管式電磁直驅(qū)織針控制系統(tǒng)設(shè)計與研究

中圖分類號：TS183.4 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A文章編號：2095-414X（2025）03-0059-06

0引言

現(xiàn)代針織設(shè)備為了解決傳統(tǒng)機(jī)械裝置所存在的效率低、能耗高等問題，朝著智能化、綠色化方向發(fā)展，在原有紡織工藝的基礎(chǔ)上逐步融合各項尖端技術(shù)，經(jīng)過工藝原理和控制方法的創(chuàng)新變革，使得針織機(jī)械能夠?qū)崿F(xiàn)精密與高效生產(chǎn)。新型管式電磁直驅(qū)織針就是將磁懸浮技術(shù)同針織機(jī)織針驅(qū)動進(jìn)行應(yīng)用融合2。管式電磁直驅(qū)織針通過對織針組件中電磁線圈的電流大小和方向進(jìn)行調(diào)節(jié)，使永磁體與其因磁力靠近或遠(yuǎn)離，進(jìn)而帶動織針沿軸向進(jìn)行往復(fù)運(yùn)動。相比傳統(tǒng)針織機(jī)織針的機(jī)械式驅(qū)動，電磁直驅(qū)有效解決了織針和凸輪三角等部件因高速相對運(yùn)動所導(dǎo)致的磨損、發(fā)熱和振動等問題[3]。

本文結(jié)合新型管式電磁直驅(qū)織針結(jié)構(gòu)形式及工作原理，提出一種基于STM32F446RET6主控芯片的織針控制系統(tǒng)，通過在Simulink中建立的仿真模型顯示該控制系統(tǒng)的動態(tài)性能出色，最終進(jìn)行實(shí)物測試實(shí)驗(yàn)，驗(yàn)證了理論模型和實(shí)際控制運(yùn)行的一致性。該控制系統(tǒng)能夠很好地對管式電磁直驅(qū)織針方向與速度實(shí)現(xiàn)調(diào)節(jié)，使織針快速、穩(wěn)定的進(jìn)行編織工作，為電磁直驅(qū)織針控制提供研究基礎(chǔ)與參考。

1管式電磁直驅(qū)織針結(jié)構(gòu)及原理

管式電磁直驅(qū)織針是將磁懸浮技術(shù)引人針織領(lǐng)域，其核心原理在于采用電磁力來驅(qū)動織針的上下運(yùn)動，從而實(shí)現(xiàn)針織過程。這種技術(shù)屬于主動磁懸浮技術(shù)的應(yīng)用之一，類似于現(xiàn)有的磁懸浮列車和直線電機(jī)。線圈繞組通過三相正弦電流激勵產(chǎn)生交變磁場來使永磁體織針實(shí)現(xiàn)懸浮式往復(fù)運(yùn)動，實(shí)現(xiàn)針織品編織。

圖1展示了新型管式電磁直驅(qū)織針的核心組件，包括電磁線圈、永磁體、墊片、織針和驅(qū)動控制器等。永磁體是磁極方向?yàn)檩S向，形狀為圓柱形的磁鐵，鄰近永磁體的磁極方向相反，中間由墊片隔開，電磁線圈圍繞著永磁體織針。在工作時，通過給線圈通入電流激發(fā)出磁場，按照電磁場同性相斥，異性相吸理論，永磁體會受到電磁力帶動織針運(yùn)動。若需要織針換向運(yùn)動，則通過驅(qū)動控制器將線圈中電流反向即可，從而控制織針的上下運(yùn)動。新型管式電磁直驅(qū)織針改變了傳統(tǒng)針織機(jī)織針的運(yùn)動方式，以磁力驅(qū)動的軸向高速運(yùn)動沒有摩擦磨損、剛性沖擊，整體結(jié)構(gòu)簡單、噪音小、維護(hù)方便]。

2管式電磁直驅(qū)織針運(yùn)動分析

管式電磁直驅(qū)織針在軸向往復(fù)運(yùn)動中受到多個力的作用。本文著重研究織針的驅(qū)動控制過程，因此不涉及紗線張力、針舌受力等因素。在理想狀態(tài)下，永磁體織針與電磁線圈之間存在一定間隙，沒有相對接觸，在實(shí)際運(yùn)動中，由加工或安裝誤差引起的摩擦力F_f 這里忽略不計。因此織針的軸向往復(fù)運(yùn)動可以看作主要受電磁線圈驅(qū)動的磁力 及永磁體織針的重力G作用。簡化的織針受力如圖2所示。

