圓緯機(jī)主動(dòng)式送紗控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

吳英剛,彭來(lái)湖,胡旭東

(浙江理工大學(xué) 浙江省現(xiàn)代紡織裝備技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，浙江 杭州 310018)

紗線輸送是圓緯機(jī)編織過(guò)程中的重要環(huán)節(jié)，紗線輸送的速度和平穩(wěn)性對(duì)織物的質(zhì)量和編織的產(chǎn)品類型有很大影響.紗線輸送時(shí)若張力波動(dòng)過(guò)大，紗線就會(huì)因超出伸長(zhǎng)范圍而斷紗[1]，產(chǎn)生織物上線圈大小不均勻、表面不平整、多橫條等現(xiàn)象.由于圓緯機(jī)編織時(shí)織物直徑的多變性和品種的多樣性，且線圈長(zhǎng)度主要取決于送紗速度[2]，因此送紗速度需要根據(jù)編織要求進(jìn)行調(diào)節(jié)，各成圈系統(tǒng)的紗線速度要一致[3].目前生產(chǎn)中以消極式送紗和采用主軸間接驅(qū)動(dòng)的積極式送紗方式為主.消極式送紗的紗線張力波動(dòng)較大，且送紗的速度不能任意調(diào)節(jié)；由主軸間接驅(qū)動(dòng)的積極式送紗的紗線張力波動(dòng)較小，但送紗速度的調(diào)節(jié)麻煩，不同的送紗速度需要更換不同直徑的送紗盤.針對(duì)上述兩種送紗方式的不足，本文提出了一種由交流伺服電機(jī)直接驅(qū)動(dòng)的積極式送紗方式，并設(shè)計(jì)了圓緯機(jī)主動(dòng)式送紗控制系統(tǒng).該系統(tǒng)以RAM(Random Access Memory)為控制器的核心，集編碼器信號(hào)采集、交流伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)、開(kāi)關(guān)量信號(hào)檢測(cè)、人機(jī)交互等模塊于一體，實(shí)現(xiàn)圓緯機(jī)編織時(shí)紗線張力和送紗速度的控制功能.

1 圓緯機(jī)主動(dòng)式送紗控制原理

圓緯機(jī)送紗裝置如圖1所示.紗線從紗筒上牽引下來(lái)，經(jīng)過(guò)輸紗器上的磁性張力環(huán) ，纏繞到輸紗器的繞紗筒上，繞過(guò)輸紗器的斷紗報(bào)警器感應(yīng)桿后，勾在織針的針勾上.所需輸紗器的個(gè)數(shù)由圓緯機(jī)路數(shù)決定.輸紗器靠皮帶傳動(dòng)，其動(dòng)力來(lái)自上帶輪或者下帶輪，具體通過(guò)輸紗器上的調(diào)節(jié)輪來(lái)選擇.上、下帶傳動(dòng)的主動(dòng)輪分別套在兩臺(tái)交流伺服電機(jī)(電機(jī)被固定在圓形支架上)的輸出軸上，由兩臺(tái)伺服電機(jī)來(lái)驅(qū)動(dòng).控制伺服電機(jī)的速度即可調(diào)節(jié)紗線輸送的速度，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)織物線圈任意長(zhǎng)度的調(diào)節(jié)[4].

為了保證紗線張力穩(wěn)定，伺服電機(jī)速度必須與圓緯機(jī)轉(zhuǎn)速同步.因此，在圓緯機(jī)主軸上安裝了增量式編碼器.MCU(Microcontroller Unit)通過(guò)捕獲編碼脈沖，結(jié)合PID(Proportion Integral Derivative)算法來(lái)同步調(diào)整伺服電機(jī)速度，實(shí)現(xiàn)送紗速度的無(wú)極調(diào)節(jié)，并確保送紗的平穩(wěn)和均勻.

圖1 圓緯機(jī)送紗裝置示意圖

2 硬件電路設(shè)計(jì)

2.1 硬件總體設(shè)計(jì)方案

根據(jù)送紗速度和紗線張力的控制要求，本系統(tǒng)采用RAM為控制器核心.RAM可以通過(guò)編程實(shí)現(xiàn)復(fù)雜的算法來(lái)提高控制精度[5-6]，且性價(jià)比高.圖2所示為系統(tǒng)硬件電路的整體框圖.MCU采用意法半導(dǎo)體(ST)公司型號(hào)為STM32F429的RAM芯片，該芯片的主頻高達(dá)180 MHz.編碼器信號(hào)捕獲模塊用來(lái)捕獲編碼器的脈沖信號(hào).伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊為紗線輸送提供動(dòng)力.液晶驅(qū)動(dòng)模塊用于8英寸液晶屏和觸摸屏的控制.開(kāi)關(guān)量信號(hào)檢測(cè)模塊用于斷紗和按鈕信號(hào)檢測(cè).通訊模塊為擴(kuò)展模塊，可實(shí)現(xiàn)送紗控制板與主控系統(tǒng)的通訊.電源模塊為各模塊提供電能.

