磁保持電子選針器及串行總線提花系統(tǒng)設(shè)計

彭來湖， 王羅俊， 胡旭東， 吳振輝， 袁嫣紅

(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， 浙江 杭州 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， 浙江 杭州 310018)

近年來，隨著針織技術(shù)的進步和編織工藝的革新，圓緯機的適用范圍不斷擴大，成型內(nèi)衣服裝、鞋面、家紡產(chǎn)業(yè)用布等紛紛采用圓緯機進行生產(chǎn)加工，這種發(fā)展趨勢一方面使得圓緯機市場不斷增長，另一方面對圓緯機的功能和性能提出了提花電子化、選針高速化等更高的要求。選針器是針織圓緯機實現(xiàn)電子提花編織的核心部件，其性能直接影響提花編織的穩(wěn)定性和速度。目前對選針器工作原理的研究較少，大多數(shù)研究集中在選針器性能的檢測手段和判定方法[1-2]。國內(nèi)外比較著名的選針器品牌有日本W(wǎng)AC、德國雅迪、佛山創(chuàng)達、臺灣義大、唐山昆鵬等，市場上這些品牌的選針器可以歸納為2種：壓電陶瓷選針器和電磁鐵選針器。由于壓電陶瓷選針器制作工藝復(fù)雜，性能不穩(wěn)定，易損壞，且造價高，所以許多廠家都逐步選擇使用性價比更高的電磁鐵選針器[3]。

當(dāng)前電磁鐵選針器主要指電保持選針器，其原理是通過一直通電線圈產(chǎn)生磁場來保持選針器刀頭的位置狀態(tài)，通過改變線圈通電電流方向來改變磁場方向進而改變選針器刀頭的位置，此類選針器雖然造價便宜，但需要一直通電，容易發(fā)熱，長時間工作穩(wěn)定性差，隨著選針速度的不斷提高，這種缺陷日益凸顯[4]。

本文針對電保持式選針器的缺點、提花編織原理、選針器工作狀態(tài)及提花控制系統(tǒng)進行了深入分析研究，提出一種采用半硬磁材料設(shè)計電子選針器的方案，通過瞬態(tài)大電流線圈磁力改變半硬磁材料磁場方向進而改變刀頭位置狀態(tài)，并針對現(xiàn)有提花控制系統(tǒng)使用單向并行總線下發(fā)控制指令導(dǎo)致電信號容易受干擾的問題，結(jié)合目前圓緯機多路數(shù)進紗提花編織、選針頻率高等特點以及磁保持電子選針器的控制要求[5]，提出了一種基于高速串行網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的電子提花控制系統(tǒng)設(shè)計方案。

1 磁保持電子選針器工作原理

磁性介于軟磁和硬磁之間的磁性材料稱為半硬磁材料，一般矯頑力為1～20 kA/m，與永磁體不同，它是靠外加磁場改變其磁化狀態(tài)進行工作的。根據(jù)這類材料特性，選擇性價比高的鐵鈷鉬系半硬磁材料設(shè)計磁保持式選針器。設(shè)計的磁保持選針器關(guān)鍵部件包括線圈、半硬磁材料以及帶有雙磁極的刀頭，如圖1所示。刀頭固定2塊用鐵氧體永磁材料加工而成具有不同磁極的磁鋼，位置安裝見圖1，根據(jù)電磁感應(yīng)定律，當(dāng)線圈通電時會產(chǎn)生磁場，磁場同極相斥，異極相吸的特性，它會吸引或者是排斥刀頭上的磁鋼，進而帶動刀頭擺動。

圖1 選針器核心結(jié)構(gòu)示意圖Fig.1 Diagram of core structure of needle selector

線圈通電時，線圈內(nèi)部也會產(chǎn)生磁場，此磁場可以對中間包裹的半硬磁材料進行充磁，當(dāng)磁場強度達到磁導(dǎo)率最大點處的磁場強度，由于半硬磁材料磁滯特性，再減小磁場強度到零，半硬磁材料還保持剩余磁感強度，半硬磁材料被磁化。同理可知，線圈不同通電方向，可以使半硬磁材料磁化成具有不同磁極方向的磁體。由于半硬磁材料的這種剩磁特性，當(dāng)截斷線圈電流，半硬磁材料保留的磁感強度依然會與刀頭一體固定的磁鋼產(chǎn)生作用，進而保持刀頭位置狀態(tài)不變。與電保持選針器工作時整個過程一直通電相比，磁保持選針器這種間歇式通電的工作原理從功耗上而言性能更為優(yōu)越。

