無縫內衣機驅檢一體化調色控制技術

姚杰森 史偉民 彭來湖

摘 要：針對無縫內衣機在調色編織過程中由于執行驅動開環控制，時延不可控導致添紗、剪紗、換紗等動作不穩定的問題，深入分析內衣生產的調色工藝原理及驅動控制特性。以提高調色編織工藝控制穩定性為目的，提出一種無縫內衣機驅動與故障檢測一體化的調色控制技術方案，根據驅動特性與回路電流特性，設計關鍵硬件電路與軟件程序。測試結果表明，該方案穩定可靠、低功耗、工作效率高、能有效對故障信息進行判定，滿足無縫內衣機調色控制要求。

關鍵詞：無縫內衣機;特性分析;脈沖寬度調制;電流檢測

中圖分類號：TS103.7

文獻標志碼：A

文章編號：1009-265X（2022）01-0115-07

Abstract： In view of the problems in the color blending and knitting process of the seamless underwear machine， such as the instability of actions like yarn addition， yarn cutting， and yarn change， due to the implementation of drive open-loop control and uncontrollable time delay， the color blending principle and drive control characteristic of underwear production are deeply analyzed. For the purpose of improving the control stability of color blending and knitting， a color blending control technology scheme that integrates the drive and fault detection of seamless underwear machine is proposed. According to the driving characteristics and characteristics of loop current， key hardware circuits and software programs are designed. The test results show that the proposed scheme is stable and reliable， with low power consumption， high working efficiency and effective judgment of fault information. So it can meet the color blending control requirements of seamless underwear machine.

Key words： seamless underwear machine; characteristic analysis; pulse width modulation; current detection

無縫內衣機是一種采用一次成形技術的針織圓緯機，其編織織物具有良好的延展性、彈性與舒適性[1]。國內無縫內衣機發展迅速，但其控制系統在穩定性以及功能性方面仍存在不足，在高速或長時間工作時織物會出現橫紋、亂花現象[2]，導致織物質量下降，甚至會有嚴重損壞紡織設備的可能，給紡織企業造成巨大損失。因此對國產無縫內衣機控制系統性能優化已經成為當務之急。

本文從無縫內衣機的調色工藝原理以及工況要求出發，分析驅檢一體化原理，提出一種驅動與故障檢測一體化的調色控制技術，實現優化控制、故障檢測等目的，以進一步提高生產質量和生產效率，具有一定的經濟效益和社會效益。

1 調色工藝分析

無縫內衣機具有八路換紗裝置，織物每橫列由一路換紗裝置負責，通過換紗操作變換紗線種類與顏色，每路換紗裝置上有由15個電磁閥驅動的8個梭子和1個開針鉤，其中1#2#梭子穿包芯紗作底紗，3#梭子穿扎口線或橡筋紗，按照圖1（a）的A-C軌跡工作;6#梭子穿錦綸紗或棉紗作為主面紗，按照圖1（b）的B-A-C-D或B-A-C-E-F軌跡工作;4#5#7#8#梭子主要用于調色操作，其中7#8#梭子穿色紗，按照圖1（a）的A-C軌跡工作;4#5梭子穿錦綸紗，按照圖1（b）的B-A-C-D軌跡工作[3]。在編織時，1#或2#梭子運動到C工作點位，使織針在選針區域中勾取包芯紗，根據織物編織要求，若選擇色紗作為面紗，則7#或8#梭子運動到C工作點位，織針勾取色紗與底紗同時成圈;若選擇錦綸作為面紗，則4#或5#梭子按照軌跡運動，織針勾取錦綸紗與底紗同時成圈。

無縫內衣機調色控制實際上是通過切換不同梭子來引導不同顏色的紗線到選針區域上進行編織，當需要某一顏色紗線進行編織時，將對應顏色紗線靠近選針區域進行編織，其余顏色紗線則不參與編織。在不同梭子間的共同作用下，多色紗線編織成多色織物，達到多色編織目的[4-5]。多色織物的結構意匠圖如圖2所示，其中B代表黑色，G代表綠色，R代表紅色，Y代表黃色。

