針織機械密度調節驅動器的一體化設計

浙江工業職業技術學院　吳小良

紹興龍晟機械制造有限公司　吳華盛

0　引言

按工藝類別,針織機械可分為緯編機和經編機。針織物具有良好的彈性、舒適性與延展性，擁有廣泛的應用市場。而目前國內市場高端的針織機基本依賴進口，國家需要花費大量的外匯購買針織機系統。因此開發具有自主知識產權的高端針織機，努力提高國內針織設備制造水平和應用水平具有十分重要的意義[1]。

影響編織質量的因素有很多，其中一個很重要的影響因素是密度調節。在目前的針織機械中，比較成熟的密度調節裝置原理是由密度電機驅動密度三角滑塊上的密度壓針三角和密度起針三角運動來實現的[2]。概括來說，通過控制密度電機的運動來改變織物密度。

1　數字驅動器設計方案

密度調節必須具有無極微調功能，所以動力部分選用步進電機，為了步進電機獲得更好的控制效果，需要選用專用的驅動設備，因此，為了提高步進電機系統的運行性能，除了電機本身性能，還取決于驅動設備性能的優劣。

本文提出了一種數字驅動器設計方案，將步進電機驅動控制器與步進電機實現一體化設計，即將步進電機、運動控制器，驅動放大器，反饋裝置組成一個整體放入一個驅動器腔體內。

現今市面上的控制系統皆采用驅動器與步進電機分離的方案，但是由于針織機械的成圈路數多，使得步進電機的驅動線路多，各個步進電機相線之間的干擾大，導致步進電機運行穩定性下降。同時，傳統設計方案通常都是將多個步進電機的驅動電路設計在同一塊板上并由一片控制芯片控制多個步進電機的運轉，這就使得控制難度大大增加。

本方案中，驅動器與步進電機實現了一體化設計，并通過總線通訊由上位機對各個驅動器進行控制，避免了電機相線之間的干擾，增加了系統穩定性。而且由于本設計中各個步進電機及其驅動器都是相互獨立的，上位機控制簡單，這樣也使得系統調試簡單，安裝方便，后期的維護也相對容易。

2　驅動器腔體設計

本設計實體采用如圖1所示的設計方式。驅動控制器PCB板設計為40mm*40mm，所有模塊均布置在該PCB板上，同時該板內嵌入步進電機腔體中。

圖1　驅動器腔體設計方案

為實現這樣的一體化設計，硬件電路各個模塊需要使用集成電路芯片來實現，這樣能夠有效地減少PCB布板的面積，同時又有良好的可靠性與穩定性。

3　硬件電路設計

控制系統分為四個模塊：電源模塊、電機驅動模塊、電機控制模塊以及反饋模塊。驅動器總體設計結構如圖2所示。

圖2　驅動器總體框圖

3.1　驅動部分電路設計

步進電機驅動芯片采用BD63860,因為超薄封裝有利用集成在較小殼體內，良好的散熱性能保證在相對封閉的環境里可以長時間工作.步進電機驅動芯片電路原理圖如圖3所示。

本設計禁用復位功能，因此該引腳接高電平。該芯片內部自帶肖特基二極管，因此將SR端接高電平，即自身整流模式，不需要外部肖特基二極管，SR端接高電平。

圖3　步進電機驅動模塊原理圖

RNF1、RNF2是PWM斬波電流設置端口，斬波電流輸出計算公式如下：

公式中RNF=0.2?,Vref=1.73V,有電阻R13與R12分壓得到，斬波電流是。

關斷時間由CR1、CR2端口所接的電容與電阻決定的，本設計采用1000pF的電容和39k?的電阻，得到關斷時間為31.6μs。

3.2　控制部分電路設計

本設計使用了基于ARM Cortex-M0的LPC11C24芯片，該芯片集成了TJF1051 CAN收發器，不僅可以提高CAN通訊的可靠性，減少硬件電路干擾等，同時在電路板上節省空間50%以上，降低總體成本80%[4]。

該芯片主要供電電壓為3.3V，主要是由電源模塊提供的。供電電壓源正負端接了電容，主要的作用為濾波，為芯片提供一個穩定的電壓。時鐘電路主要在CLK_OUT和CLK_IN這兩個引腳上接入晶體振蕩器和電容，為芯片提供時鐘信號。外部晶體振蕩器可以為主時鐘提供精確的占空比為50%的時鐘信號[5]。

4　軟件設計

驅動控制器軟件通過CAN接受和發送指令，實現步進電機運動控制、步進電機歸零、步進電機參數設置。

4.1　CAN應用層協議定制

CAN支持標識符(ID)長度部分為11位和29位報文格式，本設計采用29位報文格式。ID0～ID7為8位控制指令；ID8～ID20為預留位，用于未來系統的擴展。ID21位為全局指令位，表示是單獨接受還是多方接受。為ID22～ID28為接收地址位，共7位，最多可控制27=128個步進電機；

4.2　步進電機控制程序設計

步進電機的控制主要包括步進電機歸零、步進電機運動控制。其中運動控制又可以分為電機使能控制、速度控制、轉向控制、轉動步數控制等。

歸零操作通過來霍爾傳感器檢測步進電機零位，當主程序接受到CAN報文要求歸零，啟動電機，當電機轉到傳感器發送的電機零位點，關閉電機轉動，完成歸零操作。

電機勢能控制通過設置ARM芯片與電機相連的控制管腳來實現。電機速度控制通過控制發送脈沖的頻率來控制，轉動步數控制通過控制脈沖數目來實現。

電機加速通過定時器重裝載實現。即在定時器中斷時關閉定時器計數，之后重新裝載定時器寄存器值，再打開定時器計數。由此每兩次進入中斷便改變一次定時時間直至達到指定運轉速度。

圖4　步進電機控制程序框圖

5　總結

本文為針織機械設計了一種集成度更高的密度調節驅動器，將運動控制器、驅動放大器和反饋裝置組成整體放入一個腔體內從而實現了一體化的設計，整個驅動器通過CAN總線與上位機通訊，并詳細介紹了驅動器的軟硬件設計。

經現場調試證明，該驅動控制器安裝方便，運行良好，實時性高，步進電機運行平穩且無失步，較好的滿足了針織機械對密度調節驅動器的要求。

[1]李軍.基于WinCE平臺的圓緯機控制系統的研究與開發[D].北京:北京郵電大學軟件工程專業,2008.

[2]孫平范.圓形針織機的密度調節裝置[P].中國專利:201120340142.4,2011-09-13

[3]幸坤濤.步進電機驅動器BD63860及應用[J].電子世界,2009,30(04):17-19.

[4]NXP公司.NXP推出首款LPC11C22和LPC11C24整合式CAN收發器微控制方案[EB/OL].[2011-01-26].http://www.el--ecfans.com/baike/bandaoti/bandaotiqijian/185903.html.

[5]NXP SemiConductors.LPC11CX2/CX4 Product Data Sheet[EB/OL].Rev.3-27 June 2011.

[6]王學峰.CAN總線技術及應用[J].赤峰學院學報(自然科學版),Journal of Chifeng University(Natural Science Edition),2008,24(02):52-53.