無縫內衣機密度電動機的控制技術

戴 寧，胡旭東，彭來湖，鐘垚森

(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)

無縫內衣機作為圓形緯編針織機中的特種機型，其織物不僅只需進行簡單裁剪即可成型，而且在穿著時更加貼身合體[1-3]。國外意大利Santoni等公司在無縫內衣機的發展上走在了國際前列，近年來，國內無縫內衣機雖發展迅速，但其控制系統在穩定性以及功能性方面與國外先進的控制系統相比仍存在不足[4-6]。密度電動機作為無縫內衣機控制系統中重要的驅動模塊，其轉動的位置對應著成圈三角的豎直位置，進而控制織物在不同部位的疏密程度。如果密度電動機沒有在織物的各部位轉到相應的位置，則織物會出現橫紋甚至其尺寸不對等情況產生，這將直接影響無縫內衣機的生產效率以及生產質量。目前市場上Santoni公司部分無縫內衣機配置的密度電動機內嵌了絕對式位置編碼器，對密度電動機的轉動位置進行了閉環控制，但相比之下，其價格昂貴，且模塊所需安裝空間較大。國內機械廠家在無縫內衣機市場上競爭激烈，機械本體的空間利用以及價格優勢顯得越來越重要。

通過對無縫內衣機密度電動機的工作特性以及成圈三角的運動規律進行研究總結，提出了一種無縫內衣機密度電動機控制技術。該技術采用 ARM處理器，并為無縫內衣機“量身制定”了一套自定義CAN總線協議，以歸零和跑位2種方式控制相應密度電動機轉動到指定位置，并在每次歸零時進行丟步偵錯，且無需安裝絕對式編碼器，提高了密度電動機控制穩定性的同時節約了成本。

1 設計概述

本文以浙江紹興某無縫內衣機廠的RFSM10內衣機為機械本體進行研究。密度電動機控制成圈三角在豎直方向上進行運動，從而控制織針在成圈軌跡上的吃紗深度，進而影響織物的疏密程度。圖1示出無縫內衣機三角排布以及壓針電動機與成圈三角的結構。

圖1 無縫內衣機三角排布以及壓針 電動機與成圈三角的結構圖Fig.1 Figure of triangle arrangement of seamless underwear machine(a)and structure of density motor and circle forming triangle(b)

由圖1可知，織針經過集圈三角，退圈三角，色紗三角，分針三角，降針三角所在位置后，最終會進入成圈三角，當密度電動機控制成圈三角向上運動時，織針的吃紗深度較淺，織物組織較密，反之，織物組織較疏。密度電動機的轉動帶動其軸上的凸輪運轉，進而通過傳動裝置，控制成圈三角的位移。步進電動機的尾部軸上裝有蘑菇狀的結構鐵件(簡稱蘑菇頭)和零位傳感器，當蘑菇頭的圓弧部分靠近傳感器時，結構鐵件與傳感器探頭之間的間隙最小，此時零位傳感器檢測到鐵感應信號，用作密度電動機對零以及跑位的基準。

本文研究的無縫內衣機機械本體包含8路成圈機構，故需要8個密度電動機進行控制，每個電動機的轉動狀態受其電動機驅動板接收的CAN總線協議來控制。無縫內衣機密度電動機控制技術總體結構如圖2所示。

圖2 無縫內衣機密度電動機控制技術總體結構Fig.2 Overall structure of seamless underwear machine density motor control technology

無縫內衣機8路密度電動機等間距分布于圓型針筒外側，為減少CAN總線與各節點之間的總線長和信號反射干擾，本文采用2個阻值為120 Ω的終端電阻及CAN總線構成了環針筒外側的環形網絡。CAN總線采用差分傳輸模式，分別與主控制模塊內置CAN模塊的高位數據線(CAN-H)，與低位數據線(CAN-L)接口相連，各密度電動機模塊等間距接入圓形網絡內，并與主控制模塊進行通訊。密度電動機驅動模塊通過CAN總線接收來自主控制模塊的指令，并控制其對應密度電動機轉到指定位置。

