針織大圓機運動實時控制技術

戴 寧， 胡旭東， 彭來湖

(浙江理工大學 現(xiàn)代紡織裝備技術教育部工程研究中心, 浙江 杭州 310018)

針織大圓機一般由導紗機構、編織機構、牽拉卷取機構以及其他輔助機構組成[1]。在針筒的轉(zhuǎn)動下，紗線由導紗機構喂入編織機構進行編織，編織物由牽拉卷取機構對編織區(qū)的織物進行牽拉并完成卷取工作[2]。針織大圓機針筒的轉(zhuǎn)動可由變頻電動機帶動[3-5]，國產(chǎn)控制系統(tǒng)與國外先進控制系統(tǒng)相比，針織大圓機的運動控制無論在穩(wěn)定性上還是在實時性上都具有一定差距。意大利的圣東尼公司、日本的福原精機制作所、德國的邁耶·西、德樂公司等針織機械廠家代表了針織大圓機運動控制的最高水平。國內(nèi)泉州的凹凸精密機械有限公司、新昌的日發(fā)精密機械股份有限公司等機械廠家的一些大圓機控制系統(tǒng)仍采用傳統(tǒng)的PLC、51單片機等邏輯性差、實時性不高的控制芯片。劉濤[6]針對大圓機的運動控制設計了分離式的啟停控制器，但僅僅停留在實驗階段，且采用分離式通信的方式往往實時性較差。馬海鵬[7]和彭來湖等[8]對針織大圓機控制系統(tǒng)進行了較詳細的研究，但對針織大圓機的運動控制方面卻未涉及。針織大圓機運動控制是影響其生產(chǎn)效率的關鍵因素，對針織大圓機運動控制的研究將提高國產(chǎn)針織大圓機的水平，縮短與國外先進針織大圓機廠家的差距。

本文通過對國內(nèi)針織大圓機變頻電動機的控制方式進行深入研究，根據(jù)針織大圓機針筒運行的控制要求，提出了一種針織大圓機運動控制技術。設計狀態(tài)檢測電路及檢測算法，對點動、運行、停止按鈕各種工作狀態(tài)進行分類處理，對針織大圓機運行、點動、強迫運動、停止4種運動狀態(tài)進行分類控制。設計運動控制電路以及控制算法，通過改變脈沖寬度調(diào)制(PWM)的占空比來無級調(diào)節(jié)變頻電動機的工作轉(zhuǎn)速，并采用高性能示波器對不同頻率的PWM波進行檢測，選取合適的PWM頻率值，提高了針織大圓機運動控制的實時性和穩(wěn)定性。對普通針織大圓機在運動控制方面的研究具有一定借鑒意義。

1 總體設計概述

針織大圓機的工作原理是織針隨針筒運轉(zhuǎn)，在三角的作用下，織針在針筒針槽內(nèi)做有規(guī)律的升降運動，并完成脫圈和成圈的動作，從而形成一個新的線圈[9]。本文采用運動控制技術的針織大圓機機械結構如圖1所示。針織大圓機的結構主要由給紗機構、編織機構、牽拉卷取機構和傳動機構等組成。變頻器控制變頻電動機運轉(zhuǎn)，針筒與變頻電動機通過傳動齒輪嚙合來進行運動的傳遞。織針在針筒的針槽里隨針筒轉(zhuǎn)動，并在針槽里作上下運動，向上從輸紗器鉤取紗線，向下將鉤入針鉤的紗線進行編織成圈。變頻器通過控制變頻電動機的快慢來控制紗線編織成圈的速度。

1—給紗機構; 2—編織機構; 3—傳動機構; 4—牽拉卷取機構。圖1 針織大圓機機械結構簡圖Fig.1 Mechanical structure diagram of knitting circular machine

針織大圓機運動控制技術總體結構如圖2所示。在針織大圓機實際運動控制中，存在點動、運行、停止3種按鈕單獨及組合按下的情況，各種情況對應著針織大圓機點動、運行、停止、強迫運行4種運轉(zhuǎn)狀態(tài)模式，也存在操作員工的各種錯誤操作導致按鈕的按下情況不屬于上面4種運行狀態(tài)中的任何一種。ARM處理器根據(jù)當前按鈕的按下情況，產(chǎn)生PWM控制信號和使能信號(本文用符號“SON”標識)，變頻器控制電路將PWM控制信號轉(zhuǎn)換為模擬電壓來控制變頻電動機的轉(zhuǎn)速，將SON使能信號進行電平轉(zhuǎn)化來控制變頻電動機的使能或者失能狀態(tài)，從而實現(xiàn)對針織大圓機運動狀態(tài)的更新。

圖2 針織大圓機運動控制技術總體結構圖Fig.2 General structure diagram of motion control technology of knitting circular machine