由管式電磁直驅(qū)織針在軸向的受力簡圖可以得出織針上下運(yùn)動時加速度為：

當(dāng)驅(qū)動織針運(yùn)動時，上升和下降過程所受到的電磁力是相同的，因此會造成織針上、下的加速度絕對值不相等，為了便于分析管式電磁直驅(qū)織針編織過程的運(yùn)行軌跡，可以將織針?biāo)艿降? 設(shè)為恒定值，加速度 a 當(dāng)做常量，結(jié)合針織機(jī)實(shí)際生產(chǎn)時織針會在編織的運(yùn)動極限位置懸停一段時間。假設(shè)織針完成一個線圈編織所用的時間為T，則在理論運(yùn)動過程中織針的位移軌跡關(guān)系如圖3所示：

3管式電磁直驅(qū)織針控制系統(tǒng)設(shè)計

3.1控制系統(tǒng)總體方案

管式電磁直驅(qū)織針控制系統(tǒng)主要由人機(jī)接口、控制核心以及織針驅(qū)動系統(tǒng)三大模塊組成，其總體方案如圖4所示。通過STM32主控電路產(chǎn)生的SVPWM波驅(qū)動控制三相全橋逆變電路，進(jìn)而模擬出織針運(yùn)動所需的三相正弦電流，織針的實(shí)際運(yùn)動情況由3路HALL及電流/電壓采樣電路實(shí)時反饋給控制核心，進(jìn)行PID調(diào)節(jié)，實(shí)現(xiàn)閉環(huán)控制。透過人機(jī)接口模塊可以操控織針運(yùn)行，遠(yuǎn)程監(jiān)測織針運(yùn)行參數(shù)與狀態(tài)，使控制系統(tǒng)具有較高的安全性和穩(wěn)健性。

3.2主控電路設(shè)計

由于該控制系統(tǒng)涉及到三角函數(shù)且需要較高的性能表現(xiàn)，因此主控電路芯片選用了性能優(yōu)越且價格實(shí)惠的STM32F446RET6。該芯片的主頻為 180MHz ，擁有50個I/O口和DSP指令集，并且具有豐富的外設(shè)資源。能夠提供出色的功能表現(xiàn)，滿足復(fù)雜控制系統(tǒng)的需求。主控電路中使用到的外設(shè)主要有AD采樣、PWM輸出、GPIO輸入采樣、SPI通訊、IIC通訊、串口通訊等，其電路如圖5所示（見下頁）。

3.3MOS管驅(qū)動電路設(shè)計

MOS管驅(qū)動電路如圖6（見下頁）所示，驅(qū)動芯片采用的是DRV8301，其支持SPI接口，具有高精度的電流、電壓檢測和保護(hù)功能，擁有多種輸出功率和豐富的外設(shè)資源，提供了針對不同應(yīng)用場合的可靠解決方案。MOS管驅(qū)動電路通過SPI與主控芯片通訊進(jìn)行初始化配置，由STM32F446RET6主控芯片產(chǎn)生3路互補(bǔ)PWM波輸入到DRV8301驅(qū)動芯片，再由驅(qū)動芯片對MOS管的通止進(jìn)行操控。

3.4三相全橋逆變電路設(shè)計

三相全橋逆變電路由6個MOS管組成，所選擇的MOS管型號為IRF540NS，它是一種N型金屬氧化物半導(dǎo)體場效應(yīng)晶體管，圖7為三相全橋逆變電路圖，通過IRF540NS的開關(guān)可以實(shí)現(xiàn)對織針?biāo)璧娜嗾译娏鬟M(jìn)行控制和調(diào)節(jié)，保證織針能夠穩(wěn)定完成編織。另外該電路中還包含電流、電壓采樣，通過在下橋壁串聯(lián)

一個采樣電阻，將兩端連接至運(yùn)算放大器[8]。

3.5控制系統(tǒng)軟件設(shè)計

管式電磁直驅(qū)織針控制系統(tǒng)程序包含多個模塊，控制流程圖如圖8所示。整個控制系統(tǒng)軟件設(shè)計的核心包括AD電流/電壓采樣、織針控制算法以及霍爾采樣。主程序部分主要是對相關(guān)外設(shè)初始化，進(jìn)行DRV8301的警報處理以及OLED屏的內(nèi)容顯示，織針的驅(qū)動程序均在AD中斷中執(zhí)行。外設(shè)初始化主要是根據(jù)主控芯片的庫函數(shù)進(jìn)行，控制算法則使用 Simu link進(jìn)行仿真生成。

4管式電磁直驅(qū)織針控制算法

4.1Simulink仿真

利用Simulink可以對織針控制系統(tǒng)進(jìn)行仿真搭建，生成織針控制算法代碼。系統(tǒng)仿真框架如圖9所示，包括參數(shù)設(shè)置、織針控制算法、SVPWM輸出、電流/電壓采樣及電源模塊。控制算法模塊foc_algorithm主要有Park變換、反Park變換、Clark變換、PID調(diào)節(jié)、SVPWM算法五個部分，其相關(guān)輸入接口有Id_ref、Iq_ref、theta等，其中theta只在仿真中使用，實(shí)際驅(qū)動控制時會通過霍爾傳感器使系統(tǒng)形成了閉環(huán)。

