無縫內(nèi)衣機分布式氣閥組驅(qū)動控制單元設(shè)計

彭來湖， 萬中魁， 胡旭東， 向 忠， 楊亮亮

(1. 浙江理工大學(xué) 現(xiàn)代紡織裝備技術(shù)教育部工程研究中心， 杭州 浙江 310018；2. 浙江理工大學(xué) 浙江省現(xiàn)代紡織裝備技術(shù)重點實驗室， 杭州 浙江 310018)

無縫內(nèi)衣機分布式氣閥組驅(qū)動控制單元設(shè)計

彭來湖1,2， 萬中魁1,2， 胡旭東1,2， 向 忠1,2， 楊亮亮1,2

(1. 浙江理工大學(xué) 現(xiàn)代紡織裝備技術(shù)教育部工程研究中心， 杭州 浙江 310018；2. 浙江理工大學(xué) 浙江省現(xiàn)代紡織裝備技術(shù)重點實驗室， 杭州 浙江 310018)

針對內(nèi)衣機氣閥驅(qū)動路數(shù)繁多、空間布局分散的特點，歸納分析不同空間位置氣閥的功能和性能要求，提出一種基于RS485總線通信的分布式驅(qū)動控制設(shè)計方案。根據(jù)控制單元分布式結(jié)構(gòu)，構(gòu)建了總體設(shè)計架構(gòu)，論述了驅(qū)動控制單元硬件電路設(shè)計與軟件開發(fā)，并根據(jù)控制指令傳輸需求，擬定了通信協(xié)議。為降低氣閥功耗，提高動作準(zhǔn)確率，驅(qū)動方式采取脈沖寬度調(diào)制(PWM)保持的方式，通過深入研究PWM各參數(shù)對通過氣閥線圈電流的影響，在不同頻率值和占空比下測量氣閥線圈電流，結(jié)合實際打動情況選擇最合適的參數(shù)。測試結(jié)果表明，該方案穩(wěn)定可靠，氣閥工作效率高，滿足無縫內(nèi)衣機的控制要求。

無縫內(nèi)衣機；氣閥； 分布式驅(qū)動控制； 頻率； 占空比

無縫內(nèi)衣機中，三角、梭子、哈夫針、夾子、剪刀[1]等執(zhí)行機構(gòu)都是通過氣閥驅(qū)動的，種類繁多，空間布局分散。所選用氣閥大都為電磁氣閥，氣閥內(nèi)部線圈電流的大小是影響氣閥溫度的關(guān)鍵因素。國產(chǎn)的控制器與進口控制器相比，擴展性和抗干擾性不強，控制線路復(fù)雜，且通過氣閥線圈電流普遍較高，導(dǎo)致氣閥溫度很高，影響工作特性。

通過深入研究RS485總線的特性，根據(jù)無縫內(nèi)衣機編織工藝的控制要求，提出一種無縫內(nèi)衣機氣閥組分布式驅(qū)動控制方法。對氣閥驅(qū)動的執(zhí)行機構(gòu)采用分類處理，通過多路多節(jié)點的通信方式，提高系統(tǒng)的實時性和穩(wěn)定性。采用脈沖寬度調(diào)制(PWM)保持的方式減小氣閥工作電流[2]，降低功耗，提高動作準(zhǔn)確率，延長氣閥使用壽命。

1 驅(qū)動控制單元分布式結(jié)構(gòu)概述

無縫內(nèi)衣機種類很多，本文設(shè)計以8路單針筒無縫針織內(nèi)衣圓機為例進行闡述。在8路單針筒無縫針織內(nèi)衣圓機中，靠氣閥驅(qū)動的執(zhí)行機構(gòu)共232個，根據(jù)分布位置，大致分為2大類，梭子氣閥和其他氣閥，如圖1所示。梭子氣閥位于機器的八路梭子機構(gòu)后面，每路裝有15個氣閥，共120個，其他氣閥位于機器后面，成組排列，共112個，每組8個，分為14組。

