基于ATmega16的抽氣式轉(zhuǎn)杯紡紗機控制系統(tǒng)改造

郭英桂，張永平，段小麗

（晉中學院機械學院，山西晉中030619）

（編輯 申嫣平）

0 引言

自排風式轉(zhuǎn)杯紡紗機于上世紀80年代初由捷克引入我國，轉(zhuǎn)杯紡紗機的工作原理是對分梳后的棉纖維通過高速旋轉(zhuǎn)的紡杯加捻形成紗線，并在加捻過程中利用高速旋轉(zhuǎn)分離出雜質(zhì).由于轉(zhuǎn)杯紡紗機可以直接將并條后的熟條紡制成紗線，無需經(jīng)過粗紗加工工序，因而生產(chǎn)效率也較高.近幾年開發(fā)的抽氣式轉(zhuǎn)杯紡紗機與自排風式轉(zhuǎn)杯紡紗機比較具有以下特點：其一是紡杯無排風孔，因而也就沒有排風孔短絨、雜質(zhì)、灰塵的積聚，如圖1所示；其二是在充分保證紗線捻度不變的前提下，通過提高紡杯轉(zhuǎn)速和喂棉速度，進而提高紗線品質(zhì)，如圖2所示，從而也提高了生產(chǎn)效率，降低了噸紗成本，更具市場競爭力；其三是伴隨引紗速度的提高，同時也帶來排雜負壓控制問題.抽氣式轉(zhuǎn)杯紡紗機采用PLC實現(xiàn)電氣控制，其所有功能需要擴展眾多的各類PLC模塊來實現(xiàn).基于ATmega16單片機的整車單錠生頭、計長的電氣控制系統(tǒng)改造，克服僅由PLC控制時，控制線路連線多且復(fù)雜的弊端，并且可以降低控制成本.

圖1 轉(zhuǎn)杯內(nèi)集塵量與時間的關(guān)系

圖2 成紗質(zhì)量與時間的關(guān)系

1 拖動系統(tǒng)

圖3 F1605型抽氣式轉(zhuǎn)杯紡紗機的主電路控制圖

F1605型抽氣式轉(zhuǎn)杯紡紗機拖動系統(tǒng)主電路控制如圖3所示.其中左右轉(zhuǎn)杯由兩臺雙速△/YY電機M1和M2驅(qū)動，接觸器KM2或KM5閉合時為△接法，低速；接觸器KM1和KM3或KM4和KM6同時閉合時為YY接法，高速，電機功率11 kW，△/YY控制接線如圖4所示.左右分梳輥驅(qū)動電機為M3和M4，電機功率11 kW.引紗裝置的驅(qū)動電機M5，電機功率4 kW.喂棉裝置驅(qū)動電機M6，電機功率1.1 kW.抽氣風扇的驅(qū)動電機M7，電機功率0.55 kW.其中，M5、M6、M7三臺電機實現(xiàn)變頻調(diào)速控制.排雜電機M8，電機功率4 kW.所有電機控制數(shù)據(jù)通過人機界面（HMI）連接的PLC進行單元通訊控制，電機的開停機及運行狀態(tài)由控制單元控制，或可以根據(jù)預(yù)置的參數(shù)經(jīng)計算后發(fā)送到變頻器實現(xiàn)自動運轉(zhuǎn)，并通過控制單元的測量顯示出當前機床運轉(zhuǎn)的相關(guān)參數(shù)值，同時還可完成一些基本的工藝計算，也可以進行工藝參數(shù)的修改并進行理論產(chǎn)量等數(shù)據(jù)的計算.這樣實現(xiàn)了工藝參數(shù)的自動計算和電機轉(zhuǎn)速的自動調(diào)節(jié)，從而省去了停機更換工藝齒輪等工序，提高了設(shè)備運行的可靠性和生產(chǎn)效率.

