磁保持電子選針器及串行總線提花系統設計

彭來湖， 王羅俊， 胡旭東， 吳振輝， 袁嫣紅

(1. 浙江理工大學 現代紡織裝備技術教育部工程研究中心， 浙江 杭州 310018；2. 浙江理工大學 浙江省現代紡織裝備技術重點實驗室， 浙江 杭州 310018)

近年來，隨著針織技術的進步和編織工藝的革新，圓緯機的適用范圍不斷擴大，成型內衣服裝、鞋面、家紡產業用布等紛紛采用圓緯機進行生產加工，這種發展趨勢一方面使得圓緯機市場不斷增長，另一方面對圓緯機的功能和性能提出了提花電子化、選針高速化等更高的要求。選針器是針織圓緯機實現電子提花編織的核心部件，其性能直接影響提花編織的穩定性和速度。目前對選針器工作原理的研究較少，大多數研究集中在選針器性能的檢測手段和判定方法[1-2]。國內外比較著名的選針器品牌有日本WAC、德國雅迪、佛山創達、臺灣義大、唐山昆鵬等，市場上這些品牌的選針器可以歸納為2種：壓電陶瓷選針器和電磁鐵選針器。由于壓電陶瓷選針器制作工藝復雜，性能不穩定，易損壞，且造價高，所以許多廠家都逐步選擇使用性價比更高的電磁鐵選針器[3]。

當前電磁鐵選針器主要指電保持選針器，其原理是通過一直通電線圈產生磁場來保持選針器刀頭的位置狀態，通過改變線圈通電電流方向來改變磁場方向進而改變選針器刀頭的位置，此類選針器雖然造價便宜，但需要一直通電，容易發熱，長時間工作穩定性差，隨著選針速度的不斷提高，這種缺陷日益凸顯[4]。

本文針對電保持式選針器的缺點、提花編織原理、選針器工作狀態及提花控制系統進行了深入分析研究，提出一種采用半硬磁材料設計電子選針器的方案，通過瞬態大電流線圈磁力改變半硬磁材料磁場方向進而改變刀頭位置狀態，并針對現有提花控制系統使用單向并行總線下發控制指令導致電信號容易受干擾的問題，結合目前圓緯機多路數進紗提花編織、選針頻率高等特點以及磁保持電子選針器的控制要求[5]，提出了一種基于高速串行網絡結構的電子提花控制系統設計方案。

1 磁保持電子選針器工作原理

磁性介于軟磁和硬磁之間的磁性材料稱為半硬磁材料，一般矯頑力為1～20 kA/m，與永磁體不同，它是靠外加磁場改變其磁化狀態進行工作的。根據這類材料特性，選擇性價比高的鐵鈷鉬系半硬磁材料設計磁保持式選針器。設計的磁保持選針器關鍵部件包括線圈、半硬磁材料以及帶有雙磁極的刀頭，如圖1所示。刀頭固定2塊用鐵氧體永磁材料加工而成具有不同磁極的磁鋼，位置安裝見圖1，根據電磁感應定律，當線圈通電時會產生磁場，磁場同極相斥，異極相吸的特性，它會吸引或者是排斥刀頭上的磁鋼，進而帶動刀頭擺動。

圖1 選針器核心結構示意圖Fig.1 Diagram of core structure of needle selector

線圈通電時，線圈內部也會產生磁場，此磁場可以對中間包裹的半硬磁材料進行充磁，當磁場強度達到磁導率最大點處的磁場強度，由于半硬磁材料磁滯特性，再減小磁場強度到零，半硬磁材料還保持剩余磁感強度，半硬磁材料被磁化。同理可知，線圈不同通電方向，可以使半硬磁材料磁化成具有不同磁極方向的磁體。由于半硬磁材料的這種剩磁特性，當截斷線圈電流，半硬磁材料保留的磁感強度依然會與刀頭一體固定的磁鋼產生作用，進而保持刀頭位置狀態不變。與電保持選針器工作時整個過程一直通電相比，磁保持選針器這種間歇式通電的工作原理從功耗上而言性能更為優越。

