圓緯機主動式動態送紗控制技術

戴 寧， 彭來湖， 胡旭東， 呂明來， 未 印

(1. 浙江理工大學 現代紡織裝備技術教育部工程研究中心, 杭州 浙江 310018；2. 杭州旭仁紡織機械有限公司， 杭州 浙江 310018)

Keywordscirclular weft knitting machine; active dynamical yarn feed control technology; position following; speed following

圓緯機一般由傳動機構、導紗機構、成圈機構、控制機構以及輔助牽拉機構等機構組成[1-2]。各機構在針筒的運轉下,協同工作,編織成不同組織,不同密度的織物[3]。

目前市場上的圓緯機采用的都是機械式的齒輪與皮帶連接，編織過程中，紗線的松緊及成圈大小等均不能調整，這不利于滿足市場對布料多樣化的需求[4]，且傳統的機械式送紗機構安裝復雜，維護困難，輸紗速度在機械結構不變的情況下與針筒轉速的比值是一個定值，要改變其比值需要重新改變機械結構[5]。紗線輸送速度的穩定性對織物的質量起到了一定作用，當紗線輸送速度不均勻時，織物布面將出現橫紋，破布等情況[6]。圓緯機主動式動態送紗控制技術融合了嵌入式技術，伺服電動機控制技術，正交編碼采集技術等，具有實時性好，可擴展能力強，跟隨效果顯著等特點。面料上不同成圈大小的紗線之間過渡流暢。

本文采用伺服電動機控制技術，位置跟隨算法，速度跟隨算法，提出一種圓緯機主動式動態送紗控制技術以期實現圓緯機成圈大小可變，紗線松緊現場可調，筒型織物直徑大小可變等功能。

1 總體設計概述

圓緯機編織原理是通過針筒轉動使三角作用于織針針踵，并且織針在針筒針槽內作有規律的上下運動，織針的每次運動都鉤入新的紗線，在布面上形成一個線圈，從而完成針織物的編織[7]。采用主動式動態送紗控制技術的圓緯機機械結構如圖1所示。

圖1 采用主動式動態送紗控制技術的圓緯機機械結構簡圖Fig.1 Diagram of machine structure of circular weft knitting machine adopting active dynamical yarn feeding control technology

由圖1可知，編碼器通過傳動齒輪采集針筒的位置及速度信息。伺服電機通過帶動皮帶來控制儲紗器，進而控制喂入針織里的紗線量。

圖2示出主動式動態送紗控制技術總體結構圖。該裝置是針對在送紗過程中，編碼器信號采集模塊將針筒位置及轉速信號轉變為正交編碼信號并交由ARM(advanced RISC machine)處理器，ARM處理器根據正交編碼信號及人機交互界面傳來的當前圈脈沖調節系數，并結合位置及速度跟隨算法進行分析技術，從而控制伺服電動機的實時轉速來調整送紗量及送紗速度。

圖2 主動式動態送紗控制技術總體結構圖Fig.2 Overall structural diagram at adopting active dynamical yarn feeding control technology

傳統圓緯機的編織物直徑大小一般固定不變，如圖3所示，d1=d2(其中d1為織物頭部直徑大小,d2為織物尾部直徑大小),而采用主動式動態送紗控制技術的圓緯機，能夠實現織物直徑可控，編織物如圖4所示,d3

圖3 傳統圓緯機編織的織物Fig.3 Fabric by conventional circular weft knitting machine

圖4 采用主動式動態送紗控制技術圓緯機編織的織物Fig.4 Fabric by circular weft knitting machine with adopting avtive dynamical yarn feeding control technology

2 硬件電路設計

2.1 編碼器信號采集電路設計

編碼器信號采集模塊傳遞給ARM處理器的正交編碼信號的完整性是主動式動態送紗控制技術實現的前提，為了保證編碼器輸出的信號不被干擾，本文采用差分編碼器。圖5示出編碼器差分信號。當編碼器隨針筒運轉時，產生A、B兩相正交編碼信號，圖中A+與A-為編碼器A相差分信號，B+與B-為編碼器B相差分信號。A+與A-、B+與B-之間有一個正電壓差，兩相信號頻率相等，相位上相差90°。