圖2 系統(tǒng)硬件電路整體框圖

2.2 開(kāi)關(guān)量信號(hào)檢測(cè)電路

為了提高圓緯機(jī)在啟動(dòng)和停止時(shí)紗線輸送的跟隨性能，在控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案中增加了對(duì)啟動(dòng)、停止和點(diǎn)動(dòng)按鈕的檢測(cè)，以確保在圓緯機(jī)啟動(dòng)和停止階段布面的平整光滑.同時(shí)，為了防止紗線拉斷后引起的織物破損，在控制系統(tǒng)中加入了斷紗報(bào)警檢測(cè)功能，使伺服電機(jī)在斷紗報(bào)警時(shí)能及時(shí)停機(jī).系統(tǒng)開(kāi)關(guān)量信號(hào)檢測(cè)電路如圖3所示.當(dāng)按鈕按下或紗線斷掉時(shí)，INPUT端口被拉低，光耦導(dǎo)通，發(fā)光二極管L1點(diǎn)亮，MCU檢測(cè)到OUTPUT端口為低電平后進(jìn)入相應(yīng)中斷指令進(jìn)行處理.該檢測(cè)電路中光耦前端的發(fā)光二極管L1的導(dǎo)通電流一般為5 mA，壓降為1.8 V.根據(jù)歐姆定律可計(jì)算出R8約為4.3 kΩ，取R8=4.7 kΩ，同時(shí)可根據(jù)光耦的CTR(Current Transfer Ratio)系數(shù)計(jì)算出R7.R7約為1.5 kΩ,取R7=2.0 kΩ.

圖3 開(kāi)關(guān)量信號(hào)檢測(cè)電路

2.3 編碼器信號(hào)捕獲電路

控制系統(tǒng)選用增量式編碼器，編碼器隨主軸每轉(zhuǎn)過(guò)一定角度就會(huì)發(fā)出一個(gè)脈沖信號(hào)，包括A相、B相、Z相共三相輸出.A相與B相脈沖相差1/4周期；Z相每圈發(fā)一個(gè)信號(hào)，用來(lái)記錄機(jī)器圈數(shù).MCU的定時(shí)器TIM5具有正交編碼功能，通過(guò)通道1和通道2準(zhǔn)確測(cè)定A相與B相正交編碼脈沖的個(gè)數(shù).

編碼器A相脈沖信號(hào)捕獲電路如圖4所示.將A相的差分脈沖信號(hào)輸入高速光耦的前端，光耦后端的輸出信號(hào)連接定時(shí)器TIM5的通道1.在圖4中，C1和C2為濾波電容，大小均為1 000 pF，用來(lái)濾除雜波；二級(jí)管D1的作用是保護(hù)編碼器；R1和R2為上拉電阻，起限流作用.編碼器B相、Z相脈沖信號(hào)捕獲電路與A相相似，但B相脈沖信號(hào)由定時(shí)器TIM5的通道2捕獲，Z相脈沖信號(hào)由普通IO口的外部中斷捕獲.

圖4 編碼器A相脈沖信號(hào)捕獲電路

2.4 交流伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路

在圓緯機(jī)編織時(shí)，驅(qū)動(dòng)輸紗器的電機(jī)除了速度可以任意調(diào)節(jié)外，還要求速度變化快速且穩(wěn)定.交流伺服電機(jī)不僅速度調(diào)節(jié)方便快捷，而且工作可靠.因此，控制系統(tǒng)選用交流伺服電機(jī)作為輸送器的驅(qū)動(dòng)源.該伺服電機(jī)的驅(qū)動(dòng)電路如圖5所示.MCU控制的脈沖和方向信號(hào)經(jīng)過(guò)雙通道高速光耦，接在四路差分線路驅(qū)動(dòng)器上，從而轉(zhuǎn)化為差分信號(hào)來(lái)控制伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)器，調(diào)節(jié)伺服電機(jī)速度.在一定范圍內(nèi)，MCU發(fā)送脈沖的頻率越高，電機(jī)速度越快[7].