特別地，本文采用了歸零偵錯方式可實現密度電動機丟步自診斷，與傳統開環控制方式相比，本文增加了脈沖記憶與脈沖比較環節，2種控制方式的流程簡圖如圖3所示。

圖3 2種控制方式的流程簡圖Fig.3 Schematic diagram of two control methods. (a)Traditional method；(b)Improved method

由圖可知，傳統開環控制模式編織過程為A->B->C，C再回到B階段進而循環編織，其中B階段在單件織物編織時，由于織物不同部位的組織密度不同，B階段可能重復多次(即n的值大于等于1)后，再執行C階段。

相比傳統開環控制，改進方法增加了D脈沖記憶階段和E脈沖比較階段，當密度電動機發生丟步現象時，從霍爾傳感器處轉到跑位位置(跑位)的脈沖，與從跑位位置處轉到霍爾傳感器處(歸零)所需脈沖數目不一致，當2過程脈沖數目偏差過大時，則存在密度電動機丟步現象，需檢查密度電動機驅動板，密度電動機等是否存在故障。該控制方式在不增加成本，不增加機械安裝空間的基礎上，實現了密度電動機的丟步檢測，極大提高了密度電動機控制的穩定性。

2 電動機驅動板電路設計

無縫內衣機上的密度電動機主要采用兩相4線步進電動機，密度電動機模塊接收來自CAN總線上的動作指令，控制兩相4線步進電動機轉到指定位置。密度電動機驅動板控制電路如圖4所示。

圖4 密度電動機驅動板控制電路圖Fig.4 Control circuit diagram of density motor drive board

圖4中S為零位信號，接于ARM處理器輸入IO口，當密度電動機尾部蘑菇頭靠近零位傳感器時，零位信號S為低電平，其余默認為高電平，實現電動機轉動過程的零位檢測。D,P,V，En為電路原理圖的網絡編號，分別代表方向控制信號，脈沖控制信號，參考電壓控制信號，使能信號且與ARM處理器相應的輸出IO口相連。光耦隔離芯片采用的是型號為TLP113光耦隔離芯片，實現控制芯片和驅動芯片的電氣隔離，提高抗干擾能力[7-8]，電壓調節模塊實現步進電動機運轉時的參考電壓是停止時的2倍，為常見分壓電路，由參考電壓控制信號V實現二分壓。電動機驅動模塊主要由東芝型號為TB6600HG的兩相混合式步進電動機驅動芯片組成，ARM處理器通過D,P,V，En信號的輸出，控制TB6600HG電壓驅動芯片產生A+,A-，B+,B-四相步進電動機驅動時序，控制密度電動機的運轉。CAN通信模塊實現密度電動機與主控制模塊之間通訊信號的電平轉換。地址編碼模塊實現無縫內衣機第1路到第8路的密度電動機地址編碼。

3 程序算法設計

3.1 密度電動機動作協議及協議解析算法

主控制模塊按角度將鏈條程序中當前角度下各密度電動機的位置值發送給各密度電動機，該技術采用CAN2.0B協議，具有32位擴展幀，8個字節長度的數據段，其中32位擴展幀中包含29位可編輯段[9]，鏈條程序中主要包括正向位置，反向位置以及零度位置。其中正向位置以及反向位置最大數值為250，零度位置為0。為提高無縫內衣機控制系統的時效性，將8路密度電動機所需轉動的位置值整理在一幀數據包內，密度電動機的動作協議如表1 所示。

表1 密度電動機動作協議Tab.1 Protocol of density motor action

由表1可知，Data[1]～Data[8]依次存放第1路密度電動機～第8路密度電動機的位置值。DATA[0]代表29位擴展幀的低8位，依次存放著8個密度電動機的正向位置以及反向位置的信息。比如DATA[0]為0b10000010,則代表Data[2], Data[8]存放的是正向位置數據，其余數據位存放的是反向位置數據。29位擴展幀9～29位作為預留擴展，密度電動機動作協議解析算法流程如圖5所示。