梭子動作的迅速性與穩定性是影響調色工藝優劣的關鍵因素，并且實時檢測梭子工作狀態，有助于對編織機構進行有效監控。梭子的動作由換紗裝置上電磁閥來驅動，電磁閥導通時，在壓縮空氣的作用下梭子沿旋轉軸上下轉動或做直線運動;當電磁閥斷開時，彈簧的彈力使梭子復位。本調色控制技術結合調色工藝與執行結構，采用驅檢一體化技術，提高調色動作的迅速性、穩定性和自檢能力。

2 驅檢原理分析及總體方案

2.1 驅動原理分析

調色梭子動作的迅速性與穩定性是無縫內衣機調色正常工作的前提，影響調色梭子響應速度的關鍵因素是電磁閥鐵磁質對閥芯的吸力。根據麥克斯韋吸力公式[6]，電磁吸力為：

Fm=Φ22u0S0=12u0S0H2（1）

式中：Φ為磁通量，Wb;u0為氣隙磁導率，H/m;S0為氣隙面積，mm2;H為磁場強度，A/m。

電磁閥閥芯在運動過程中，在電磁閥鐵磁質的影響下，由電磁滯回特性產生的一種不可避免的滯后現象，電磁滯回特性使得電磁閥的響應速度變慢，影響電磁閥的控制精度[7-8]。電磁滯回特性示意圖如圖3所示，鐵磁質在磁化過程中，若磁化不充分，即磁場強度H不足，則會導致得到的磁滯回線面積較小，鐵磁質的剩磁、矯頑力變小，電磁吸力偏小，最終影響電磁閥閥芯狀態保持時間;若磁化過充分，實際磁滯回線仍為最大磁滯回線，即不能再增強鐵磁質的磁化強度，造成資源浪費。

磁場強度與電磁閥線圈安匝值Iw關系為：

H=Φu0s0=12δ·2Φδu0s0=12δ·Iw（2）

式中：δ為初始氣隙寬度，mm。

結合式（1）與式（2），電磁吸力受磁化強度的影響，磁化強度受電磁閥線圈安匝值的影響，電磁閥線圈安匝值可通過改變脈沖寬度調制（PWM）的占空比來調節。因此，可從分析電磁吸力角度出發，調整電磁閥線圈安匝值，以降低電磁滯回特性的影響，有助于提高電磁閥的響應進度。為保證鐵磁質充分磁化，線圈在通電初期先采用高電平驅動，后采用PWM脈沖驅動，其中高電平保持時間至少為PWM周期的5倍[9]。

2.2 回路電流檢測原理分析

通過對電磁閥狀態檢測，有助于判斷調色梭子工作情況，以對調色動作進行有效監控。采用回路電流檢測方式來實現對調色裝置電磁閥的異常故障檢測，首先使用型號為WK-6500B的阻抗分析儀對電磁閥的線圈進行阻抗分析，可得到如圖4所示的等效電路模型[10-11]，其中線圈可等效為電阻R與電感L串聯電路。線圈電流變化可用微分方程表示為：

U=Ri+Ldidt+idLdxv（3）

電磁閥工作時其線圈開啟時電流波形圖如圖5所示。當線圈通電初期，線圈存在初始電感，電流i由零逐漸增大到觸動電流，同時電磁閥吸力也逐漸增大，但其吸力不足以使閥芯進行動作，即氣隙寬度，閥芯運動速度，則微分方程可轉化為：

U=Ri+L1didt（4）

根據t=0，i=0，的初始條件，可得微分方程的一個特解為：

i=UR1-eRL1t（5）

因此可得在閥芯運動前，線圈電流呈指數上升，如圖5中的觸動階段0～t1。當電流i增大到達觸動電流時，即電磁閥吸力足夠克服流體力與彈力而使閥芯向下運動。通常情況下，在閥芯運動過程中線圈電流i比觸動電流的數值要小，即電流i偏離指數上升曲線呈下降趨勢，如圖中的運動階段t1～t2，直到氣隙寬度δ=δmax，此時電感值為，微分方程則為：