本文設(shè)計采用分層結(jié)構(gòu)控制，如圖2所示。分為主控制層和執(zhí)行層，總體架構(gòu)為2路RS485總線架構(gòu)，主控制層選用ST公司的ARM芯片STM32F407，執(zhí)行層選用ST公司的ARM芯片STM32F103C8T6。

根據(jù)無縫內(nèi)衣機編織工藝要求，綜合考慮方案成本、芯片IO口數(shù)目與驅(qū)動能力，決定通過1塊氣閥驅(qū)動板驅(qū)動24個電磁氣閥。選取主控芯片中的UART1和UART2作為氣閥控制單元的通信口，采用串行通信的方式，每條總線上最多串聯(lián)8個節(jié)點。對于梭子氣閥而言，每路梭子氣閥使用1塊氣閥驅(qū)動板控制，共需8塊驅(qū)動板；對于其他氣閥而言，由于電磁閥分布集中，且為成組排列，氣閥驅(qū)動板每塊最多控制3組氣閥，共需5塊驅(qū)動板。

2 驅(qū)動控制單元硬件設(shè)計

2.1 核心控制模塊電路設(shè)計

驅(qū)動控制單元的電路如圖3所示。圖中AD1～AD4為氣閥驅(qū)動板地址線，一條支路上最多驅(qū)動16塊氣閥板；BOOT0和BOOT1為芯片啟動模式選擇線，將BOOT0置“0”、BOOT1置“1”選擇從用戶閃存啟動[3]；OSC接外部晶振，為芯片提供穩(wěn)定的時鐘；DE、REB、485RXD和485TXD為通信信號；valve1～valve24為輸出信號，驅(qū)動24個氣閥。

2.2 氣閥開關(guān)電路設(shè)計

無縫內(nèi)衣機中所使用的氣閥為電磁閥，電磁閥的工作特性是當(dāng)需要磁鐵吸合時，在線圈上通過額定電流，使磁鐵吸合。吸合后，磁路中氣隙減小，磁阻降低，僅需較小電流即可維持吸合狀態(tài)[4]。所以控制時先高壓打開一段時間，使磁鐵吸合，打開氣閥，再通過PWM保持的方式維持打開狀態(tài)。

氣閥開關(guān)電路如圖4所示。電路采用ULN2804A作為驅(qū)動芯片，ULN2804A為8路達林頓管陣列，最大輸出電流為500 mA，最大輸出電壓為50 V，打開關(guān)閉最大延時時間為 1 μs。采用光耦對控制芯片和驅(qū)動芯片進行電氣隔離，增強抗干擾能力，型號為TLP185。IN為信號輸入端，連接ARM芯片STM32F103的IO口。根據(jù)用戶手冊可知，ULN2804A內(nèi)部為2個NPN型三極管，根據(jù)IN端的輸入狀態(tài)、輸出高壓或低壓來切換氣閥的開關(guān)狀態(tài)。當(dāng)IN輸入高電平時，內(nèi)部三極管工作在截止區(qū)[5]，電磁氣閥關(guān)閉；反之，電磁氣閥打開。每塊驅(qū)動芯片能驅(qū)動8個電磁氣閥，則氣閥板上的24個氣閥剛好需要3塊驅(qū)動芯片。

2.3 通信接口電路設(shè)計

通信接口電路如圖5所示。采用RS485總線實現(xiàn)數(shù)據(jù)傳輸，電路采用全雙工模式[6]，選用

SP491E作為總線收發(fā)器。SP491E是一個低功耗差分收發(fā)器，數(shù)據(jù)傳輸速率高達10 Mbps。使用SP491E能夠提高傳輸速度和抗干擾能力，且通過切換收發(fā)器的工作狀態(tài)，在多節(jié)點傳輸時減少對總線的干擾，增強通信的可靠性。為滿足通信的高速性，通信信號傳輸過程中采用光耦隔離，型號為FODM611。FODM611具有高抗擾度，且傳輸延時不超過100 ns。在光耦兩端的傳輸線上加濾波電容，保證數(shù)據(jù)傳輸?shù)臏?zhǔn)確性；在總線末端差分線正負極之間加入終端電阻，消除通信電纜中的信號反射，使收發(fā)器和電纜之間阻抗相匹配[7]。