2 硬件電路設計

2.1 狀態(tài)檢測電路

準確檢測按鈕的工作狀態(tài)是針織大圓機運動控制技術的前提。狀態(tài)檢測電路將按鈕斷開和按下 2種狀態(tài)轉(zhuǎn)換為高低電平輸入到ARM處理器中，ARM處理器對當前時刻按鈕的工作狀態(tài)進行判斷。按鈕狀態(tài)檢測電路圖如圖3所示。可知，當按鈕S1被按下時，光耦前端導通，ARM檢測到sig為低電平后進行針織大圓機運動控制技術的判斷。按鈕狀態(tài)檢測電路中光耦前端的導通電流一般取5 mA[10],考慮到光耦前端的導通壓降，根據(jù)歐姆定律可計算出R1的電阻值約2 kΩ。取光耦的CTR(current transfer ratio)為0.5[11],可得光耦后端電流為10 mA,根據(jù)歐姆定律可得R2的電阻值為330 Ω，光耦前端電容C1起到了濾除雜波的作用。

注: S1—按鈕標識; P1—光耦標識; GND—邏輯地信號標識; C1—電容標識; R1、R2—電阻標識; sig—狀態(tài)檢測信號標識。圖3 狀態(tài)檢測電路圖Fig.3 Circuit diagram of status detection

2.2 運動控制電路設計

常用變頻器的控制方式有模擬量電壓控制、RS485串口通信控制等。串口控制在多變頻驅(qū)動器控制、變頻器參數(shù)實時改變方面有一定優(yōu)勢，本文技術中只需控制1個變頻電動機，且采用脈沖寬度調(diào)制(PWM)轉(zhuǎn)變?yōu)槟M電壓的方式實時性更高。變頻器控制電路圖如圖4所示。可知，圖中從上到下分別是PWM控制電路和使能控制電路，PWM控制電路可產(chǎn)生大小不同的模擬電壓值，進而控制針織大圓機的轉(zhuǎn)速，使能控制電路控制變頻電動機控制器內(nèi)部使能信號的狀態(tài)，與PWM控制電路配合，對針織大圓機的運動進行控制。

注: P2—光耦隔離芯片標識; Q1—場效應管標識;D、S、G—場效應管管腳標識; R3、R4、R5、R6、R7、R8—電阻標識; PWM—前端方波信號標識;SON—前端使能信號標識; U1—運算放大電路標識; AVI—后端模擬信號標識; EN—后端使能信號標識; C2、C3—電容標識;D1—二極管標識。圖4 運動控制電路圖Fig.4 Circuit diagram of motion control. (a) Control circuit of PWM; (b) Control circuit of enable signal

圖4(a)中，PWM為ARM處理器產(chǎn)生的具有一定占空比的方波信號，AVI為接入到變頻器中的模擬量電壓信號。電阻R5、R6與電容C2、C3組成 2級電阻-電容(RC)電路，PWM控制場效應管后端的導通或斷開，其后端產(chǎn)生與PWM信號反向且高電平為12 V的方波信號，經(jīng)過2級RC電路后轉(zhuǎn)換成模擬電壓，模擬電壓的大小與PWM的占空比成反比[12]。U1為運算放大器，在本文電路中做電壓跟隨作用，R7為下拉電阻，AVI電壓有個初始確定的低電平信號，防止變頻電動機在上電初始時出現(xiàn)急轉(zhuǎn)情況。圖4(b)中，SON為ARM處理器產(chǎn)生的使能電平信號，EN為接入到變頻器中的使能信號，D1為反向二極管，可防止光耦后端因反向電壓過高而被擊穿[13]。

3 軟件設計

3.1 狀態(tài)檢測程序

圖5 狀態(tài)檢測程序流程圖Fig.5 Flow chart of status detection program

常用大圓機上至少包括點動、運行、停止3種按鈕，來控制大圓機的點動、運行、停止、強迫運行4種工作模式，準確獲取當前按鈕的工作狀態(tài)，是大圓機運動控制的前提。狀態(tài)檢測程序流程圖如圖5所示。圖中s為輔助變量，通過判斷s值的大小可判斷變頻電動機當前時刻所需的運動模式。當s=1、3時，代表當前時刻點動按鈕單獨按下或者點動按鈕、運行按鈕同時按下2種情況，此時變頻電動機需工作在點動模式下；當s=4、6、7時，代表當前時刻停止按鈕單獨按下，停止按鈕、運行按鈕同時按下，停止按鈕、運行按鈕、點動按鈕同時按下3種情況；當s=2 時，代表當前時刻運行按鈕單獨按下，此時變頻電動機需工作在運行模式下；當s=5時，代表當前時刻點動按鈕、停止按鈕同時按下，此時變頻電動機需工作在強迫運行模式下；當s=0時，代表當前時刻無按鈕按下，此時變頻電動機保持原來的工作模式。

3.2 變頻電動機速度控制程序

當準確獲取了針織大圓機當前所需的運動狀態(tài)模式后，需及時對針織大圓機的速度進行調(diào)整。本文技術涉及的變頻電動機，通過控制輸入到變頻控制器中的模擬量電壓的大小來進行調(diào)速，并采用ST公司的STM32f103型微控制器作為ARM處理器，微控制器開啟其內(nèi)部定時器1(TIM1)的輸出比較模式，來產(chǎn)生一定占空比的PWM波形，不同的PWM波形通過變頻器控制電路后，輸出不同電壓值的模擬量來控制變頻電動機的轉(zhuǎn)速。變頻電動機速度控制程序如圖6所示。