圖5 密度電動機動作協議解析算法流程圖Fig.5 Flow chart of density motor action protocol analysis algorithm

圖5中：x為ARM處理器讀取到的當前地址，其值范圍為0x0～0x7,依次代表第1路密度電動機到第8路密度電動機所對應的驅動板地址；s為臨時變量，用以判斷當前路地址需處于正方向位置還是反方向位置；d為所讀取的該路密度電動機的位置值大小；p為該協議所需密度電動機處于的具體位置。

3.2 密度電動機動作執行程序算法

ARM處理器接收到主控制模塊下發的密度電動機動作并提取出相應位置p后，與自身現有位置q進行比較，若二者位置不一樣，ARM處理器控制TB6600HG驅動芯片使密度電動機運轉到新的位置p。密度電動機的位置取決于蘑菇頭和零位傳感器的相對位置，具體如圖6所示。

注：“→”箭頭表示感應器位置。圖6 密度電動機位置簡圖Fig.6 Diagram of density motor position

圖6中a位置為密度電動機的零點位置，此時零位傳感器有鐵感應信號，當蘑菇頭順時針轉動，轉到b位置時，密度電動機為負位置，此時零位傳感器仍有鐵感應信號，若此時蘑菇頭再次順時針轉過半圓,到達位置d，此時零位傳感器檢測不到鐵感應信號。當蘑菇頭從a位置逆時針轉動到c位置時，此時密度電動機為正位置，此時零位傳感器檢測不到鐵感應信號，密度電動機從c位置繼續逆時針轉動到d位置，此時密度電動機正位置增大，但未超過半圓。本文定義ARM處理器D所在IO口輸出為高電平時，蘑菇頭逆時針轉動，輸出IO口為低電平時，順時針轉動。密度電動機動作執行程序算法流程如圖7所示。

圖7 密度電動機動作執行程序算法流程圖Fig.7 Flow chart of density motor action execution program algorithm

圖7中：Q為密度電動機轉動到指令所需位置的差值；Dr為臨時變量，用以判斷密度電動機的轉向；yQ為ARM處理器所需發送的脈沖值。根據內衣機密度電動機控制位置可知，當位置改變量大致為400時，對應密度電動機轉1圈，而密度電動機的步距角為 1.8°，無法滿足無縫內衣機織物密度的精細調節[10]。TB6600HG可實現步距角16細分驅動，可實現3 200等分，故yQ的值可由下式獲得：

yQ=8|Q|

密度電動機零位的位置是固定的，即圖6的a位置，密度電動機歸零及偵錯算法流程如圖8所示。

圖8 密度電動機歸零及偵錯算法流程Fig.8 Flow chart of density motor zeroing and debugging algorithm

圖8中：i為臨時變量，用以計算歸零過程中同一個方向所需的脈沖個數；S為ARM處理器IO口檢測到的零位信號電平；yq為從位置q轉到零位位置的理論值，其值大小可將q代入公式可得；e為誤差系數，經測試其值設置為16，可滿足生產需求。

雖然密度電動機零位的位置是固定的，但零位傳感器在蘑菇頭轉動的半個周期內都能檢測到鐵感應信號，故當其在正向位置時，只需控制蘑菇頭順時針旋轉至第一次檢測出鐵感應的位置，即歸零結束。當在負向位置時，其需要先逆時針轉到正向位置，再順時針轉到a位。

4 實驗測試

本控制技術主要實現無縫內衣機密度電動機穩定工作，并能在出現有丟步現象時，可通過密度電動機歸零程序進行偵錯。本文驗證平臺需證明該控制方式的密度電動機的平穩運行狀態以及丟步狀況產生時，能實現實時的報錯。實驗平臺的搭建示意圖如圖9所示。

