī)械結(jié)構(gòu)之一，在接收到織機(jī)的觸發(fā)命令后會(huì)立即驅(qū)動(dòng)選緯指執(zhí)行選緯動(dòng)作，因此選緯器的動(dòng)作速度和精準(zhǔn)度，直接影響織機(jī)的運(yùn)行效率和織造品質(zhì)。

劍桿織機(jī)是用往復(fù)移動(dòng)的劍桿帶帶動(dòng)劍頭叉入或夾持緯紗，將機(jī)器外側(cè)固定筒子上的緯紗引入梭口[3-6]。該類(lèi)選緯設(shè)備主要制造商有德國(guó)的道尼爾公司和意大利PROMATECH公司，分別采用步進(jìn)電機(jī)與直線電機(jī)驅(qū)動(dòng)選緯設(shè)備。缺點(diǎn)是電機(jī)的使用增加設(shè)備成本，同時(shí)由于驅(qū)動(dòng)負(fù)載大、安裝空間有限，導(dǎo)致電機(jī)的安裝難度增大[7]。而噴氣織機(jī)則采用壓縮氣流牽引緯紗從而將緯紗帶過(guò)梭口[8]，但其引緯氣流對(duì)某些緯紗缺乏足夠的控制能力，易出現(xiàn)引緯疵點(diǎn)[9]。噴水織機(jī)通過(guò)噴射水流對(duì)緯紗產(chǎn)生摩擦牽引力，將固定筒子上的緯紗引入梭口，降低了成本，實(shí)現(xiàn)了高速織造[10]，但噴水織機(jī)的選緯功能較差，最多只能進(jìn)行雙緯色或三緯色織造。

紡織設(shè)備是紡織行業(yè)的基礎(chǔ)，但我國(guó)先進(jìn)的紡織機(jī)械，尤其是無(wú)梭織機(jī)長(zhǎng)期依賴進(jìn)口，其主要原因是國(guó)內(nèi)無(wú)梭織機(jī)在電子技術(shù)上與國(guó)外存在一定的差距。選緯設(shè)備作為無(wú)梭織機(jī)的重要組成部分，其國(guó)產(chǎn)化尤為重要。

為了改進(jìn)以上選緯器的缺點(diǎn)，在降低成本的同時(shí)，保證織物質(zhì)量以及高速選緯功能，筆者設(shè)計(jì)了一種電磁式選緯器。該選緯器采用電磁式選緯結(jié)構(gòu)，通過(guò)線圈的充放電實(shí)現(xiàn)選緯指的動(dòng)作。相比現(xiàn)有選緯器結(jié)構(gòu)，該電磁式選緯器結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單且成本低，同時(shí)可以實(shí)現(xiàn)較強(qiáng)的選緯功能以滿足日益提升的紡織品需求；驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)方面，采用H橋驅(qū)動(dòng)選緯指動(dòng)作，采用霍爾傳感器測(cè)量磁力以確定動(dòng)作角度，采用單片機(jī)實(shí)現(xiàn)多路選緯指的控制，同時(shí)采用先進(jìn)控制算法提升控制精度。相比現(xiàn)有選緯器驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)，電磁式選緯器驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了精準(zhǔn)的選緯指動(dòng)作和較快的選緯操作以提升系統(tǒng)性能。此外，電磁式選緯器驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)具備角度自學(xué)習(xí)、寬電壓輸入和電源防接反保護(hù)功能。為了進(jìn)一步滿足實(shí)際應(yīng)用，設(shè)計(jì)了傳感器安裝測(cè)試板以確保人工現(xiàn)場(chǎng)安裝的準(zhǔn)確性。

1 硬件系統(tǒng)

1.1 機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

電磁式選緯器通過(guò)對(duì)線圈的充放電實(shí)現(xiàn)選緯指動(dòng)作。其選緯指末端的緯紗穿孔穿入緯紗，選緯指動(dòng)作使緯紗進(jìn)入織機(jī)，從而實(shí)現(xiàn)緯紗選擇。電磁式選緯器機(jī)械結(jié)構(gòu)示意見(jiàn)圖1，該設(shè)計(jì)包含永磁片與電磁片。第1永磁片與電磁片配合使線圈通過(guò)正向電流時(shí)，第1永磁片的磁性與線圈產(chǎn)生的磁性相互作用驅(qū)動(dòng)永磁片與電磁片相對(duì)移動(dòng)；而當(dāng)線圈通過(guò)反向電流后，第1永磁片的磁性與線圈產(chǎn)生的磁性相互作用驅(qū)動(dòng)永磁片與電磁片回復(fù)至移動(dòng)前的位置。通過(guò)永磁片與線圈產(chǎn)生磁性的相互作用驅(qū)動(dòng)選緯指動(dòng)作以實(shí)現(xiàn)選緯操作。