圖5 編碼器差分信號Fig.5 Differential signal of encoder

編碼器信號采集模塊輸出的差分信號不能直接輸入到ARM處理器中，需要采用光耦來實現ARM處理器與編碼器信號采集模塊之間的電平轉換及隔離，結合A+與A-、B+與B-的波形特點，編碼器信號采集電路如圖6所示。圖中O1、O2為光耦，R1、R3為限流電阻，R2、R4為上拉電阻，C1～C4為濾波電容。光耦前后端正交編碼信號如圖7所示，經光耦轉換后的編碼器信號被ARM處理器采集并計算處理。

圖6 編碼器信號采集電路Fig.6 Encoder circuit of signal acquisition

圖7 光耦前后端正交編碼信號Fig.7 Quadrature coded signal of front and rear photocoupler

A、B的信號是否完整取決于光耦的特性[8]。編碼器轉速越高，對光耦的特性要求也越高。本文對編碼器信號采集模塊輸出的差分信號的最大頻率進行計算。在生產過程中，圓緯機針筒轉速ω1一般不超過500 r/min[9-10]，針筒與編碼器通過齒輪連接，本文設置其減速比n1為0.1,即針筒旋轉1圈，編碼器旋轉10圈，則編碼器轉速ω2的計算公式為

式中：ω1為圓緯機針筒轉速,r/min；n1為針筒對編碼器的減速比。

經過計算編碼器轉速ω2最高轉速為5 000 r/min，本文采用的編碼器的分辨率k1代表編碼器轉動1圈發出k1個脈沖，其值取2 500，則編碼器輸出頻率f1的計算公式如下：

經過計算，可得編碼器輸出的最高頻率約為208.5 KHz,由TLP113的數據手冊可知，此光耦的轉換速度能達到10 MHz,故可滿足工藝要求。光耦前后端的電容起到了電磁濾波的作用，一般電容值1 000 pF的電容能濾除大部分的雜波。光耦前端的電路起到了限流的作用，根據TLP113的數據手冊，光耦前端的電阻取值1 000 Ω能滿足光耦前端的電流要求。光耦后端的電阻起到了上拉作用，使A、B相的初始高電平為3.3 V,與ARM處理器的IO口電平進行匹配[11]。

2.2 伺服電動機控制電路設計

ARM處理器根據編碼器信號采集電路傳來的正交編碼信號，計算出針筒位置及轉速信息，進而根據人機交互界面傳來的當前圈脈沖調節系數來輸出一定數目及頻率的矩形波。伺服電動機控制的結構如圖8所示。POUT代表輸入伺服控制器的脈沖控制信號。

圖8 伺服電動機控制結構簡圖Fig.8 Diagram of servo motor control

伺服電動機的控制精度可通過伺服控制器來設定，本文對伺服控制器線數設定為5 000，即當伺服控制器接收到5 000個POUT脈沖時，伺服電動機運轉1圈。

為了簡化伺服電動機模塊的電路設計，本文將ARM處理器輸出的矩形波只經過光耦隔離后,輸入到伺服電機控制器中，進而控制伺服電動機的位置及轉速。

圖9示出伺服電動機脈沖控制電路圖。圖中R5為限流電阻，R6為上拉電阻，C5為濾波電容，O3為光耦。PIN代表光耦前端脈沖控制信號。

圖9 伺服電動機脈沖控制電路圖Fig.9 Circuit diagram of impulse control of servo motor

光耦后端POUT信號的完整性是保證伺服電動機精密控制的前提。一般市場上伺服電動機的最高轉速ω3一般不超過6 000 r/min[12-13]，則POUT的頻率f2計算公式為

f2=k2ω3

式中：k2為伺服控制設定的線數，本文取值為5 000。

經過計算，POUT的頻率f2一般不超過3 MHz，此光耦的轉換速度能達到10 MHz，故能適用市場上大多數的伺服電動機。光耦前端的電容C5起到了電磁濾波的作用，一般電容值為1 000 pF，光耦前端的電阻起到了限流的作用，根據TLP113的數據手冊，光耦前端的電阻取值1 000 Ω能滿足光耦前端的電流要求。光耦后端的電阻起到了上拉作用，使POUT的電平與伺服控制的脈沖控制口電平進行匹配。