3 控制單元軟件開發(fā)

3.1 通信協(xié)議制定

3.1.1 RS485總線通信協(xié)議制定

RS485總線通信采用數(shù)據(jù)包的形式進行傳遞，由于氣閥各種控制指令的數(shù)據(jù)包字節(jié)數(shù)不同，制定不同幀包字節(jié)總數(shù)通信協(xié)議，如表1所示。協(xié)議共包括7種命令，分別為起始幀、幀包字節(jié)數(shù)、功能指令、地址編號、參數(shù)、CRC(循環(huán)冗余校驗)校驗碼[8]和結(jié)束幀組成。起始幀標(biāo)志著一包數(shù)據(jù)的開始；幀包字節(jié)數(shù)為本次數(shù)據(jù)包的字節(jié)總數(shù)；功能指令包含此次數(shù)據(jù)包的功能信息；地址編號表示本次信息的接收對象；參數(shù)1～n表示此次數(shù)據(jù)包中的動作指令；CRC校驗碼是由主控制層根據(jù)當(dāng)前數(shù)據(jù)包計算出的32位校驗碼，分為4個字節(jié)[9]。當(dāng)執(zhí)行層接收到數(shù)據(jù)時，對包中數(shù)據(jù)進行CRC校驗，減少數(shù)據(jù)接收錯誤率；結(jié)束幀標(biāo)志著本次數(shù)據(jù)包的結(jié)束。

表1 RS485總線通信協(xié)議Tab.1 Communication protocol of RS485 bus

3.1.2 控制指令協(xié)議制定

指令傳輸時，共包括5種控制指令，如圖6所示，分別是氣閥測試、氣閥動作、功能配置、數(shù)據(jù)反饋和程序升級。氣閥測試包括單個氣閥測試、單路氣閥測試、氣閥老化測試和氣閥循環(huán)測試，測試每個氣閥是否能夠正常工作；氣閥動作表示根據(jù)具體編織工藝要求，按照主控制層發(fā)送的動作指令，進行協(xié)調(diào)有序的動作；功能配置包括參數(shù)配置和安全檢查，參數(shù)配置指調(diào)節(jié)氣閥動作時的PWM占空比和頻率；安全檢查指令相當(dāng)于系統(tǒng)上電后的“問候語”，確認執(zhí)行層是否準(zhǔn)備就緒；數(shù)據(jù)反饋中主要是由執(zhí)行層向主控制層反饋報警信息、PWM參數(shù)配置完成信息和安全檢查完成信息；程序升級是用來傳輸氣閥驅(qū)動板的升級程序。

3.2 控制指令解析程序開發(fā)

執(zhí)行層的程序流程圖如圖7所示，程序采用中斷方式接收數(shù)據(jù)，進入中斷后，對數(shù)據(jù)進行解析。如果解析為氣閥動作指令，對動作指令與當(dāng)前氣閥狀態(tài)進行比較，如果動作指令相同，則按照設(shè)定好的PWM占空比進行PWM保持；如果動作指令不相同，動作指令為“1”→“0”，氣閥從關(guān)閉到打開，則先維持氣閥高壓打開狀態(tài)100 ms，再進行PWM保持打開狀態(tài)；若動作指令為“0”→“1”，則直接置“1”關(guān)閉氣閥即可。

4 測 試

4.1 數(shù)據(jù)傳輸測試

數(shù)據(jù)傳輸測試通過示波器采集數(shù)據(jù)波形的方法，RS485總線數(shù)據(jù)傳輸波形如圖8所示。設(shè)定波特率為1 Mb/s，傳輸數(shù)據(jù)為13個字節(jié)的氣閥動作指令0xAA、0xAA、0x0C、0xA1、0x01、0x05、0x01、0xFD、0xB7、0xCA、0x98、0xFF、0xFF。由圖可知，每1位的時間為1 μs，滿足所設(shè)定波特率。所測波形為差分波形，正極電平4.2 V，負極電平-4.2 V，滿足RS485總線電氣特性[10]。