2 通信方式分析及系統(tǒng)總體設(shè)計

目前主要的通信方式有2種：一種是并行總線通信，另一種是串行總線通信。現(xiàn)有控制系統(tǒng)采用并行總線連接多路電子選針器，通信線長5～8 m，包括8位并行數(shù)據(jù)信號和1位時鐘信號，由于并行總線長距離傳輸存在線間串?dāng)_、機器內(nèi)各種電機的電磁干擾及工業(yè)現(xiàn)場的電源擾動，易使得并行總線傳輸?shù)男盘柺芨蓴_而產(chǎn)生奇變失真，導(dǎo)致提花編織控制穩(wěn)定性差，從而出現(xiàn)亂花、錯花現(xiàn)象。串行總線通信方式采用差分線傳輸信號，抗共模干擾能力強，傳輸距離長，傳輸信號保真性好，信號傳輸?shù)姆€(wěn)定性與總線網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)和網(wǎng)絡(luò)節(jié)點布局情況關(guān)系緊密，因此系統(tǒng)設(shè)計方案選擇串行總線通信方式，以串行總線連接多路磁保持電磁鐵選針器，通過網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)和節(jié)點布局的優(yōu)化設(shè)計實現(xiàn)信號傳輸?shù)目煽糠€(wěn)定。

圓緯機安裝的選針器數(shù)量最多達到144個，選針器工作時的最高頻率要達到60 Hz，以此需求為依據(jù)，采用高性能ARM(微控制處理器)作為圓緯機提花控制系統(tǒng)的核心主控，硬件電路包括針位/零位檢測、選針器驅(qū)動、串行總線接口等硬件電路模塊[6]。在此硬件平臺上移植Windows CE嵌入式系統(tǒng)，作為人機交互界面的軟件平臺。圖2示出提花控制系統(tǒng)的總體結(jié)構(gòu)。

圖2 控制系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)Fig.2 Control system architecture

提花編織控制原理及過程如下：圓緯機啟動后，主控通過檢測圓緯機位置編碼器的脈沖信號來實時計算當(dāng)前機器的轉(zhuǎn)速和位置，并根據(jù)機器針位信息，解析花型文件，獲取選針動作信息，通過串行總線下發(fā)相應(yīng)的選針器動作指令，選針器在接收到指令后，驅(qū)動板上的MCU(微控制單元)解析指令，執(zhí)行相應(yīng)的動作。圓緯機具有零位檢測功能，當(dāng)零位信號被檢測到時，如果此時編碼脈沖個數(shù)與系統(tǒng)參數(shù)設(shè)定值存在偏差，并超過一定范圍，提花控制系統(tǒng)將產(chǎn)生報警，并在界面中呈現(xiàn)位置異常報警的提示[7]。

3 系統(tǒng)硬件設(shè)計

3.1 磁保持選針器控制方法和驅(qū)動實現(xiàn)

根據(jù)磁保持電子選針器的工作原理，采用傳統(tǒng)的控制方式即通過分隔式獨立驅(qū)動電路來改變線圈兩端的通電方向從而實現(xiàn)磁場換向，所對應(yīng)的驅(qū)動電路模塊數(shù)量就等于所控制選針器刀數(shù)的2倍，驅(qū)動電路不僅需要龐大數(shù)量的硬件驅(qū)動器件，而且驅(qū)動電路核心器件MCU的 I/O口使用數(shù)量也需要翻倍。由于選針器預(yù)留的驅(qū)動電路板安裝空間狹小，無法滿足驅(qū)動電路的空間要求，針對此問題分析磁保持電子選針器工作的特性和控制要求，采用驅(qū)動電路分組復(fù)用的設(shè)計思路，提出一種“自由端”和“公共端”同時控制的方法。所設(shè)計的驅(qū)動電路不僅可以有效地解決上述問題，還可以節(jié)省硬件設(shè)計上的成本，提高驅(qū)動板的性價比[7]。

將選針器刀頭分為2組，奇數(shù)刀組和偶數(shù)刀組。二者對應(yīng)的線圈即為奇數(shù)號線圈和偶數(shù)號線圈。每個線圈都由“自由端”和“公共端”2部分控制。奇數(shù)刀組和偶數(shù)刀組各有1個“公共端”，每上下相鄰的2個線圈共用1個“自由端”，其驅(qū)動電路結(jié)構(gòu)如圖3所示。每個“自由端”同時控制相鄰的奇數(shù)刀與偶數(shù)刀，再通過導(dǎo)通“公共端”進行選擇是奇數(shù)刀動還是偶數(shù)刀動。如此計算，所需要的驅(qū)動電路數(shù)量就等于總刀數(shù)/2+2。