U=Ri+L2didt（6）

設氣隙寬度達到δmax的時間為t=t2，電流值為i=i2，則有微分方程特解：

i=i2-URe-RL2（t-t2）+UR（7）

此時電磁閥線圈電流i呈指數上升，如圖5中的恢復階段t2～t3，最后達到穩定狀態值i=UR，即圖中穩態階段t3～t4，達到電流最大值。

通過檢測電磁閥線圈電流情況，以判定電磁閥的工作狀態，若檢測到電流值偏離正常電流曲線，則證明電磁閥出現故障，若偏離情況過大，則出現電磁閥線圈短路或斷路情況。

2.3 總體設計方案

無縫內衣機具有八路編織機構，故需要八路調色控制單元對調色動作進行控制，每路調色控制單元的動作受來自核心控制模塊的CAN總線協議指令來決定，無縫內衣機調色控制總體設計方案如圖6所示。八路調色控制單元等間距安裝在圓形針筒外側，通過差分傳輸模式下的CAN總線與核心控制模塊的CAN接口連接組成CAN圓形網絡，并采用2個阻值為120Ω的終端電阻以減少CAN總線上的信號反射干擾[12]。

3 硬件設計

3.1 控制單元框架

通過對無縫內衣機調色工藝特性和調色梭子控制方式進行分析與研究，可得到調色控制單元框架如圖7所示，由驅動控制模塊（MCU）、電源轉換模塊、地址設置按鍵、LED指示燈、CAN通訊模塊及15路電磁閥驅檢模塊組成。電源轉換模塊為其他模塊提供電源;當CAN通訊模塊接收到數據指令幀后，驅動控制模塊從該幀數據中提取屬于自身地址編號的動作信息，并根據動作信息驅動對應電磁閥動作;當發生異常故障情況時，LED指示燈從呼吸燈狀態切換到頻閃狀態，以顯示調色控制單元檢測到的異常。

3.2 關鍵驅檢電路設計

電磁閥驅檢模塊為調色控制單元關鍵模塊，如圖8所示，其中Valve_Control為電磁閥控制引腳標識符，MCU通過該引腳輸出由驅動特性分析得到的PWM脈沖;Valve_Feedback為線圈電流檢測引腳標識符，MCU通過該引腳輸入值進行模數轉換與計算，得到線圈回路電流值;Q1為N溝道場效應管（MOS管），作為輸出開關控制電磁閥驅動輸出;D1為二極管，用于防止電磁閥線圈在通斷瞬間產生過大的反電動勢而對電路造成損傷，通過二極管構成泄放回路則有效將感生出來的反電動勢予以泄放;Rf為采樣電阻，用于檢測計算電磁閥線圈工作電流變化情況。

通過檢測電磁閥線圈電流變化情況，結合線圈回路電流特性以判斷電磁閥工作狀態，若MCU檢測到電流值偏離正常工作電流曲線，則判定為出現異常故障事件，偏離過大則有線圈短路或斷路的情況。

4 程序開發

調色裝置控制單元需要實時性較強的運行環境，采用FreeRTOS作為平臺框架對調色裝置進行調度與管理，其任務調度器能夠在各個任務間迅速切換[13-15]，滿足多任務調度操作。

4.1 電磁閥驅動任務程序

當CAN接收處理任務將指令數據幀解析后，通過釋放電磁閥控制信號量指示電磁閥驅動任務做出動作。電磁閥驅動任務程序先從FLAH中讀取驅動配置信息到緩存區，然后根據動作指令數據，判斷具體各個點位的通斷狀態，若需要斷開則直接將相應驅動IO口輸出低電平;若需要導通則相應驅動IO口需要先輸出高電平一段時間后，切換到PWM脈沖輸出模式，同時釋放相應電流檢測信號量。電磁閥驅動任務軟件流程如圖9所示。

