基于磁保持選針器的驅動控制方式

吳振輝，彭來湖，胡旭東

(浙江理工大學 浙江省現(xiàn)代紡織裝備技術重點實驗室，浙江 杭州 310018)

近年來，隨著針織技術的發(fā)展以及編織工藝的革新，圓緯機應用越來越普及，國際上目前的針織品纖維用量已經超過了整個紡織品纖維用量的百分之五十.針織產品的快速發(fā)展，使針織機技術獲得了質的飛躍.而影響針織機性能發(fā)揮的關鍵性因素就是選針器.選針器技術全世界最先進的是德國和日本，尤其是日本WAC公司.WAC選針器的接口定義更是成為了亞太區(qū)域選針器接口的標準[1-3].選針器一般分為兩類，即壓電陶瓷選針器和電磁鐵選針器.壓電陶瓷選針器的先進技術均由國外公司所掌握，國內工藝技術比較落后，而且壓電陶瓷選針器造價較高，工藝復雜，容易損壞，因此國內市場大都采用電磁鐵選針器.電磁鐵選針器又分為兩種：一種是電保持選針器；另一種是磁保持選針器.電保持選針器需持續(xù)通電，但其長時間高速工作容易發(fā)熱，性能不穩(wěn)定且功耗較大.這些缺點限制了針織機整體性能的發(fā)揮，而且隨著針織機速度的不斷提升，這種弊端越來越明顯.針對電保持選針器的不足，為了完善選針器的功用，市場上先后出現(xiàn)了幾款磁保持式選針器[4-5].本文對市場上流行的磁保持選針器進行分析，并基于該選針器提出一種新的驅動控制方式.

1 磁保持選針器

圖1 磁保持選針器結構

半硬磁材料的磁性介于硬磁和軟磁之間，其矯頑力大約在1～20 kA/m.與永磁體不同，半硬磁材料不用直接通電，只需外加磁場便能被磁化.磁保持選針器由裝配磁極的刀頭、半硬磁材料以及線圈三部分組成(圖1).由于其線圈內阻一般為2.5 Ω左右，阻值很小，再加上驅動電壓是24 V，因此選針器不能長時間通電，否則大電流會燒壞保險絲，甚至擊穿電路板.選針器驅動板為線圈兩端斷續(xù)供電，若供電時間過短則選針器刀頭打動就不到位.因此，合適的供電時間決定著選針器的工作性能.

線圈斷續(xù)通電，其內部就會產生變化的磁場，線圈內部的半硬磁材料因磁場作用而帶有磁性，進而吸引或排斥刀頭的磁極，從而完成刀頭的擺動.給線圈施加相反的電壓，可以完成半硬磁材料的消磁和充磁過程，給其附上不同的磁性.半硬磁材料的磁性即使在不通電的時候也很難消去，可以保持數(shù)月或者是幾年.因此，磁保持選針器在功耗方面要優(yōu)于電保持選針器.而在控制方面，通電時間的長短只需要保證半硬磁材料在消除原有磁性之后帶上相反的磁性即可[6].

2 選針器驅動板

本文所提出的磁保持選針器驅動板包括：選針器MCU(Microcontroller Unit)、地址設置模塊、CAN(Controller Area Network)通訊模塊、驅動模塊、ADC(Analog-to-Digital Converter)報警模塊以及電源模塊.作為該驅動板的核心，MCU單元控制著其他各部分并有效實現(xiàn)各自的功能.驅動模塊是系統(tǒng)整個電路的重要部分，它決定了選針器的打動方向和刀頭的保持力度.驅動板地址設定不再是傳統(tǒng)的8位撥碼開關，取而代之的是軟件地址設置.利用該模塊可完成驅動板地址設置，而且高效、可靠.通訊模塊能夠完成選針器驅動板和主控板之間的信息交互.報警模塊能夠實時檢測電路板中出現(xiàn)的故障，如過流、斷刀等問題.當故障出現(xiàn)后，報警模塊將問題信息反饋給MCU，使其切斷驅動工作，然后將問題信息上傳至主控系統(tǒng)，系統(tǒng)可在當前狀態(tài)下判斷是否需要停止圓緯機工作，以避免不必要的損失.電源模塊可將輸入的電源轉換為各部分需要的電壓.選針器驅動板結構如圖2所示.

圖2 選針器驅動板結構

3 硬件驅動控制

3.1 串行總線驅動電路

一臺圓緯機上選針器的使用個數(shù)一般是1～144路.為了可靠、穩(wěn)定地控制選針器驅動板，系統(tǒng)以CAN串行總線方式與驅動板高速通訊.這與并行模式不同，在提花過程中，驅動板常常需要實時與主控板進行雙向通訊.在該模式下，只需一個主控板便可控制多個選針器驅動板.CAN通訊結構如圖3所示.驅動板的CAN通訊模塊選用飛思卡爾的MC34901芯片，其通訊速度可以達到1 Mbps.通過解析CAN通訊指令，驅動板能夠控制選針器測試、提花、驅動板程序升級、軟件地址設置以及報警反饋.