圖3 “公共端”驅(qū)動電路示意圖Fig.3 Diagram of ′public end′ drive circuit

圖4示出“自由端”驅(qū)動電路簡圖。“自由端”的驅(qū)動電路使用的是半橋結(jié)構(gòu)，MCU通過輸出高低電平信號來控制MOS管的開斷。由于驅(qū)動輸出1和驅(qū)動輸出2的電壓相同，因此2組的“公共端”是否導(dǎo)通決定著選針器動作的是奇數(shù)刀還是偶數(shù)刀。

圖4 “自由端”驅(qū)動電路簡圖Fig.4 Diagram of ′free end′ drive circuit

3.2 多節(jié)點并聯(lián)串行總線網(wǎng)絡(luò)及驅(qū)動實現(xiàn)

現(xiàn)場串行總線為分布式控制系統(tǒng)實現(xiàn)各節(jié)點之間實時、可靠的數(shù)據(jù)通信提供了強有力的技術(shù)支持。RS-485(串行通訊標準)和CAN(控制器局域網(wǎng)絡(luò))是2類被廣泛使用的現(xiàn)場串行總線，RS-485可構(gòu)成主從式結(jié)構(gòu)系統(tǒng)，通信方式以主站輪詢的方式進行，而CAN具有物理仲裁機制，是一種有效支持分布式控制或?qū)崟r控制的串行通信網(wǎng)絡(luò)，設(shè)計便捷性好，它的實時性、可靠性、靈活性強，因此控制系統(tǒng)選定CAN總線設(shè)計串行總線網(wǎng)絡(luò)，實現(xiàn)對多路選針器雙向通信，其網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)圖如圖5所示。

圖5 環(huán)狀CAN總線網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)圖Fig.5 Structure diagram of circular CAN bus network

1臺圓緯機使用的選針器數(shù)量最多達144個，通信線長5～8 m，針位變化最快可達800 μs，每變化1針位置，主控需要發(fā)送2～3幀CAN總線擴展幀數(shù)據(jù)，CAN總線速度達到450 kbit/s。按CAN規(guī)范，總線長度在30 m內(nèi)時，總線速度可穩(wěn)定工作在1 Mbit/s，因此CAN總線速度設(shè)定為1 Mbit/s。CAN總線網(wǎng)絡(luò)主要掛在CAN_H(高位數(shù)據(jù)線)和CAN_L(低位數(shù)據(jù)線)，各節(jié)點通過這2條線實現(xiàn)信號的串行差分傳輸，而多路選針器圍繞圓形針筒等角度分布安裝，因此設(shè)計如圖所示環(huán)狀多節(jié)點并聯(lián)串行總線網(wǎng)絡(luò)布局，主控與各選針器節(jié)點同處CAN總線網(wǎng)絡(luò)內(nèi)，CAN網(wǎng)絡(luò)主干線從供電板出，環(huán)繞針筒，又回入供電板，形成環(huán)路供電，同時使得主干線盡可能減少與各節(jié)點距離，減少支路線路阻抗和受擾長度，提高網(wǎng)絡(luò)穩(wěn)定性。為了避免信號的反射和干擾，還需要在CAN_H和CAN_L之間接上電纜的特性阻抗相匹配的120 Ω的終端電阻，安裝在供電板上。

3.3 針位置及零位檢測電路

根據(jù)提花工藝及控制原理，控制系統(tǒng)要對圓緯機上每針位置的出針狀態(tài)進行控制，以獲取圓緯機的實時位置信息?？刂葡到y(tǒng)使用鐵感應(yīng)接近開關(guān)型傳感器獲取針筒相對零位信號，使用相對增量式的位置編碼器檢測針筒位置信息。為保證針位檢測的精度，選定編碼器1周脈沖數(shù)為2 000，A/B兩相差分輸出。針筒與編碼器的速比為1∶10，在圓緯機最高轉(zhuǎn)速18 r/min條件下，編碼器的最高輸出頻率為12 kHz。編碼器的供電電源為5 V，零位傳感器的供電電源為12 V，控制系統(tǒng)微處理器的供電電源為3.3 V，為提高系統(tǒng)抗干擾能力，3類電源系統(tǒng)需要分離獨立，為實現(xiàn)電源隔離和信號轉(zhuǎn)換，設(shè)計針位置及零位檢測電路使用光耦隔離，同時考慮光耦兩端信號的保真?zhèn)鬏?，隔離電路選用1 M的高速光耦。

4 系統(tǒng)軟件開發(fā)