2 通信方式分析及系統總體設計

目前主要的通信方式有2種：一種是并行總線通信，另一種是串行總線通信。現有控制系統采用并行總線連接多路電子選針器，通信線長5～8 m，包括8位并行數據信號和1位時鐘信號，由于并行總線長距離傳輸存在線間串擾、機器內各種電機的電磁干擾及工業現場的電源擾動，易使得并行總線傳輸的信號受干擾而產生奇變失真，導致提花編織控制穩定性差，從而出現亂花、錯花現象。串行總線通信方式采用差分線傳輸信號，抗共模干擾能力強，傳輸距離長，傳輸信號保真性好，信號傳輸的穩定性與總線網絡結構和網絡節點布局情況關系緊密，因此系統設計方案選擇串行總線通信方式，以串行總線連接多路磁保持電磁鐵選針器，通過網絡結構和節點布局的優化設計實現信號傳輸的可靠穩定。

圓緯機安裝的選針器數量最多達到144個，選針器工作時的最高頻率要達到60 Hz，以此需求為依據，采用高性能ARM(微控制處理器)作為圓緯機提花控制系統的核心主控，硬件電路包括針位/零位檢測、選針器驅動、串行總線接口等硬件電路模塊[6]。在此硬件平臺上移植Windows CE嵌入式系統，作為人機交互界面的軟件平臺。圖2示出提花控制系統的總體結構。

圖2 控制系統總體結構Fig.2 Control system architecture

提花編織控制原理及過程如下：圓緯機啟動后，主控通過檢測圓緯機位置編碼器的脈沖信號來實時計算當前機器的轉速和位置，并根據機器針位信息，解析花型文件，獲取選針動作信息，通過串行總線下發相應的選針器動作指令，選針器在接收到指令后，驅動板上的MCU(微控制單元)解析指令，執行相應的動作。圓緯機具有零位檢測功能，當零位信號被檢測到時，如果此時編碼脈沖個數與系統參數設定值存在偏差，并超過一定范圍，提花控制系統將產生報警，并在界面中呈現位置異常報警的提示[7]。

3 系統硬件設計

3.1 磁保持選針器控制方法和驅動實現

根據磁保持電子選針器的工作原理，采用傳統的控制方式即通過分隔式獨立驅動電路來改變線圈兩端的通電方向從而實現磁場換向，所對應的驅動電路模塊數量就等于所控制選針器刀數的2倍，驅動電路不僅需要龐大數量的硬件驅動器件，而且驅動電路核心器件MCU的 I/O口使用數量也需要翻倍。由于選針器預留的驅動電路板安裝空間狹小，無法滿足驅動電路的空間要求，針對此問題分析磁保持電子選針器工作的特性和控制要求，采用驅動電路分組復用的設計思路，提出一種“自由端”和“公共端”同時控制的方法。所設計的驅動電路不僅可以有效地解決上述問題，還可以節省硬件設計上的成本，提高驅動板的性價比[7]。

將選針器刀頭分為2組，奇數刀組和偶數刀組。二者對應的線圈即為奇數號線圈和偶數號線圈。每個線圈都由“自由端”和“公共端”2部分控制。奇數刀組和偶數刀組各有1個“公共端”，每上下相鄰的2個線圈共用1個“自由端”，其驅動電路結構如圖3所示。每個“自由端”同時控制相鄰的奇數刀與偶數刀，再通過導通“公共端”進行選擇是奇數刀動還是偶數刀動。如此計算，所需要的驅動電路數量就等于總刀數/2+2。

圖3 “公共端”驅動電路示意圖Fig.3 Diagram of ′public end′ drive circuit

圖4示出“自由端”驅動電路簡圖。“自由端”的驅動電路使用的是半橋結構，MCU通過輸出高低電平信號來控制MOS管的開斷。由于驅動輸出1和驅動輸出2的電壓相同，因此2組的“公共端”是否導通決定著選針器動作的是奇數刀還是偶數刀。

圖4 “自由端”驅動電路簡圖Fig.4 Diagram of ′free end′ drive circuit

3.2 多節點并聯串行總線網絡及驅動實現

現場串行總線為分布式控制系統實現各節點之間實時、可靠的數據通信提供了強有力的技術支持。RS-485(串行通訊標準)和CAN(控制器局域網絡)是2類被廣泛使用的現場串行總線，RS-485可構成主從式結構系統，通信方式以主站輪詢的方式進行，而CAN具有物理仲裁機制，是一種有效支持分布式控制或實時控制的串行通信網絡，設計便捷性好，它的實時性、可靠性、靈活性強，因此控制系統選定CAN總線設計串行總線網絡，實現對多路選針器雙向通信，其網絡結構圖如圖5所示。