圖9 實驗平臺搭建示意圖Fig.9 Diagram of experimental platform construction

密度電動機的平穩運行狀態可通過如下過程進行驗證：主控制模塊下發密度電動機跑位指令，密度電動機按照表1所示動作協議進行解析，高性能示波器分兩路對密度電動機驅動模塊中ARM處理器P管腳和S管腳處波形進行采集，密度電動機按照ARM處理器P處的脈沖數進行跑位，S管腳處信號的一個完整周期代表密度電動機跑完一周的時間。在密度電動機勻速運轉時，應確保S管腳處的零位信號周期以及高電平占空比為定值，同時需保證在一個完整的零位信號周期內，P管腳處的信號個數唯一，且每個信號的波形完整，周期以及其占空比也為定值。

密度電動機的歸零偵錯程序可通過如下過程進行驗證：本文通過在主控制模塊中編寫循環發送測試程序，時間間隔為10 s,使其針對第1～8路密度電動機依次產生包含密度電動機動作協議的指令(先發送轉180°的跑位指令，后發送歸零指令)。在密度電動機模塊中編寫接收測試指令，并按照圖7、8所示算法流程進行動作(本文對TB6600HG進行了8細分，轉動180°，ARM處理器需發送1 600個跑位脈沖)。密度電動機在歸零偵錯異常時向主控制模塊進行反饋，主控制模塊接收到來自密度電動機的偵錯異常指令時，在圖9所示的人機交互屏上顯示該路密度電動機異常提示框。

本文針對圖9所示的實驗平臺，對第1～8路的密度電動機正常安裝，并對第8路密度電動機添加跑位監測程序，當檢測到密度電動機處于跑位階段時，及時失能密度電動機，并在ARM處理器發送完1 000個跑位脈沖后再使能密度電動機，直至發完1 600 個跑位指令。并按照過程1、過程2所述方式進行測試，密度電動機ARM處理器P管腳和S管腳處波形如圖10所示。

圖10 ARM處理器P管腳和S管腳處波形圖Fig.10 Diagram of waveform about P pin and S pin of ARM processor

本實驗先使密度電動機在24 h內處于固定速度的跑位狀態，并將第1～7路中某一路密度電動機模塊中ARM處理器的P管腳以及S管腳接入示波器進行觀察。由圖可知，兩段波形從上到下分別示出ARM處理器的S管腳以及P管腳處的波形，通過MatLab對兩管腳處的波形數據進行重繪和統計可知，P管腳處波形頻率是S管腳處的3 200倍。故P管腳處其波形顯示密集，經過放大處理，其波形與S管腳處波形一樣，波形完整，且波形重復性好，故本控制方案可使密度電動機的平穩運行。

為驗證本實驗密度電動機的丟步偵錯功能，本實驗按照過程2所述方式進行驗證，調取人機界面內24 h的報警信息，并對報警信息進行統計整理，統計結果顯示如表2所示。

表2 丟步測試統計表Tab.2 Statistics of lost step test

由圖10和表2可知,人機界面顯示每隔10 s出現一次8號密度電動機異常報警信息，并統計出 24 h 內的報警信息共達8 640次。本文循環測試指令的時間間隔為10 s,故每次都能檢測到第8路密度電動機的丟步故障。本技術在浙江紹興某無縫內衣機廠運行1 a左右，能有效地對密度電動機丟步進行偵錯，提高了國產無縫內衣機的生產效率。

5 結束語

此無縫內衣機密度電動機控制技術，結合密度電動機在機械本體上的分布以及其編織工藝，制定了基于CAN2.0B協議的密度電動機動作指令，只需一幀即可包含所有電動機在當前角度下的位置信息，有效提高了無縫內衣機控制系統的時效性。設計了關鍵的電路設計以及程序算法，在實現密度電動機精密控制的同時，密度電動機在歸零過程中還增加了密度電動機丟步偵錯機制。減少了無縫內衣機織物的次品率，提高了國產無縫內衣機密度電動機控制技術。

本控制技術無需對每路密度電動機增加編碼器來實現閉環控制，節約了機械本體空間利用的同時還降低了成本。此歸零偵錯方式雖以無縫內衣機為研究本體，但對其他需要織物密度調節的針織圓緯機具有一定借鑒意義。