3 軟件設計

3.1 伺服電動機位置跟隨算法

當針筒運轉了某個角度時，伺服電動機也要走過特定的角度來保證輸送設定的紗線量。紗線輸送偏多偏少都會影響布面的質量，甚至引起斷紗等報警的產生。所以伺服電動機的位置跟隨算法能夠保證準確的紗線輸送量。

在針筒轉動了某個角度時，編碼器將會產生對應數量的正交編碼信號，伺服電動機的送紗量大小應該在最短時間內確定，即需要及時調整ARM處理器待發脈沖數目。為了提高ARM處理器對編碼脈沖信號響應的實時性,采用ARM芯片的外部中斷來進行對編碼脈沖信號的捕捉，圖10示出位置跟隨算法簡圖。

圖10 位置跟隨算法簡圖Fig.10 Diagram of algorithm of position following

圖中α為當前圈脈沖調節系數，β為1次外部中斷所增加的待發脈沖數目。α的值由用戶自行設定，主要實現筒型編織物直徑的設定，當α的值越大，單位時間的送紗量越多，織物的直徑就越大，反之，當α的值越小，單位時間的送紗量越少，編織物的直徑就越小。用戶可根據不同織物的樣式要求，在不同的針位中設置不同α的值，針位信息通過編碼脈沖信息不斷更新，即α的值也隨之更新，從而筒型織物的直徑可以根據用戶設置的α值實現大小的改變。β的值由針筒與編碼器的齒輪減速比，伺服電動機與儲紗器之間的減速比以及圓緯機成圈三角的角度等機械結構來共同決定，代表當進入1次外部中斷時，ARM處理器需要發送的脈沖基數，當上述減速比及機械結構確定好后，β的大小為定值。

當1個編碼脈沖信號進來時，就會觸發ARM處理器的外部中斷，所需的待發脈沖總數就會進行1次更新；當所需的待發脈沖總數大于0的時候，ARM處理器開啟芯片內部定時器1(TIM1)的輸出比較模式來進行待發脈沖的產生,TIM1每產生1個脈沖，就會觸發TIM1的輸出比較中斷，同時在定時器1的中斷服務函數里實現當前所需待發脈沖總數沖減1；當所需待發脈沖總數減為0的時候，關閉ARM處理器芯片內部定時器TIM1。具體的位置跟隨算法軟件程序框圖如圖11所示。圖中，xn為當前所需待發編碼脈沖總數值，xn-1為上1個外部中斷到當前外部中斷這段時間內剩余待發編碼脈沖總數值。

圖11 位置跟隨算法程序框圖Fig.11 Program flowchart of algorithm of position following

3.2 伺服電動機速度跟隨算法

除了保證準確的紗線輸送量外，伺服送紗電動機的送紗速度必須實時跟隨針筒的速度變化，否則當針筒加速或者減速時就會出現因送紗速度響應慢而出現斷紗、亂花等情況。為了最大限度地提高響應的實時性，本文算法采用與位置跟隨同樣的外部中斷口來對編碼器信號進行捕獲，采用與位置跟隨同樣的定時器1來產生控制伺服電動機運轉的脈沖信號，采用定時器2來計算相鄰2個編碼脈沖信號之間的時間，ARM處理器根據相鄰2個編碼脈沖信號之間的時間來實時調整定時器1的脈沖輸出頻率，具體的速度跟隨算法程序流程圖如圖12所示。

圖12 速度跟隨算法程序框圖Fig.12 Program flowchart of algorithm of speed following

圖12中TIM1->ARR，TIM1->CCR1，TIM1->CNT為定時器1中的寄存器，ω1為針筒轉速，f1為編碼器頻率，f2為伺服電動機脈沖頻率，T為定時器1的周期重載值，TIM2為定時器2，TIM為定時器，t為計算時間。