圖5 伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路

3 控制程序設(shè)計(jì)

3.1 控制程序總體設(shè)計(jì)方案

uC/OS-II操作系統(tǒng)是一個(gè)強(qiáng)實(shí)時(shí)性、多任務(wù)的內(nèi)核，它具有任務(wù)管理、任務(wù)同步、通訊機(jī)制及簡(jiǎn)單內(nèi)存管理等功能[8].送紗控制系統(tǒng)對(duì)控制的實(shí)時(shí)性要求較高，因此選用了uC/OS-II操作系統(tǒng).送紗控制系統(tǒng)的任務(wù)主要包括開(kāi)關(guān)量信號(hào)檢測(cè)、編碼器信號(hào)捕獲、伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)和LCD(Liquid Crystal Display)數(shù)據(jù)交互等，各任務(wù)間采用消息郵箱的通訊方式進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸，以高效完成系統(tǒng)控制任務(wù).多任務(wù)交互流程如圖6所示.

圖6 多任務(wù)交互流程

3.2 開(kāi)關(guān)量信號(hào)檢測(cè)程序

開(kāi)關(guān)量信號(hào)檢測(cè)包括對(duì)啟動(dòng)、點(diǎn)動(dòng)、運(yùn)行3個(gè)按鈕以及斷紗報(bào)警的檢測(cè)和處理，其流程如圖7所示.當(dāng)系統(tǒng)檢測(cè)到開(kāi)關(guān)量信號(hào)狀態(tài)改變時(shí)，依次判斷是否為斷紗報(bào)警信號(hào)、急停信號(hào)、點(diǎn)動(dòng)信號(hào)和運(yùn)行信號(hào)，并將判斷結(jié)果以消息郵箱的通信方式發(fā)送給伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)任務(wù)和LCD數(shù)據(jù)交互任務(wù).

圖7 開(kāi)關(guān)量信號(hào)檢測(cè)流程

3.3 編碼器信號(hào)捕獲程序

編碼器信號(hào)捕獲程序用于實(shí)時(shí)捕獲編碼器信號(hào)，確保伺服電機(jī)和圓緯機(jī)具有良好的同步性.為了提高M(jìn)CU的使用效率并增加單塊MCU驅(qū)動(dòng)伺服電機(jī)的個(gè)數(shù)，系統(tǒng)初始化定時(shí)器TIM5每捕獲一個(gè)編碼器脈沖信號(hào)就將消息發(fā)送給伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)程序進(jìn)行處理，同時(shí)發(fā)送給LCD數(shù)據(jù)交互程序進(jìn)行顯示.考慮到圓緯機(jī)速度的提升使相鄰編碼脈沖的時(shí)間間隔越來(lái)越短，定時(shí)器TIM5根據(jù)圓緯機(jī)速度逐步增加到每捕獲2個(gè)、3個(gè)、4個(gè)編碼器脈沖信號(hào)將發(fā)送一次數(shù)據(jù).這樣可提高M(jìn)CU在圓緯機(jī)高速情況下的帶載能力和運(yùn)行效率.

3.4 伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)程序

實(shí)現(xiàn)紗線輸送速度無(wú)極調(diào)節(jié)和同步跟隨圓緯機(jī)速度，是伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)控制的主要任務(wù).伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)流程如圖8所示.在無(wú)斷紗報(bào)警的情況下，若伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)程序收到開(kāi)關(guān)量信號(hào)檢測(cè)程序發(fā)送的運(yùn)行按鈕按下或點(diǎn)動(dòng)按鈕按下的信息，則伺服電機(jī)以設(shè)定的初始速度開(kāi)始轉(zhuǎn)動(dòng)；當(dāng)伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)程序收到編碼器信號(hào)捕獲程序發(fā)送的信息后，根據(jù)LCD數(shù)據(jù)交互程序設(shè)置的速度值，結(jié)合當(dāng)前圓緯機(jī)運(yùn)行速度和PID算法來(lái)調(diào)節(jié)伺服電機(jī)速度.若伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)程序收到開(kāi)關(guān)量信號(hào)檢測(cè)程序發(fā)送的急停按鈕按下或點(diǎn)動(dòng)按鈕松開(kāi)的信息，并且編碼器信號(hào)捕獲程序采集的相鄰兩個(gè)編碼脈沖時(shí)間差大于一定值，則關(guān)停伺服電機(jī).