4.2 氣閥動作測試

氣閥動作測試主要是在不超過氣閥額定功率的前提下，通過調(diào)節(jié)PWM保持的頻率值和占空比，使氣閥打開時，無縫內(nèi)衣機上的執(zhí)行機構(gòu)能維持動作狀態(tài)。PWM的頻率能夠影響氣閥線圈的電流波動和電路電磁干擾，合適的頻率值能有效減小電流波動和電磁干擾；PWM占空比決定了保持電流大小，需要確保保持電流在氣閥額定電流以內(nèi)。不同頻率和占空比下電流值的測試結(jié)果如表2所示。

根據(jù)無縫內(nèi)衣機上氣閥的參數(shù)，額定功率為1.3 W，由24 V直流供電，則通過計算可知氣閥工作時的工作電流I<1.3/(24-0.7)≈0.055 8 A。但是，電流太小會導(dǎo)致電磁氣閥無法維持執(zhí)行機構(gòu)打開狀態(tài)。通過對比表中數(shù)據(jù)，選取PWM頻率為1 000 Hz，占空比為70%，此時電流為0.045 A。

經(jīng)過上機測試，在此參數(shù)下，所有氣閥均能帶動執(zhí)行機構(gòu)動作。

表2 不同頻率和占空比下的氣閥線圈電流值Tab.2 Current value through coil of air valve at different frequency and duty cycle

5 結(jié) 語

無縫內(nèi)衣機氣閥組分布式驅(qū)動控制單元設(shè)計，對復(fù)雜多樣、空間布局分散的氣閥驅(qū)動機構(gòu)進行分類處理，分路控制，大大減少了線路的復(fù)雜程度，每條支路采用多節(jié)點串行連接，保證了通信的穩(wěn)定性和可靠性，提高了通信速度和擴展能力。采用PWM保持的方式減小通過氣閥線圈的電流，降低了功率消耗，提高了執(zhí)行機構(gòu)動作準(zhǔn)確率，延長了氣閥使用壽命。

FZXB

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Distributed drive control unit design of air valvegroup on underwear machine

PENG Laihu1,2， WAN Zhongkui1,2， HU Xudong1,2， XIANG Zhong1,2， YANG Liangliang1,2

(1.TheCenterforEngineeringTechnologyofModernTextileMachinery&TechnologyofMinistryofEducation,ZhejiangSci-TechUniversity,Hangzhou,Zhejiang310018,China; 2.KeyLaboratoryofModernTextileMachinery&TechnologyofZhejiangProvince,ZhejiangSci-TechUniversity,Hangzhou,Zhejiang310018,China)

The air valves of underwear machine are various and scattered. After analyzing and classifying the function and performance requirement of the valves in different locations, a kind of distributed drive solution based on RS485 bus is put forward. According to distributed structure of control unit, total design framework is built and the paper introduces the hardware circuit design, the software development and communication protocol which is formulated on the basis of control commands transmission requirements are discussed. In order to reduce the power and enhance the operating accuracy, pulse width modulation(PWM) mode is used as the drive mode. The current at different parameters (frequency and duty cycle) is measured, and in combination with the real movement, the most suitable parameters are selected. The results indicated that the solution is stable and reliable, and the valve has work efficiently, satisfying the control demand on the seamless underwear machine.

seamless under wear machine; air valve; distribution drive control; frequency; duty cycle

2015-09-08

2016-03-25

國家科技支撐計劃項目(2013BAF05B00；2014BAF06B03)；國家自然科學(xué)基金資助項目(51305404)

彭來湖(1980—)，男，講師，博士生。主要研究方向為針織裝備控制技術(shù)。E-mail：laihup@zstu.edu.cn。

10.13475/j.fzxb.20150902005

TS 103.7

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