圖4 雙速異步電動機三相定子繞組△/YY連線圖

2 控制系統(tǒng)

2.1 ATmega16單片機

基于增強的AVR RISC結(jié)構(gòu)的ATmega16單片機是一種8位CMOS的低功耗微控制器件，ATmega16單片機共有32個可編程輸入、輸出的I/O接口，具有比較模式的定時器/計數(shù)器（T/C）單元，以及先進的運行指令集和單時鐘周期指令執(zhí)行時間.微控制器的數(shù)據(jù)吞吐率高，能較好地解決系統(tǒng)在功率損耗和數(shù)據(jù)處理速度之間的矛盾.ATmega16的AVR內(nèi)核具有32個通用工作寄存器，直接與運算邏輯單元（ALU）相連接，并通過485通訊接口與主控PLC連接，實現(xiàn)數(shù)據(jù)的接收和發(fā)送.基于功能強大的ATmega16單片機的F1605型抽氣式轉(zhuǎn)杯紡紗機控制系統(tǒng)改造，可以節(jié)省各類PLC模塊控制，簡化控制線路，降低控制成本.

2.2 ATmega16單片機控制系統(tǒng)

ATmega16單片機控制系統(tǒng)電路框圖如圖5所示，控制系統(tǒng)每塊擴展CPU連接12錠紡紗器，完成抽氣

圖5 ATmega16單片機控制系統(tǒng)框圖

式轉(zhuǎn)杯紡紗機的斷頭檢測、生頭控制和單錠計長等工作，同時與主控PLC通過485通訊電路進行數(shù)據(jù)的接收與發(fā)送，協(xié)助主PLC完成設(shè)備的集中控制及整車數(shù)據(jù)采集.

2.2.1信號的采集

由ATmega16單片機實現(xiàn)的控制系統(tǒng)，紡紗機共需要采集6種轉(zhuǎn)速信號，即左右紡杯速度信號、左右分梳輥速度信號、引紗信號和喂棉信號.相對于引紗信號和喂棉信號來講，左右紡杯信號和左右分梳輥信號的頻率較高，為200 Hz左右，其速度檢測可選用霍爾傳感器.工作時霍爾芯片的電壓不允許超過電源電壓，其開關(guān)均為集電極開路與非門（OC門）輸出，負載RL接在芯片IC的1、3輸出端，如圖6（a）所示，根據(jù)負載工作電流的大小決定RL的取值.霍爾芯片的磁感應(yīng)強度在高、低溫下均會產(chǎn)生一定漂移，當溫度變化在±60℃范圍內(nèi)，磁感應(yīng)強度的溫漂最高值在30GS（1T=104GS）上下.因此，作用于芯片表面的磁感應(yīng)強度應(yīng)高于實際BH-L約50 GS左右，設(shè)計應(yīng)給出一定的磁靈敏度余量，以抵消溫漂的影響，芯片與磁鋼的安裝位置如圖 6（b）所示.

圖6 霍爾傳感器芯片電路

紗線工作狀態(tài)的檢測采用探紗傳感器.探紗傳感器是一種光電檢測傳感器，其原理如圖7所示.抽氣式轉(zhuǎn)杯紡紗機的喂棉速度較高，若發(fā)生斷紗時需要及時停止喂棉，以防高速的喂棉造成紡杯內(nèi)積聚的棉條過多，長時間可能燒壞紡杯.探紗傳感器的工作是利用對射光電原理，在探紗傳感器的對射管區(qū)域內(nèi)有紗線在往復(fù)擺動時，就形成特定頻率的光電脈沖式信號波，表明此時紗線工作狀態(tài)正常.當出現(xiàn)無紗、斷紗現(xiàn)象，或者有飛花及其他異物遮擋光電時，則無法產(chǎn)生特定頻率的光電脈沖式信號波，則探紗器向CPU發(fā)出報警信號，并停止繼續(xù)喂棉.

