針織機械密度調(diào)節(jié)驅(qū)動器的一體化設(shè)計

浙江工業(yè)職業(yè)技術(shù)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(jīng)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(nèi)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(tǒng)。因此開發(fā)具有自主知識產(chǎn)權(quán)的高端針織機，努力提高國內(nèi)針織設(shè)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(zhì)量的因素有很多，其中一個很重要的影響因素是密度調(diào)節(jié)。在目前的針織機械中，比較成熟的密度調(diào)節(jié)裝置原理是由密度電機驅(qū)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(xiàn)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(shù)字驅(qū)動器設(shè)計方案

密度調(diào)節(jié)必須具有無極微調(diào)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(qū)動設(shè)備，因此，為了提高步進電機系統(tǒng)的運行性能，除了電機本身性能，還取決于驅(qū)動設(shè)備性能的優(yōu)劣。

本文提出了一種數(shù)字驅(qū)動器設(shè)計方案，將步進電機驅(qū)動控制器與步進電機實現(xiàn)一體化設(shè)計，即將步進電機、運動控制器，驅(qū)動放大器，反饋裝置組成一個整體放入一個驅(qū)動器腔體內(nèi)。

現(xiàn)今市面上的控制系統(tǒng)皆采用驅(qū)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(shù)多，使得步進電機的驅(qū)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(wěn)定性下降。同時，傳統(tǒng)設(shè)計方案通常都是將多個步進電機的驅(qū)動電路設(shè)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(zhuǎn)，這就使得控制難度大大增加。

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

2　驅(qū)動器腔體設(shè)計

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

圖1　驅(qū)動器腔體設(shè)計方案

為實現(xiàn)這樣的一體化設(shè)計，硬件電路各個模塊需要使用集成電路芯片來實現(xiàn)，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(wěn)定性。

3　硬件電路設(shè)計

控制系統(tǒng)分為四個模塊：電源模塊、電機驅(qū)動模塊、電機控制模塊以及反饋模塊。驅(qū)動器總體設(shè)計結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2　驅(qū)動器總體框圖

3.1　驅(qū)動部分電路設(shè)計

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

本設(shè)計禁用復位功能，因此該引腳接高電平。該芯片內(nèi)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(qū)動模塊原理圖

RNF1、RNF2是PWM斬波電流設(shè)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(guān)斷時間由CR1、CR2端口所接的電容與電阻決定的，本設(shè)計采用1000pF的電容和39k?的電阻，得到關(guān)斷時間為31.6μs。

3.2　控制部分電路設(shè)計

本設(shè)計使用了基于ARM Cortex-M0的LPC11C24芯片，該芯片集成了TJF1051 CAN收發(fā)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(jié)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(wěn)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(shè)計

驅(qū)動控制器軟件通過CAN接受和發(fā)送指令，實現(xiàn)步進電機運動控制、步進電機歸零、步進電機參數(shù)設(shè)置。

4.1　CAN應用層協(xié)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(shè)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(tǒng)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(shè)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(zhuǎn)向控制、轉(zhuǎn)動步數(shù)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(zhuǎn)到傳感器發(fā)送的電機零位點，關(guān)閉電機轉(zhuǎn)動，完成歸零操作。

電機勢能控制通過設(shè)置ARM芯片與電機相連的控制管腳來實現(xiàn)。電機速度控制通過控制發(fā)送脈沖的頻率來控制，轉(zhuǎn)動步數(shù)控制通過控制脈沖數(shù)目來實現(xiàn)。

電機加速通過定時器重裝載實現(xiàn)。即在定時器中斷時關(guān)閉定時器計數(shù)，之后重新裝載定時器寄存器值，再打開定時器計數(shù)。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(zhuǎn)速度。

圖4　步進電機控制程序框圖

5　總結(jié)

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

經(jīng)現(xiàn)場調(diào)試證明，該驅(qū)動控制器安裝方便，運行良好，實時性高，步進電機運行平穩(wěn)且無失步，較好的滿足了針織機械對密度調(diào)節(jié)驅(qū)動器的要求。

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

[2]孫平范.圓形針織機的密度調(diào)節(jié)裝置[P].中國專利:201120340142.4,2011-09-13

[3]幸坤濤.步進電機驅(qū)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(fā)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(shù)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.