如圖12所示當ARM芯片進入外部中斷時，在外部中斷服務程序中首先獲取TIM2的計數值，并將其換算成時間t(ms)，針筒實時轉速的計算公式為

式中：ω1為圓緯機針筒轉速,r/min；Tp代表針筒轉動1圈編碼器產生的總脈沖數；t代表進入1次中斷的時間，ms。

編碼器頻率f1的計算公式為

式中：k1為編碼器的分辨率，本文為2 500;n1為針筒對編碼器的減速比,本文為0.1。

伺服電動機脈沖頻率f2的計算公式為

f2=k3f1

式中：k3為比例計算系數，由用戶自行設定的α值，針筒與編碼器的齒輪減速比，伺服電動機與儲紗器之間的減速比以及圓緯機成圈三角的角度等機械結構決定。

定時器1的周期重載值T的計算公式為

式中：f3為定時器1的時鐘周期,us。

根據上式重置TIM1的脈沖發送周期T的值，從而實時調整送紗電動機的速度，起到速度跟隨的作用。

4 實驗調試及裝機測試

4.1 伺服電動機位置及速度跟隨實驗調試

伺服電動機的位置跟隨及速度跟隨主要體現于在相同時間段，無論針筒速度如何變化，針筒旋轉的角度與伺服送紗電動機所給的送紗量的比值應該是一個定值，由圖10～12可知，該值等于α和β的乘積值(也就是比例計算系數k3)，取α和β的乘積值為4進行實驗室測試，通過示波器對編碼器脈沖信號和伺服電動機脈沖控制信號進行捕獲，如圖13所示。

圖13 不同速度編碼器脈沖信號和伺服電動機脈沖控制信號Fig.13 Pulse signal of encoder and servo motor with different speeds. (a) Low speed; (b) High speed

圖13中曲線代表針筒在低速和高速運行下的編碼器脈沖信號和伺服電動機脈沖控制信號，示波器界面從上到下分別顯示的是編碼器脈沖信號、伺服電動機脈沖控制信號(示波器橫向代表時間，縱向代表電壓。圖13(a)中，每個小方格的橫向距離代表為時間1 ms,縱向距離代表電壓5 V,圖13(b)中，每個小方格的橫向距離代表為時間200 μs,縱向距離代表電壓5 V)。

編碼器的脈沖個數及脈沖頻率反映的是針筒的旋轉角度和旋轉速度，伺服電動機脈沖控制信號的個數和脈沖頻率反映的是伺服電動機的送紗量及送紗速度。由圖13可知，無論在低速運行下還是在高速運行下，每個編碼器脈沖信號時間段里都含有4個伺服電動機脈沖控制信號，即本文控制技術的位置跟隨及速度跟隨顯著。符合圓緯機主動式動態送紗控制技術。

4.2 裝機調試

為了驗證本文控制技術的可操作性，在雙面小圓機上進行了驗證測試，實際裝機調試表明，本文技術穩定可行，編織物件如圖14所示。

圖14 編織物布面整體圖Fig.14 Overall chart of woven surface

由圖14可知，編織物布面平整，無橫紋，破洞等現象出現，筒型織物直徑大小控制效果顯著，滿足緯編物面料的要求。

5 結束語

生產實踐結果表明，圓緯機主動式動態送紗控制技術在滿足傳統的機械式送紗基礎下，采用高性能的ARM處理器，高動態響應的伺服電動機及高精度的編碼器可滿足圓緯機送紗的實時性要求。使用本文技術的圓緯機運行穩定，斷紗、破布等故障情況發生概率較低且適用于急停、加減速等的機況。

同時圓緯機主動式動態送紗控制技術實現了圓緯機能動態無級調節送紗功能，其織物線圈大小在不同部位可變，紗線的松緊程度可動態調節且筒型織物的直徑大小可隨時改變，滿足了不同身材人群對織物的各種要求，改善了織物面料的外觀和體感。本文技術對于提高圓緯機的送紗控制技術具有重大意義。