2.2.2管道負壓控制

圖7 探紗傳感器原理框圖

圖8 空氣管道內(nèi)的負壓閉環(huán)控制

因抽氣式轉(zhuǎn)杯紡紗機的轉(zhuǎn)速提高后帶來排雜負壓問題，即空氣管道內(nèi)為負壓值，ATmega16單片機控制系統(tǒng)改造的核心之一是解決負壓控制技術(shù).根據(jù)工藝要求和原棉質(zhì)量、紡紗支數(shù)的不同，抽氣式轉(zhuǎn)杯紡紗機的負壓值控制在4 000～8 000 Pa之間較為理想，因此可在管道內(nèi)裝設(shè)一個量程范圍為100～10 000 Pa的負壓傳感器，相應(yīng)的輸出信號電流為4～20 mA.負壓風機通過變頻器拖動，控制器根據(jù)負壓傳感器經(jīng)變送器反饋的電流信號值（對應(yīng)實際壓力值），經(jīng)與給定的電流值（對應(yīng)設(shè)定壓力值）比較后，通過PID控制器運算后輸出的電壓控制變頻器當前的運行頻率，實現(xiàn)管道內(nèi)的空氣負壓值趨于設(shè)定值.管道負壓閉環(huán)控制如圖8所示.

PID控制器由比例單元（P）、積分單元（I）和微分單元（D）組成，使用中不需精確的系統(tǒng)模型，是目前應(yīng)用最為廣泛的工業(yè)控制器.PID控制中，增大比例系數(shù)P可提高系統(tǒng)的響應(yīng)速度，減小輸出值的時間，但無法使輸出穩(wěn)定于一個理想的數(shù)值，非理想的數(shù)值雖能夠有效地克服擾動的影響，卻會有余差出現(xiàn).比例系數(shù)也不可過大，否則會使系統(tǒng)出現(xiàn)比較大的超調(diào)量，并伴隨振蕩的產(chǎn)生，使系統(tǒng)的穩(wěn)定性變差.積分的作用是消除在比例運算中出現(xiàn)的余差.在系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)后的累積誤差，它能夠進行誤差修復(fù)，從而有效地減小穩(wěn)態(tài)誤差.微分具有超前的控制作用，在引入微分參與的控制系統(tǒng)，對于容量滯后的管道負壓控制通道，只要設(shè)置合適的微分項，就能夠顯著提高系統(tǒng)的動態(tài)性能指標，減小系統(tǒng)的超調(diào)量，從而減小動態(tài)誤差，增加系統(tǒng)的穩(wěn)定性.可見自動控制的關(guān)鍵是，在三個單元做出正確的測量和比較后，能更好地糾正系統(tǒng)，提高控制的精確度.

PID控制器的輸入e（t）與輸出u（t）之間的關(guān)系為：

由式（2）可知，應(yīng)用PID控制器需設(shè)定三個參數(shù)Kp、Ki和Kd，三個參數(shù)的整定是控制系統(tǒng)設(shè)計的核心內(nèi)容，通常根據(jù)被控過程的特性，確定PID控制器的比例系數(shù)、積分時間和微分時間的大小.目前PID控制器參數(shù)整定的方法主要有兩種：一是理論計算整定法.此方法是控制器參數(shù)值根據(jù)系統(tǒng)的數(shù)學模型，經(jīng)過理論計算獲得.這種方法的缺點是理論計算的參數(shù)值必須通過工程實際進行調(diào)整和修改后才可以使用，否則，影響控制精度；二是工程整定法.此方法在實際工程應(yīng)用中又可分為臨界比例法、反應(yīng)曲線法和衰減法等三種，其特點是通過試驗，按照工程經(jīng)驗公式對控制器參數(shù)進行整定.該類方法的優(yōu)點是因依靠實際工程在控制系統(tǒng)的試驗中進行，直接、簡單，且易于掌握，因而在工程實際中被廣泛應(yīng)用.但在實際的控制系統(tǒng)設(shè)計中，無論采用哪一種方法所獲得的控制器參數(shù)，都需要在實際運行應(yīng)用時進行最后調(diào)整與完善，提高控制精度.本文采用工程整定法中的臨界比例法實現(xiàn)PID控制器參數(shù)的整定，步驟如下：首先可以通過預(yù)選擇一個盡量短的采樣周期，使系統(tǒng)處于工作狀態(tài)；其次僅對系統(tǒng)加入比例控制環(huán)節(jié)，當輸入的階躍響應(yīng)在系統(tǒng)中出現(xiàn)臨界振蕩時，記錄下此時刻的比例放大系數(shù)和臨界振蕩周期兩個參數(shù)值，最后通過公式計算得到在一定控制度下的PID控制器的參數(shù)Kp、Ki和Kd值.在實際的控制調(diào)試及操作中，可先設(shè)定一個經(jīng)驗值，對于溫度系統(tǒng)：P（%）值為 20～60，I（分）值為 3～10，D（分）值為 0.5～3；對于流量系統(tǒng)：P（%）值為 40～100，I（分）值為0.1～1；對于壓力系統(tǒng)：P（%）值為30～70，（I分）值為0.4～3，最后根據(jù)調(diào)節(jié)效果進行適當?shù)男拚?