1—基座；2—線圈；3—磁鐵；4—選緯指；5—緯紗穿孔。圖1 電磁式選緯器機(jī)械結(jié)構(gòu)示意

1.2 驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

電磁式選緯器的硬件框圖如圖2所示。由于選緯器包含8個(gè)選緯指，所以以上結(jié)構(gòu)均為8路并行實(shí)現(xiàn)。選取32單片機(jī)作為驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)控制芯片，通過(guò)模擬上游設(shè)備的脈沖輸入作為控制系統(tǒng)的輸入信號(hào)，控制芯片將輸入信號(hào)處理后輸出對(duì)應(yīng)的脈寬調(diào)制技術(shù)PWM波，PWM通過(guò)H橋驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)控制電磁式選緯器完成選緯動(dòng)作。為提升整體控制精度，在選緯器中安裝對(duì)應(yīng)的霍爾角度測(cè)量板，通過(guò)傳感器將選緯指動(dòng)作角度轉(zhuǎn)換為電壓信號(hào)，將電壓信號(hào)作為反饋信號(hào)輸入單片機(jī)，實(shí)現(xiàn)對(duì)選緯指的精準(zhǔn)控制，滿足實(shí)際應(yīng)用對(duì)準(zhǔn)確性的控制要求。

圖2 驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)

1.2.1 脈沖觸發(fā)電路設(shè)計(jì)

選緯器的動(dòng)作觸發(fā)指令是由上游的織機(jī)控制器發(fā)送的，由于安裝調(diào)試過(guò)程不具備織機(jī)控制器發(fā)出脈沖觸發(fā)信號(hào)的條件，所以設(shè)計(jì)了一種脈沖觸發(fā)電路。

該脈沖觸發(fā)電路使用模擬數(shù)字轉(zhuǎn)換器ADC的STC12C5A60S2單片機(jī)，在觸發(fā)電路中，可調(diào)電阻R12用于改變脈沖頻率，J2用于串口連接上位機(jī)和程序下載。上電后，程序檢測(cè)AD0接口電壓，通過(guò)循環(huán)判斷和計(jì)算，在P0口輸出8路脈沖信號(hào)，并以這8路脈沖信號(hào)驅(qū)動(dòng)光耦，實(shí)現(xiàn)NPN型集電極開(kāi)路輸出。根據(jù)測(cè)試，該電路可以模擬織機(jī)控制器輸出的脈沖，系統(tǒng)對(duì)外光隔離，穩(wěn)定可靠。

1.2.2 驅(qū)動(dòng)電路設(shè)計(jì)

驅(qū)動(dòng)電路使用STC12 系列單片機(jī)作為控制芯片，由于選緯器工作電流較大，且工作中需要頻繁切換輸出極性，因此驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)須滿足大電流工作能力以及快速響應(yīng)能力。由于IRF540晶閘管為N溝道MOSFET晶體管，其漏極電流可達(dá)33 A，功率達(dá)130 W[11]，所以選用IRF540搭建H橋，使用集成驅(qū)動(dòng)芯片IR2102驅(qū)動(dòng)MOS管。

使用IR2102型電橋驅(qū)動(dòng)器芯片集成驅(qū)動(dòng)芯片設(shè)計(jì)的H橋驅(qū)動(dòng)電路[12]，見(jiàn)圖3。

圖3 H橋驅(qū)動(dòng)電路示意

當(dāng)HIN，LIN輸入低電平，下管先于上管導(dǎo)通。因?yàn)橹挥邢鹿芟葘?dǎo)通，上管才能形成回路，同時(shí)電路供電電壓VCC對(duì)電容充電，當(dāng)上管完全導(dǎo)通后電容開(kāi)始對(duì)場(chǎng)效應(yīng)管MOS放電，放電到固定電壓數(shù)值VGS前要將上管關(guān)閉，放電時(shí)間便是PWM信號(hào)的高電平時(shí)間，下管繼續(xù)導(dǎo)通，這時(shí)VCC開(kāi)始對(duì)電容充電，充電時(shí)間是PWM輸入信號(hào)的低電平時(shí)間，這樣便可正常驅(qū)動(dòng)負(fù)載電路。

1.2.3 角度測(cè)量板設(shè)計(jì)