4.2 線圈電流檢測任務程序

線圈電流檢測任務程序通過軟件定時器來實現，設定定時時間為300ms，即每300ms對ADC引腳的模擬量進行采樣，并將轉化后的數字量存儲

在臨時數組ADC_Result_Temp[]中。當請求到相應電流檢測信號量后，抽取相應臨時數組數據位到檢測結果數組ADC_Result[]中，其余檢測結果數組數據清零。最后依次檢驗檢驗結果數據是否超限，若出現異常，則通過故障事件消息隊列傳遞給故障處理任務以產生報警信息。線圈電流檢測任務程序流程如圖10所示。

5 測 試

5.1 測試平臺搭建

將八路調色控制單元以級聯形式搭建如圖11所示的實驗平臺，通過人機交互平臺將控制指令逐級下發，并通過示波器對電磁閥控制情況進行觀察，以驗證調色控制單元的驅檢功能。

5.2 驅動測試

調色梭子動作的迅速性與穩定性是無縫內衣機調色正常工作的前提，采用6組驅動輸出項作為測試，以對比在不同PWM驅動輸出下，調色控制單元對調色梭子的驅動能力。對比情況如表1所示。

從測試項1、2、4、6可得到，在占空比固定的情況下，PWM頻率偏小，無法正常驅動電磁閥，此時電磁閥不斷進行開關動作，不能提供穩定的壓縮控制來驅動調色梭子;當PWM頻率增大，電磁閥驅動趨于穩定;PWM頻率偏大，對電磁閥驅動穩定性提升不大，反而增加調色控制單元的開關損耗。從測試項3、4、5可得到，在PWM頻率固定的情況下，占空比過小則無法正常驅動電磁閥，此時電磁閥處于斷開狀態，無法提供壓縮空氣來驅動調色梭子;當占空比增大，電磁閥驅動趨于穩定，并提高響應速度;占空比偏大，并長時間處于導通狀態時，電磁閥產生微熱現象，若繼續長時間導通，則對電磁閥造成損害。

對比6組測試項，得到第4組驅動情況較好，即PWM頻率為2000Hz，占空比為60%時電磁閥以較優的驅動性能使調色梭子以穩定、迅速的狀態運動到指定點位，符合調色工藝驅動要求。通過示波器對比指令下發到動作執行時間，可截取觀察到調色控制單元的驅動響應時間，如圖12所示，響應時間約為6 ms，滿足調色動作要求。

5.3 檢測測試

在電磁閥正常導通后，通過短路接線端口以模擬電磁閥短路狀態，對調色裝置控制單元進行測試，驗證能否實現故障處理。結果顯示調色控制單元LED指示燈加快閃爍頻率，通過CAN調試工具可觀察到異常反饋指令，說明產生異常報警，同理，通過迅速斷開電磁閥以模擬電磁閥斷路狀態，可觀察到同樣異常故障處理情況。經多次試驗，驗證了本調色控制單元軟件具有實時性與可靠性。

5.4 現場測試

以浙江某紡織廠的一款型號為RFSM20的無縫內衣機為測試對象，將八路調色控制單元安裝在機器上，在連續工作運行編織8 h的情況下，觀察織物組織與花型圖案來判斷控制系統的可靠性與穩定性。現場測試照片如圖13所示，測試結果表明，RFSM20無縫內衣機運行穩定，織物無橫紋、亂花等現象，調密裝置能夠準確根據大量的動作指令，有效實現調色工藝，提高控制系統的工作效率，滿足現場工作要求。

6 結 語

對無縫內衣機調色工藝進行分析，并針對調色裝置電磁閥的驅動特性與回流電流特性，提出一種無縫內衣機驅檢一體化調色控制技術方案，通過實驗測試結果表明，該控制技術可靠性好、運行穩定，減少橫紋、亂花現象的產生，減少干擾，提高工作效率，滿足無縫內衣機的控制要求。

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