2.2.3工藝參數(shù)的測量與計算

抽氣轉(zhuǎn)杯紡紗機需要測量的參數(shù)有：左右紡杯轉(zhuǎn)數(shù)、左右分梳輥轉(zhuǎn)數(shù)、引紗速度、喂棉速度.需要計算的參數(shù)有：紗線牽引倍數(shù)、紗線捻度、細紗號數(shù).其計算公式為：紗線牽引倍數(shù)=引紗速度/喂棉速度；紗線捻度=紡杯轉(zhuǎn)數(shù)/引紗速度；細紗號數(shù)=粗紗號數(shù)/牽伸倍數(shù).

工藝參數(shù)的測量值在一定時間內(nèi)不會發(fā)生幅度較大的變化，是一個比較穩(wěn)定的值.在抽氣轉(zhuǎn)杯紡紗機需要測量的幾個轉(zhuǎn)速中，有的脈沖信號頻率較高，如紡杯和分梳輥速度的頻率信號能達到150 Hz左右；有的脈沖信號頻率則比較低，如喂棉速度的頻率信號僅有0.5～1 Hz左右.因而為了提高測量的準確度，同時又能減小占用CPU時間，設(shè)計時可選用一個10秒的定時器中斷，實現(xiàn)每10秒即檢測一次脈沖數(shù)，在完成一次計算后并刷新，同時顯示計算結(jié)果.通過上述設(shè)計實現(xiàn)減小占用CPU的時間，使操作者能夠適時看到設(shè)備實際運行的工作狀態(tài).

3 抗干擾技術(shù)分析

抽氣式轉(zhuǎn)杯紡紗機工作時會受到來自環(huán)境的信號干擾，比如，較大功率電機在起停工作時所產(chǎn)生的電磁波干擾，變流設(shè)備如變頻器等產(chǎn)生的高頻電磁波信號干擾等.電磁干擾信號，一是可以通過各種連接線路的輸入、輸出端侵入微機系統(tǒng)；二是可以通過場的形式，以靜電感應(yīng)、電磁感應(yīng)等方式從空間侵入微機系統(tǒng).干擾信號的存在，輕則會造成單片機控制系統(tǒng)無法穩(wěn)定工作，重則會使單片機控制系統(tǒng)處于癱瘓狀態(tài).因此，基于ATmega16單片機的抽氣式轉(zhuǎn)杯紡紗機控制系統(tǒng)的抗干擾設(shè)計就顯得十分重要.

電磁干擾信號對單片機而言可分為串模干擾信號和共模干擾信號兩類，抽氣式轉(zhuǎn)杯紡紗機的單片機控制系統(tǒng)的抗干擾設(shè)計從硬件和軟件兩個方面采取針對性的措施.