圖8 伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)流程

3.5 LCD數(shù)據(jù)交互程序

LCD觸摸屏作為人機(jī)界面的輸入設(shè)備已被廣泛應(yīng)用于手持設(shè)備、工業(yè)控制、家電等領(lǐng)域，而且基于ARM處理器的觸摸屏也已成為嵌入式系統(tǒng)的主要部件[9-10].本系統(tǒng)選用8英寸LCD屏實(shí)現(xiàn)伺服電機(jī)參數(shù)的輸入、開(kāi)關(guān)量信號(hào)的顯示，可將設(shè)置的伺服參數(shù)發(fā)送給伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)程序，同時(shí)接收開(kāi)關(guān)量信號(hào)檢測(cè)程序發(fā)送的運(yùn)行狀態(tài)和報(bào)警信息.系統(tǒng)運(yùn)行監(jiān)控界面如圖9所示.

圖9 系統(tǒng)運(yùn)行監(jiān)控界面

4 測(cè) 試

4.1 編碼器信號(hào)捕獲測(cè)試

準(zhǔn)確的編碼器信號(hào)捕獲是系統(tǒng)穩(wěn)定控制的前提，其A相與B相是正交編碼信號(hào).從定時(shí)器TIM5兩個(gè)通道捕獲的編碼脈沖如圖10所示.從圖10可看出，A、B兩相信號(hào)相差1/4周期，信號(hào)平穩(wěn)可靠.

圖10 定時(shí)器TIM5兩個(gè)通道捕獲的編碼脈沖信號(hào)

4.2 伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)測(cè)試

對(duì)紗線輸送速度的無(wú)級(jí)調(diào)節(jié)由伺服電機(jī)來(lái)控制.為了增強(qiáng)伺服電機(jī)控制的抗干擾能力，本系統(tǒng)伺服電機(jī)的速度和方向都采用了差分控制方式.伺服電機(jī)速度差分控制波形如圖11所示.

圖11 伺服電機(jī)速度差分控制波形

伺服電機(jī)速度對(duì)圓緯機(jī)速度應(yīng)有良好的跟隨性能.在人機(jī)界面設(shè)定伺服參數(shù)不變的情況下，當(dāng)圓緯機(jī)速度減小時(shí)，編碼器捕獲單個(gè)脈沖的時(shí)間加長(zhǎng)，MCU發(fā)送給伺服驅(qū)動(dòng)器的脈沖頻率變慢，伺服電機(jī)速度也隨之減小.伺服電機(jī)脈沖跟隨編碼器脈沖信號(hào)變化的波形如圖12所示.在圖12中，上邊(1號(hào)通道)波形為編碼器的A相脈沖；下邊(2號(hào)通道)波形為控制伺服電機(jī)速度的脈沖，其變化規(guī)律符合跟隨要求.

圖12 伺服電機(jī)脈沖跟隨編碼器脈沖信號(hào)變化波形

4.3 裝機(jī)測(cè)試

圖13所示為伺服電機(jī)的現(xiàn)場(chǎng)安裝位置.伺服電機(jī)通過(guò)固定夾具安裝在圓形支架上，輸出軸上安裝的主動(dòng)輪通過(guò)帶傳動(dòng)來(lái)驅(qū)動(dòng)輸紗器輸送紗線.

現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試證明，圓緯機(jī)主動(dòng)式送紗控制系統(tǒng)被安裝使用后，紗線張力平穩(wěn)，紗線輸送速度調(diào)節(jié)方便，達(dá)到了客戶提出的送紗控制要求.

圖13 伺服電機(jī)現(xiàn)場(chǎng)安裝位置

5 結(jié)束語(yǔ)

本文根據(jù)針織圓緯機(jī)編織時(shí)紗線輸送的控制要求，針對(duì)現(xiàn)有送紗控制系統(tǒng)存在的缺陷，從硬件和軟件兩個(gè)方面著手，研制了一套集編碼器信號(hào)捕獲、開(kāi)關(guān)量信號(hào)檢測(cè)、交流伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)、LCD數(shù)據(jù)交互等模塊于一體的圓緯機(jī)主動(dòng)式送紗控制系統(tǒng)，有效地解決了紗線輸送速度不易調(diào)節(jié)和張力波動(dòng)大的問(wèn)題.通過(guò)理論分析和現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試，該控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案合理，具有良好的工程應(yīng)用前景.

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