圖5 環狀CAN總線網絡結構圖Fig.5 Structure diagram of circular CAN bus network

1臺圓緯機使用的選針器數量最多達144個，通信線長5～8 m，針位變化最快可達800 μs，每變化1針位置，主控需要發送2～3幀CAN總線擴展幀數據，CAN總線速度達到450 kbit/s。按CAN規范，總線長度在30 m內時，總線速度可穩定工作在1 Mbit/s，因此CAN總線速度設定為1 Mbit/s。CAN總線網絡主要掛在CAN_H(高位數據線)和CAN_L(低位數據線)，各節點通過這2條線實現信號的串行差分傳輸，而多路選針器圍繞圓形針筒等角度分布安裝，因此設計如圖所示環狀多節點并聯串行總線網絡布局，主控與各選針器節點同處CAN總線網絡內，CAN網絡主干線從供電板出，環繞針筒，又回入供電板，形成環路供電，同時使得主干線盡可能減少與各節點距離，減少支路線路阻抗和受擾長度，提高網絡穩定性。為了避免信號的反射和干擾，還需要在CAN_H和CAN_L之間接上電纜的特性阻抗相匹配的120 Ω的終端電阻，安裝在供電板上。

3.3 針位置及零位檢測電路

根據提花工藝及控制原理，控制系統要對圓緯機上每針位置的出針狀態進行控制，以獲取圓緯機的實時位置信息。控制系統使用鐵感應接近開關型傳感器獲取針筒相對零位信號，使用相對增量式的位置編碼器檢測針筒位置信息。為保證針位檢測的精度，選定編碼器1周脈沖數為2 000，A/B兩相差分輸出。針筒與編碼器的速比為1∶10，在圓緯機最高轉速18 r/min條件下，編碼器的最高輸出頻率為12 kHz。編碼器的供電電源為5 V，零位傳感器的供電電源為12 V，控制系統微處理器的供電電源為3.3 V，為提高系統抗干擾能力，3類電源系統需要分離獨立，為實現電源隔離和信號轉換，設計針位置及零位檢測電路使用光耦隔離，同時考慮光耦兩端信號的保真傳輸，隔離電路選用1 M的高速光耦。

4 系統軟件開發

4.1 人機交互功能設計

根據圓緯機提花控制原理及過程，控制系統需具備實時提花控制、花型傳輸、編輯、下載、工藝和工作參數設定等功能外，還需兼具更改選針器相關系統參數的設置、選針器提花老化測試、軟件地址修改、驅動程序升級等功能，整體軟件功能如圖6所示。

圖6 人機交互功能結構圖Fig.6 Structure diagram of human-computer interaction

選針器測試界面包含選針器單、全路測試。測試內容包括選針器刀頭全上全下的單次動作或連續動作，單刀循環動作或全數刀依次序連續動作。為更好地測試選針器性能，系統還可設置選針器的動作頻率，速度分為1～9檔，9檔速度可達到1幀/ms。

選針器驅動板利用軟件地址編碼來替代傳統的8位物理撥碼地址編碼，機器裝機或者作業期間需要對某路選針器進行修改測試，摒棄傳統的拆卸選針器殼體進行手工撥碼的方式，只需通過人工按一下按鍵，驅動板反饋當前節點地址序號信息，人機界面上進行地址信息設置，即可完成地址編碼和修改操作；當選針器故障發生時可通過軟件地址節點巡檢來判斷選針器與主控通信是否正常。

為避免機器作業期間選針器維護、更新、拆卸的繁瑣性，設計實現通過USB接口讀取升級文件，直接在系統人機界面對人機程序、主控系統、以及選針器驅動板進行程序升級。

4.2 選針器驅動程序

根據磁保持選針器的特性以及驅動電路中MOS管的開關特性，上電后，選針器驅動板MCU先初始化其I/O口，保證在執行動作指令之前，所有的MOS管都處于關斷狀態。接收主控所發指令后，驅動板MCU會按照CAN通信協議解析當前指令并逐步執行。由于線圈的阻值5 Ω，供電電壓為24 V，因此長時間供電產生的大電流會導致線圈損壞。而通電時間過短又會導致半硬磁材料充磁不足，選針器刀頭打動幅度偏小。設計合適的通電時間，是關系選針器能否正常工作的必要條件[8-10]。