圖3 CAN通訊結構

3.2 磁保持選針器驅動電路

圖4 “自由端”結構

選針器驅動模塊是整個驅動部分的執(zhí)行機構，它由若干MOS管及三極管組成的半橋結構組成.MCU的兩個I/O口控制兩個不同的輸出端口，這種結構被稱為“自由端”(圖4).用MCU的兩個I/O口控制一個輸出口，這種結構稱為“公共端”，其結構為“自由端”的一半.輸入1和輸入2同時控制輸出1和輸出2時，輸出1和輸出2的輸出狀態(tài)是相同的.然而，選擇輸出1還是輸出2則需要依靠“自由端”.因此，線圈兩端的輸入需要一個“公共端”和一個“自由端”共同完成.通過二者輸出的電勢差給線圈提供需要的電壓.

選針器刀號分為奇數(shù)刀號和偶數(shù)刀號，每一個“自由端”控制相鄰的一個奇數(shù)刀號和一個偶數(shù)刀號的一邊，而該奇數(shù)刀號和該偶數(shù)刀號的另一邊則由“公共端”控制.驅動板上有兩個“公共端”，一個“公共端”控制所有奇數(shù)刀號的一邊，另一個“公共端”控制所有偶數(shù)刀號的一邊.其結構如圖5所示.該驅動方式可大大地節(jié)省MCU的I/O口數(shù)量和硬件電路數(shù)量.驅動一個具有N個刀頭的磁保持選針器工作，就需要電路數(shù)量為(N/2+2)的硬件驅動控制電路.

圖5 驅動電路結構

3.3 軟件地址注冊模塊

軟件地址注冊需要借助獨立按鍵以及系統(tǒng)燈來實現(xiàn).按下按鍵后，MCU通過識別I/O口的電平變化來點亮系統(tǒng)燈，并向主控板請求新地址下發(fā)指令，以此表示進入軟件地址注冊等待狀態(tài).用戶一旦在界面上成功下發(fā)指令，驅動板便會解析并儲存新的地址信息.更改地址成功后，系統(tǒng)燈會滅掉，表示地址修改完畢.在整個過程中，驅動板一旦讀取連接獨立按鍵的I/O口電平變化，將立刻給主控板發(fā)送請求新地址指令.主控板可按此識別需要修改地址的選針器驅動板.

3.4 ADC報警檢測電路

ADC報警模塊的檢測電路如圖6所示.該電路中采樣電阻R3可以將驅動地流入電源地的電流轉化為電壓.由于反向電動勢的存在，ADC檢測的地信號有一部分是負值，為了能夠正常檢測，驅動地信號需要進行適當?shù)碾娖揭莆?電路中的電容C1起耦合作用，因為，電容能夠通交流阻直流，所以可以防止VCC上電流流入驅動地而造成的移位偏大，最終影響測試結果.報警檢測時，將疊加后驅動地信號送入ADC管腳，可用于檢測電路異常.

圖6 ADC報警檢測電路

3.5 電源模塊

由于CAN通訊芯片和MCU的工作電壓都是5 V，而驅動選針器線圈需要24 V電源供電，因此驅動板需將24 V轉換成穩(wěn)定的5 V電壓.驅動板的電源模塊為MP2451開關型芯片.該芯片輸入電壓為3.3 ～36 V，可將24 V轉換為5 V，提供不超過0.6 A的輸出電流.該芯片內部開關管的開關頻率高達2 MHz，且其關閉電流只需要3 μA,靜態(tài)工作電流為230 μA，功耗極低.使用MP2451芯片時，只需配置反饋端和使能端的電阻分壓即可達到調整輸出電壓值的目的.

4 軟件設計

基于磁保持選針器的驅動方式軟件設計流程如圖7所示.選針器驅動板在軟件上主要實現(xiàn)以下4個功能：控制驅動以完成選針器測試和提花，軟件地址注冊，ADC報警檢測以及選針器程序升級.

圖7 基于磁保持選針器的驅動方式軟件設計流程

4.1 選針器驅動控制程序

圓緯機正常啟動后，選針器驅動板的MCU首先初始化程序模塊配置，如GPIO(General Purpose Input Output)、Timer定時器、CAN、ADC等，然后讀取Flash中存儲的軟件地址信息，并等待隨時接收主控板下發(fā)的動作指令.

程序驅動的動作包括3個部分：復位、測試和提花.用戶在人機界面上執(zhí)行相關的操作后，主控板將對應的指令下發(fā)至各個選針器驅動板，而MCU會根據(jù)CAN協(xié)議對指令進行解析，然后依照解析內容執(zhí)行相關的動作指令[7-8].

4.2 軟件地址注冊程序

軟件地址注冊流程如圖8所示.驅動板的MCU識別出連接獨立按鍵的I/O口上電平變高后，會降低控制系統(tǒng)LED燈上的電平，以此來點亮LED燈并通過CAN通訊模塊向主控板反饋求址信息以及當前地址信息.主控板通過CAN通訊模塊將新的地址信息下發(fā)至對應的選針器驅動板后，驅動板的MCU把新的地址信息存儲在片內Flash中，供下次上電開機時讀取調用.