使用SS496霍爾傳感器將磁場(chǎng)的變化轉(zhuǎn)換為電壓的線性輸出。SS496系列是小型、多功能、線性霍爾效應(yīng)器件，由永磁體或電磁鐵的磁場(chǎng)控制。比值輸出電壓由電源電壓決定，并隨磁場(chǎng)強(qiáng)度變化而變化[13-14]。角度測(cè)量板設(shè)計(jì)使用了8個(gè)SS496傳感器實(shí)現(xiàn)8路的角度測(cè)量。角度測(cè)量板電路見(jiàn)圖4。

圖4 角度測(cè)量板電路示意

測(cè)量板由5 V穩(wěn)壓電源供電，為了適應(yīng)工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境，設(shè)計(jì)了瞬態(tài)抑制二極管D1和固態(tài)濾波電容C1，確保5 V供電可靠。瞬態(tài)電壓抑制二極管，是一種二極管形式的高效能保護(hù)器件[15]。當(dāng)TVS二極管的兩極受到反向瞬態(tài)高能量沖擊時(shí)，它能以10-12s量級(jí)的速度，將其兩極間的高阻抗變?yōu)榈妥杩?，吸收高達(dá)數(shù)千瓦的浪涌功率，使兩極間的電壓箝位于同一個(gè)預(yù)定值，有效地保護(hù)電子線路中的精密元器件，使之免受各種浪涌脈沖的損壞。檢測(cè)板能夠輸出8路電壓信號(hào)，由驅(qū)動(dòng)板上的ADC接收處理。

2 軟件系統(tǒng)

針對(duì)選緯器的動(dòng)作機(jī)理對(duì)該動(dòng)作結(jié)構(gòu)進(jìn)行數(shù)學(xué)建模以設(shè)計(jì)合適的控制算法。選緯器在工作過(guò)程中選緯指繞定軸做旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，其動(dòng)力學(xué)模型見(jiàn)式(1)。

(1)

式中：

θ——選緯指繞定軸運(yùn)動(dòng)的角度/rad；

J——選緯指的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量/(kg·m2)；

Te——通電線圈在磁場(chǎng)中受到的安培力矩/(N·m)；

TL——選緯指在運(yùn)動(dòng)過(guò)程中受到的阻力距/(N·m)。

因?yàn)檫x緯指線圈的有效部分始終處于磁場(chǎng)中，所以線圈受到的安培力距Te見(jiàn)式(2)。

Te=BIL·x

(2)

式中：

B——永磁體磁感應(yīng)強(qiáng)度/T；

I——流過(guò)線圈的電流/A；

L——有效線圈長(zhǎng)度/m；

x——轉(zhuǎn)動(dòng)軸到著力點(diǎn)的距離(力臂)/m。

若忽略線圈電感，線圈電壓與電流滿足歐姆定律，見(jiàn)式(3)。

(3)

式中：

U——線圈兩端電壓/V；

RL——線圈電阻/Ω。

把式(2)和式(3)代入式(1)可得式(4)：

(4)

針對(duì)上述數(shù)學(xué)模型，擬采用單閉環(huán)PID控制器與雙閉環(huán)PID控制器進(jìn)行控制。單閉環(huán)PID控制器將角度值作為反饋量對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行控制。而雙閉環(huán)PID在原有的基礎(chǔ)上加入了微分環(huán)節(jié)，將得到的角速度作為第2個(gè)反饋量實(shí)現(xiàn)雙閉環(huán)控制。上述2種方案的控制框圖見(jiàn)圖5和圖6。

圖5 單閉環(huán)PID控制示意

圖6 雙閉環(huán)PID控制示意

根據(jù)式(4)所示，假設(shè)負(fù)載TL為常量、RL不隨溫度變化。使用Simulink軟件對(duì)上述2種控制算法進(jìn)行仿真驗(yàn)證。

圖7表示單閉環(huán)PID的控制框圖，圖8表示雙閉環(huán)PID的控制框圖。圖9為2種控制算法的階躍響應(yīng)曲線，按照?qǐng)D中指示分別為傳統(tǒng)單閉環(huán)PID(Traditional PID)和雙閉環(huán)PID(Cascade PID)的控制效果。

圖7 單閉環(huán)PID仿真框圖

圖8 雙閉環(huán)PID仿真框圖

圖9 2種控制算法結(jié)果比較

從圖9可以看出，雙閉環(huán)PID控制器具有更短的調(diào)節(jié)時(shí)間、更快的反應(yīng)速度和更小的超調(diào)量，所以最終選擇使用雙閉環(huán)PID對(duì)選緯器進(jìn)行控制。