注: TIM1->ARR為自動裝載寄存器標識;TIM1->PSC為預分頻器標識; TIM1->CCR1為捕獲/比較寄存器標識; Period、Prescaler、Count為寄存器配置變量標識。圖6 變頻電動機速度控制程序流程圖Fig.6 Program flow chart of variable frequency motor speed control

由圖6可知，當狀態(tài)檢測程序檢測到當前針織大圓機的工作狀態(tài)為停止狀態(tài)時，ARM處理器首先產(chǎn)生滿占空比的PWM輸出，即TIM1->CCR1中的變量值與TIM1->ARR中的變量值相等，同時失能變頻器、變頻電動機停止運轉(zhuǎn)。當檢測到針織大圓機為其他工作狀態(tài)時，調(diào)節(jié)Count值來控制占空比的大小，從而控制當前狀態(tài)下針織大圓機針筒的轉(zhuǎn)速，同時使能變頻器使變頻電動機正常運行。Count值由用戶根據(jù)編織工藝及實際生產(chǎn)需求自行設定，Count值越小，PWM波的占空比越小，經(jīng)變頻器控制電路轉(zhuǎn)換后的模擬電壓越大，變頻電動機轉(zhuǎn)速越大。

4 實驗測試

4.1 變頻器控制電路前端波形

變頻器控制電路后端的模擬量電壓值需要平穩(wěn)，不穩(wěn)定的電壓值會對變頻電動機的速度造成擾動，變頻器后端模擬量電壓的穩(wěn)定與變頻器控制電路前端PWM波的頻率有關。本文實驗采用高低 2種頻率的PWM波進行測試，其波形如圖7所示。圖7(a)、(b)分別代表占空比為50%的PWM在低頻、高頻下的波形圖。

圖7 PWM在低頻和高頻下的波形圖Fig.7 Waveform of PWM at low (a) and high (b) frequency

4.2 變頻器控制電路后端波形

PWM波形經(jīng)過變頻器控制電路后轉(zhuǎn)換為模擬電壓值，其轉(zhuǎn)換需要一定的時間。占空比為50%的PWM在低頻、高頻下的波形經(jīng)過變頻器控制電路后，采用示波器對變頻器控制電路后端的波形進行采集，其波形如圖8所示。

圖8 變頻器控制電路后端波形圖Fig.8 Back-end waveform of converter control circuit.(a) Low frequency; (b) High frequency

對比圖8(a)、(b)可知，低頻下的PWM波經(jīng)變頻器轉(zhuǎn)換電路轉(zhuǎn)換后的模擬電壓帶有擾動，無法滿足變頻器對其模擬量輸入的要求。圖8(b)所示的模擬電壓較平穩(wěn)，其PWM的周期約為70 μs(見圖7(b))，實驗測試表明，在該周期下的PWM波可穩(wěn)定控制變頻電動機的速度。

同時由圖8(b)可知，變頻器控制電路后端的模擬電壓經(jīng)過約10 ms的時間，可達到平衡狀態(tài)，即針織大圓機從停止至加速到占空比為50%的PWM所對應的速度只需10 ms的時間，符合本文技術的實時性要求。

5 結束語

本文研究了變頻電動機控制技術、嵌入式控制技術、脈沖寬度調(diào)制(PWM)控制技術在緯編針織大圓機運動控制上的應用與實現(xiàn)。針對針織大圓機實際運行工藝，對針織大圓機上點動、運行、停止3種按鈕的各種組合情況進行分類，使其對應針織大圓機點動、運行、停止、強迫運行4種運轉(zhuǎn)狀態(tài)模式，避免操作員工誤操作導致針織大圓機運行狀態(tài)無法確定的情況產(chǎn)生。

結合針織大圓機速度控制的需求，采用高性能的ARM處理器，高動態(tài)響應的變頻電動機，結合PWM控制技術，實現(xiàn)變頻電動機的無級調(diào)速，滿足了針織大圓機的實時性要求。基于針織大圓機運行速度穩(wěn)定性的要求，通過實驗研究在變頻器控制電路前端輸入同一占空比、不同頻率的PWM波，并采用高性能示波器在變頻器控制電路后端進行觀察。進而通過實驗測試確定合適的PWM波頻率值。

測試結果表明，本文技術提高了變頻電動機速度控制的穩(wěn)定性及實時性。在針織大圓機運動控制領域具有廣闊的應用前景。同時，本文技術方案為目前市場上主要采用變頻電動機來進行驅(qū)動的針織大圓機，特別是為普通型針織大圓機的運動控制提供了一個解決方案。針對針織大圓機采用伺服電動機進行運動控制是后續(xù)需要深入研究的內(nèi)容。