串模干擾信號是一種疊加在各種輸入和輸出線路上的不平衡信號，因此它的侵入方式大多是通過供電線路竄入控制系統(tǒng).硬件方面的抗干擾措施有：（1）采用抗干擾穩(wěn)壓電源，降低由電源設(shè)備引入的干擾信號.（2）采用光電隔離實現(xiàn)信號傳輸.在輸入輸出通道中，對于數(shù)字信號的傳輸，可利用光電耦合電路，將微機控制系統(tǒng)與各種開關(guān)執(zhí)行機構(gòu)和傳感器從電氣線路中隔離出來，則能夠有效阻擋絕大部分的串模干擾信號；對于模擬量信號的傳輸，則適合使用線性光耦傳輸.（3）采用硬件濾波電路.將獨石電容式瓷片電容連接在大型芯片的供電端，實現(xiàn)輸入端高頻濾波，可有效削減諸如呈毛刺狀的各類高頻干擾信號，提高電路的抗干擾能力.但硬件濾波線路的缺點是體積較大，成本也相對較高.（4）采用過電壓保護電路.在沒有設(shè)置光隔離的電路中，為防止高電壓的侵入，可采用過電壓保護電路，以使微機控制系統(tǒng)免遭高電壓的侵害.軟件方面的抗干擾的措施有：（1）采用數(shù)字濾波來削減各類高頻干擾信號.軟件濾波比硬件濾波的效果差，但可克服硬件濾波電路體積大、成本高的缺點.抽氣式轉(zhuǎn)杯紡紗機的單片機控制系統(tǒng)根據(jù)電路的結(jié)構(gòu)和特點，兩種濾波進行綜合應(yīng)用，效果較為理想.（2）采用負邏輯傳輸數(shù)字信號.我們知道，當干擾源作用于呈高阻狀態(tài)的線路時，容易形成幅度較大的干擾信號，而對于呈低阻狀態(tài)的線路，則其影響要相對小得多.在數(shù)字系統(tǒng)中，輸出為低電平比輸出為高電平的內(nèi)阻要小一些，因此在電路設(shè)計時，采用負邏輯輸出更有利于抑制干擾信號，提高數(shù)字信號傳輸?shù)目煽啃?（3）采用集中輸出信號的方式.對輸出信號在每個掃描周期內(nèi)均進行有效輸出處理，可以避免干擾信號對實際輸出信號產(chǎn)生的影響.

共模干擾信號是一種平衡輸入信號.抗共模干擾信號的硬件方面措施：一是對系統(tǒng)采取有效的屏蔽方法，二是可采用良好的接地系統(tǒng).軟件方面的抗干擾措施有：（1）軟件設(shè)計時縮短重復(fù)輸出同一數(shù)據(jù)的周期.共模干擾信號的特點是作用時間短，對于數(shù)字信號，若干擾信號作用于系統(tǒng)的輸入輸出I/O通道時，在單片機已經(jīng)給出正確信號后，因共模干擾信號的作用，可能使輸出裝置獲得錯誤的數(shù)據(jù)，從而產(chǎn)生錯誤的輸出信號.若縮短重復(fù)輸出同一數(shù)據(jù)的周期，當外部設(shè)備接受到一個錯誤信息的共模干擾信號后，因錯誤信息還來不及做出有效反應(yīng)，單片機已經(jīng)給出正確的輸出信號，則可以防止系統(tǒng)中錯誤動作的產(chǎn)生.（2）采用中值濾波方式.對于模擬信號、目標參數(shù)經(jīng)連續(xù)進行多次采樣，可選取中間位置的采樣值作為參數(shù)的有效值.因單片機僅接收數(shù)字信號，共模干擾信號作用于有效的模擬信號后，則A/D轉(zhuǎn)換的結(jié)果會偏離真實值，使單片機易于進行識別處理.

采取上述一系列抗干擾技術(shù)措施，提高了ATmega16單片機控制系統(tǒng)的穩(wěn)定性，滿足F1605型抽氣式轉(zhuǎn)杯紡紗機適應(yīng)不同工作環(huán)境的紡紗加工工藝要求.

4 結(jié)語

基于ATmega16單片機與PLC組合的集散控制模式，在單片機信號采集和傳輸中根據(jù)現(xiàn)場實際情況采用多種濾波方式、隔離方式等措施，系統(tǒng)抗干擾能力強，提高了控制系統(tǒng)的穩(wěn)定性，并且克服了僅由PLC控制時系統(tǒng)連線多且亂的弊端，在一塊主板上集成了所需要的全部功能，不需要擴展眾多的各類PLC模塊，同時降低了控制成本.在F1605型抽氣式轉(zhuǎn)杯紡紗機中，應(yīng)用ATmega16單片機實現(xiàn)的控制系統(tǒng)改造能夠滿足紡紗加工工藝的要求，同時為其他產(chǎn)品的應(yīng)用開辟新的途徑.

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