3 系統(tǒng)測(cè)試與誤差分析

3.1 傳感器安裝測(cè)試板

傳感器安裝測(cè)試板用于測(cè)試和校準(zhǔn)檢測(cè)板安裝的準(zhǔn)確性。由于檢測(cè)板上霍爾元件與選緯指定位磁鐵之間的安裝距離，與角度檢測(cè)的結(jié)果密切相關(guān)，為了確保檢測(cè)板的正確安裝，設(shè)計(jì)了如圖10所示的傳感器安裝測(cè)試板。

傳感器安裝測(cè)試板基于STC12C5A60S2單片機(jī)，依托其內(nèi)置的10位ADC，測(cè)量霍爾傳感器輸出電壓，并轉(zhuǎn)換為數(shù)字量，進(jìn)而計(jì)算選緯指運(yùn)動(dòng)角度。為了顯示傳感器輸出，使用了一塊人機(jī)界面(HMI)顯示屏，連接在電路板上的LCD1接口，顯示屏通過(guò)串口與單片機(jī)通信。筆者基于人機(jī)界面串口屏設(shè)計(jì)軟件，設(shè)計(jì)了顯示屏的用戶界面(UI)，并定義了與單片機(jī)的通信協(xié)議。

圖10 傳感器安裝測(cè)試電路圖

STC12C5A60S2擁有2個(gè)全雙工串行通信接口，串口1的功能及操作與傳統(tǒng)51單片機(jī)串行口相同；特殊的是STC12C5A60S2單片機(jī)內(nèi)部有1個(gè)獨(dú)立的波特率發(fā)生器，串口1可以使用定時(shí)器1作為波特率發(fā)生器，也可以使用獨(dú)立波特率發(fā)生器；而串口2只能使用獨(dú)立波特率發(fā)生器。串口1用于程序下載，串口2用于連接顯示屏。

設(shè)計(jì)顯示界面頂部的n1～n8表示8個(gè)霍爾元件，底部數(shù)字表示當(dāng)前傳感器的輸出，由于內(nèi)置ADC是10位，因此輸出值為0～1023。深色進(jìn)度條控件指示了選緯指當(dāng)前所處的位置。在批量生產(chǎn)和調(diào)試時(shí)，預(yù)先指定選緯指在上限位和下限位的輸出量，工人根據(jù)該量微調(diào)檢測(cè)板的安裝位置。

3.2 測(cè)試效果與存在誤差

為了便于測(cè)量新型選緯器的最大速度，為驅(qū)動(dòng)板編寫(xiě)了特殊的調(diào)試程序：選緯器每完成1次動(dòng)作，驅(qū)動(dòng)板通過(guò)串口向PC機(jī)發(fā)送1個(gè)ASCII碼字符“X”。PC機(jī)安裝的串口調(diào)試助手，能夠?qū)崟r(shí)顯示字符“X”，每一個(gè)字符“X”表示選緯器動(dòng)作1次。串口助手軟件下方的參數(shù)信息：129 byte received (11 b/s)，即選緯器的動(dòng)作速度為11次/s，換算成織機(jī)速度為660 r/min。市面常見(jiàn)織機(jī)速度范圍為350 r/min～650 r/min。因此，電磁式選緯器動(dòng)作速度快，適用于任何一款織機(jī)。

4 結(jié)語(yǔ)

筆者通過(guò)驅(qū)動(dòng)電路設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)對(duì)電磁式選緯器的控制。硬件方面除驅(qū)動(dòng)電路外還有為測(cè)試選緯器性能設(shè)計(jì)的模擬脈沖發(fā)送電路、為確保實(shí)際安裝的準(zhǔn)確性設(shè)計(jì)的傳感器安裝檢測(cè)電路。軟件方面，根據(jù)選緯器的動(dòng)作原理以及機(jī)械結(jié)構(gòu)對(duì)選緯器進(jìn)行機(jī)理建模，針對(duì)建立的機(jī)理模型設(shè)計(jì)了傳統(tǒng)PID控制與雙閉環(huán)PID控制算法，并使用Simulink對(duì)上述2種算法進(jìn)行仿真驗(yàn)證，通過(guò)對(duì)階躍響應(yīng)曲線的對(duì)比，選擇使用雙閉環(huán)PID作為控制算法實(shí)現(xiàn)對(duì)選緯器的控制。

經(jīng)過(guò)測(cè)試，電磁式選緯器滿足實(shí)際紡織設(shè)備對(duì)運(yùn)行速度的要求，并在實(shí)驗(yàn)階段完成了3×24 h的連續(xù)性測(cè)試，可滿足選緯操作要求。電磁式選緯器的設(shè)計(jì)與研發(fā)實(shí)現(xiàn)了對(duì)原選緯器的改進(jìn)，以更低的成本實(shí)現(xiàn)了更好的選緯效果與更多的選緯數(shù)量。