4.2控制算法運(yùn)算

織針控制算法仿真如圖10所示，包括Clark，Park與反Park變換，空間矢量脈寬調(diào)制輸出，反饋調(diào)節(jié)等。先根據(jù)實(shí)際情況輸入相關(guān)參數(shù)，然后 PID 控制模塊進(jìn)行調(diào)節(jié)， PID 調(diào)節(jié)器選用 PI 調(diào)節(jié)，參數(shù) P 與 I 的值分別為 ，其中 R 為線圈內(nèi)阻， L 為電感值，如此便能夠得到理想的 PI 值，然后開始下一步反Park變換處理。

SVPWM的生成算法包括判斷扇區(qū)，計算相鄰矢量作用時長及定時器比較值。織針運(yùn)動時所處的扇區(qū)通過查表可以確定，相鄰矢量作用時長計算是將電磁線圈三相交流電壓轉(zhuǎn)換成的兩個正弦波矢量進(jìn)行逆變器輸出轉(zhuǎn)換，其計算公式如下：

其中Ts為PWM的周期， U_dc 為控制電壓。

定時器比較值計算主要是計算織針在某一時刻運(yùn)動到某一個扇區(qū)的某一位置，電磁線圈三相各自的導(dǎo)通時間。主要運(yùn)用在定時器中輸出PWM波等效成SVPWM波形，經(jīng)過低通濾波器之后用示波器可以感測到SVPWM波形。

Clark變換是一種將三相交流信號轉(zhuǎn)換為兩個互相垂直的二相信號的變換技術(shù)。具體來說，Clark變換將輸入的三相信號 （a，b，c） 轉(zhuǎn)換為兩個二相信號 （α P ，其中 α 和β是垂直的二相信號，其幅值與 信號相同。這些變換后的信號可用于生成PWM信號，控制織針?biāo)俣取D11為Simulink中Clark變換的具體運(yùn)算。

透過Park變換可以將三相交流信號轉(zhuǎn)換為兩相直流信號，它通常與電場定向控制算法一起使用，以實(shí)現(xiàn)對速度和位置的精確控制。圖12為Park變換的具體運(yùn)算。

5實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

通過上述研究設(shè)計，為了驗(yàn)證本控制系統(tǒng)的實(shí)際控制性能，制作了管式直驅(qū)織針控制系統(tǒng)實(shí)物，通過示波器測試任意兩相電流采樣的波形，其結(jié)果如圖13所示，其兩相電流波形為相位差120度的等幅正弦波，波形平滑、穩(wěn)定，符合織針驅(qū)動的設(shè)計需求。

通過控制系統(tǒng)對管式直驅(qū)織針織針進(jìn)行驅(qū)動測量，得到如圖14所示的速度變化波形，其中橫軸為采樣次數(shù)，縱軸為速度。由圖可以看出織針剛開始加速或減速時會有一段震蕩，隨后速度波動會逐漸趨于平緩，最終織針以恒定的速度運(yùn)行，說明系統(tǒng)具有良好的控制穩(wěn)定性，能夠依據(jù)調(diào)速指令快速響應(yīng)改變電磁線圈電流，完成織針?biāo)俣日{(diào)節(jié)。

6結(jié)論

本文首先對管式電磁直驅(qū)織針原理及結(jié)構(gòu)進(jìn)行講解說明，并分析了針織機(jī)編織過程中織針的運(yùn)行軌跡，在此基礎(chǔ)上設(shè)計了基于STM32F446RET6和DRV8301的管式電磁直驅(qū)織針控制系統(tǒng)。通過系統(tǒng)模型仿真與實(shí)物實(shí)驗(yàn)測試，證明了該控制系統(tǒng)設(shè)計具備較高的可行性，為管式電磁直驅(qū)織針控制提供了研究基礎(chǔ)。

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Abstract：Inodertocheereliableotroloftheovelubularelectromageticirectdriedle，tispaperasedotrouhaly sisof itstructureandworkingpriciplesdsigsaedledrivingcontrolsystewithS32F446RET6asthemaincontrolchip.Simlinkisutilizedtostablshandsimulatecontrolmodels.Resultsindicatethattesytemehibitsgoodcontrolperformanceandnmeet complexcontrolequiremets.Experimentalvaliationithysicalprototyesdemonsratestatteontrolercandrivethbularele tromagneticdiectdienedequicklyndtablyievigteexpetedresults.Tsprovsteigeasibilityoftedesignd provides technical reference for subsequent research in related fields.

Key words： knitting machine; electromagnetic direct drive; needle control; simulink simulation

（責(zé)任編輯：孫婷）