實驗數據表明，線圈通電120 μs時就可以保證半硬磁材料完成消磁，并能使刀頭保持中間位置。通電時間達到220 μs時，完全可使半硬磁材料帶有相反磁性，即使得選針器刀頭擺動到位，因此，MCU將會通過Timer定時器對相關I/O口進行“二次充磁”。第1次充磁時間120 μs保證半硬磁材料消磁后并能夠帶有一定相反的磁性，第2次充磁40 μs確保選針器半硬磁材料具有足夠的磁性，刀頭能夠擺動到位。由于選針器磁保持的特性，半硬磁材料充磁后，即使電路不通電，也可長時間保持磁性。這在保證節省系統功耗的同時也減少了選針器的發熱量，因此MOS管每次開通后，驅動板MCU均會將所使用到的I/O口關斷，保證在執行動作指令前，所有的MOS管都是關斷狀態，以此提高系統安全性。

4.3 提花控制程序

如何根據花型文件實時解析選針動作信息并快速準確地進行選針器動作控制是主控系統要處理的關鍵性問題。圓緯機的提花控制程序流程圖如圖7所示。根據模塊化設計思想，系統功能主要包括人機交互模塊、花型文件讀寫模塊、選針器控制模塊以及總線通信模塊。其軟件設計流程如下。

圖7 主程序流程圖Fig.7 Flow diagram of main program

1)系統上電進行初始化，包括人機面板、主控模塊配置及參數的初始化。隨后系統將讀取工作參數、系統參數和花型文件的信息等。

2)讀取所需信息后，系統將執行人機面板下發的指令。如選針器測試，參數設置，花型下載，程序升級等。

3)實時解析花型文件，進行提花控制。主控將讀取花型信息，根據圓緯機針位和圈數信息，將花型文件解析而來的選針控制指令信息依次封包，并通過CAN總線下發到各個選針器中，完成提花選針控制。

4)當圈數達到生產設定總圈數時，系統自動控制圓緯機停止轉動，用戶此時可裁剪織好的布匹。

5 實驗結果

磁保持電子選針器在室內溫度17 ℃條件，模擬生產現場高速提花(選針器工作頻率為82 Hz)作業1 h。用高精度紅外熱成像儀FLUKE Tis45測量選針器整體溫度紅外云圖如圖8所示。最高點溫度為26.0 ℃，最低點為19.7 ℃，最高溫升控制在9 ℃以內，有效地降低了選針器表面溫升。用示波器測量的圓緯機主控系統向磁保持選針器發送控制指令的信號傳輸時序波形截圖如圖9所示。上方波形為CAN差分對的CAN_H信號，下方波形為CAN差分對的CAN_L信號,中間波形為串行總線傳輸的實際信號。由示波器測量可知，磁保持選針器工作在82.372 Hz的頻率，且工作穩定。控制系統生產現場試用1個月，使選針器長時間工作在65 Hz高頻狀態，圓緯機提花編織動作正常，無錯花、亂花現象，織物布面平滑完整符合工藝要求，布匹成品達到無疵點高質量標準。

圖8 選針器工作溫升紅外熱成像圖Fig.8 Infrared thermography of temperature rise of needle selector

圖9 CAN通信時序圖Fig.9 Diagram of CAN communication sequence

6 結束語

本文研究了電磁高速換向技術在緯編針織的應用實現，深入探討了磁保持電子選針器的工作原理、線圈驅動、控制方法、電路設計和程序編程。針對圓緯機提花路數眾多的特點，磁保持選針器通過半硬磁材料的剩磁保持刀頭狀態的工作方式與一直通電生產磁場保持刀頭狀態的工作方式相比，從功耗上而言性能更具優勢。提出的基于“自由端”和“公共端”分組分時控制的方法具有創新性，可有效地減少驅動電路數量，減小電路模塊空間，使得驅動電路板可內嵌至執行器內，在選針器結構上實現機電一體化設計，提高了穩定性。

基于環狀多節點串行總線結構的提花控制系統設計方案，充分考慮了圓緯機選針器圍繞針筒等角度分布安裝的空間布局，采用雙向高速串行總線通信，信號差分傳輸，抗干擾能力強，與單向并行總線通信方式相比，控制系統穩定性顯著提高，具有良好的工程應用前景。

磁保持電子選針器對生產工藝和磁材料性能要求高。例如電磁的線圈細密程度、繞線拉力的穩定性及漆包線外皮的絕緣性都會影響選針器工作特性，因此，磁保持電子選針器批量化生產工藝優化和磁材料制備、性能檢測是后續需要深入研究的內容。

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