圖8 軟件地址注冊流程

驅動板的MCU將地址信息存儲成功后便將控制系統(tǒng)燈的I/O口電平升高，LED燈熄滅(代表地址信息已存儲成功)，同時反饋新的地址信息至主控板.通過這種“一來一回”的操作方式，選針器驅動板的MCU可完成對新地址的信息修改.

4.3 ADC報警檢測程序

ADC報警模塊包含過流檢測和刀錯檢測兩部分，其流程如圖9所示.ADC信號采集和計算均放在每10 μs一次的定時器中斷里，并且二者交替進行.在固定時間內，過流報警實時檢測，當檢測到的值大于過流值時，驅動板的MCU進行計數(shù)累加，當累加值超過一定值后，驅動板的MCU會關閉主程序，并向主控板反饋報警信息.同時，LED燈呈閃爍狀態(tài)，代表驅動板進入報警狀態(tài).刀錯報警程序用于檢測選針器每個線圈對應的驅動電路是否有電信號輸出.當某個驅動電路存在故障時，驅動板的MCU在執(zhí)行相關動作過程中不會檢測到大幅度變化的電信號.因此，在動作指令下發(fā)后的某時間段內，ADC檢測到的電壓值變化率不大于設定值時即認為驅動電路發(fā)生了故障.

圖9 ADC報警檢測流程

4.4 程序升級功能

程序升級功能使選針器驅動板無需借助燒寫器便可更新程序.針對選針器裝在圓緯機上不宜拆卸這一情況，用戶可以通過程序升級功能來解決更新程序的問題.將C編譯器IAR Embedded Workbench生成的工程bin文件拷入U盤，主控板通過液晶板的USB讀取接口便可識別U盤里的bin文件信息.當主控板識別、解析bin文件信息后，bin文件由主控板按CAN指令協(xié)議打包發(fā)送給驅動板的MCU.在當前包存儲成功之后，驅動板的MCU會反饋請求指令，請求主控板下發(fā)新的升級包指令.在bin文件被存入MCU的片內Flash中之后，驅動板程序會在Flash中用該部分逐步搬移并替換掉驅動板原程序[9-10].替換結束后，主控板會收到MCU發(fā)送的反饋指令，這表示選針器驅動板程序升級成功.

通過該功能，用戶能夠實現(xiàn)對單個或者多個選針器驅動板的程序升級.

5 性能測試及分析

在實際測試中，磁保持選針器線圈通電80 μs，使其半硬磁材料的磁性消除；通電100 μs，使其半硬磁材料帶有相反磁性并控制刀頭打動到位.考慮到選針器刀頭打動提花片時會受到一定的阻力，而且不同線圈及相關材料在工藝上存在差異，因此選針器線圈通電時選擇“二次通電”方案，即首先單次通電120 μs，然后關斷MOS管，斷電40 μs，第二次再通電40 μs，最后關斷.

在圖10所示的驅動端輸出波形中，第一個高電平時間是120 μs，第二個高電平時間是40 μs.由于反向電動勢的存在，選針器線圈通電被關斷時，出現(xiàn)了電壓極性相反的信號.但這并不會影響半硬磁材料充磁的質量.

圖10 驅動端輸出波形

圖11所示為采樣電阻兩端的信號波形，即驅動地的電壓波形.由于反向電動勢的存在，該波形有正有負，然而，驅動板上的ADC檢測模塊只能采集正的電壓值，因此應當根據(jù)該波形的負峰值以及正峰值，為其疊加電平移位信號，使驅動地信號的整體波形電壓大于0 V，而其最大正峰值不超過5 V.

圖11 采樣電阻兩端電壓信號波形

圖12所示為疊加后驅動地電壓信號波形.通過電阻分壓給驅動地疊加了0.85 V，原本不容易檢測的驅動地信號達到了檢測要求.當出現(xiàn)過流時，驅動地信號的電壓值會持續(xù)大于圖12中峰值電壓.當電路驅動存在問題時，ADC檢測模塊只能持續(xù)檢測到0.85 V的分壓，而檢測不到變化的驅動地信號.利用這些特點，驅動板的MCU便可完成過流檢測和刀錯檢測.

圖12 疊加后驅動地電壓信號波形

圖13所示為選針器軟件地址測試界面.從圖中可以看出，該選針器驅動板當前地址為28.用戶通過人機界面可將其修改為29(圖14).

圖13 軟件地址測試界面

圖14 軟件地址設置界面

6 結束語

本文設計的選針器驅動板比傳統(tǒng)選針器驅動電路顯著減少了器件數(shù)量，改變了傳統(tǒng)的軟件地址設置方式.用軟件注冊方式設置驅動板地址信息代替8位撥碼開關設置地址信息，不需要用戶了解繁瑣的二進制碼，方便了擋車工操作.此外，獨有的ADC報警檢測模塊大大提高了選針器使用的安全性，有利于維修人員直接排查故障.新的磁保持選針器驅動板投入生產應用后獲得了用戶的一致好評.

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