4.1 人機交互功能設(shè)計

根據(jù)圓緯機提花控制原理及過程，控制系統(tǒng)需具備實時提花控制、花型傳輸、編輯、下載、工藝和工作參數(shù)設(shè)定等功能外，還需兼具更改選針器相關(guān)系統(tǒng)參數(shù)的設(shè)置、選針器提花老化測試、軟件地址修改、驅(qū)動程序升級等功能，整體軟件功能如圖6所示。

圖6 人機交互功能結(jié)構(gòu)圖Fig.6 Structure diagram of human-computer interaction

選針器測試界面包含選針器單、全路測試。測試內(nèi)容包括選針器刀頭全上全下的單次動作或連續(xù)動作，單刀循環(huán)動作或全數(shù)刀依次序連續(xù)動作。為更好地測試選針器性能，系統(tǒng)還可設(shè)置選針器的動作頻率，速度分為1～9檔，9檔速度可達到1幀/ms。

選針器驅(qū)動板利用軟件地址編碼來替代傳統(tǒng)的8位物理撥碼地址編碼，機器裝機或者作業(yè)期間需要對某路選針器進行修改測試，摒棄傳統(tǒng)的拆卸選針器殼體進行手工撥碼的方式，只需通過人工按一下按鍵，驅(qū)動板反饋當(dāng)前節(jié)點地址序號信息，人機界面上進行地址信息設(shè)置，即可完成地址編碼和修改操作；當(dāng)選針器故障發(fā)生時可通過軟件地址節(jié)點巡檢來判斷選針器與主控通信是否正常。

為避免機器作業(yè)期間選針器維護、更新、拆卸的繁瑣性，設(shè)計實現(xiàn)通過USB接口讀取升級文件，直接在系統(tǒng)人機界面對人機程序、主控系統(tǒng)、以及選針器驅(qū)動板進行程序升級。

4.2 選針器驅(qū)動程序

根據(jù)磁保持選針器的特性以及驅(qū)動電路中MOS管的開關(guān)特性，上電后，選針器驅(qū)動板MCU先初始化其I/O口，保證在執(zhí)行動作指令之前，所有的MOS管都處于關(guān)斷狀態(tài)。接收主控所發(fā)指令后，驅(qū)動板MCU會按照CAN通信協(xié)議解析當(dāng)前指令并逐步執(zhí)行。由于線圈的阻值5 Ω，供電電壓為24 V，因此長時間供電產(chǎn)生的大電流會導(dǎo)致線圈損壞。而通電時間過短又會導(dǎo)致半硬磁材料充磁不足，選針器刀頭打動幅度偏小。設(shè)計合適的通電時間，是關(guān)系選針器能否正常工作的必要條件[8-10]。

實驗數(shù)據(jù)表明，線圈通電120 μs時就可以保證半硬磁材料完成消磁，并能使刀頭保持中間位置。通電時間達到220 μs時，完全可使半硬磁材料帶有相反磁性，即使得選針器刀頭擺動到位，因此，MCU將會通過Timer定時器對相關(guān)I/O口進行“二次充磁”。第1次充磁時間120 μs保證半硬磁材料消磁后并能夠帶有一定相反的磁性，第2次充磁40 μs確保選針器半硬磁材料具有足夠的磁性，刀頭能夠擺動到位。由于選針器磁保持的特性，半硬磁材料充磁后，即使電路不通電，也可長時間保持磁性。這在保證節(jié)省系統(tǒng)功耗的同時也減少了選針器的發(fā)熱量，因此MOS管每次開通后，驅(qū)動板MCU均會將所使用到的I/O口關(guān)斷，保證在執(zhí)行動作指令前，所有的MOS管都是關(guān)斷狀態(tài)，以此提高系統(tǒng)安全性。

4.3 提花控制程序

如何根據(jù)花型文件實時解析選針動作信息并快速準確地進行選針器動作控制是主控系統(tǒng)要處理的關(guān)鍵性問題。圓緯機的提花控制程序流程圖如圖7所示。根據(jù)模塊化設(shè)計思想，系統(tǒng)功能主要包括人機交互模塊、花型文件讀寫模塊、選針器控制模塊以及總線通信模塊。其軟件設(shè)計流程如下。

圖7 主程序流程圖Fig.7 Flow diagram of main program

1)系統(tǒng)上電進行初始化，包括人機面板、主控模塊配置及參數(shù)的初始化。隨后系統(tǒng)將讀取工作參數(shù)、系統(tǒng)參數(shù)和花型文件的信息等。

2)讀取所需信息后，系統(tǒng)將執(zhí)行人機面板下發(fā)的指令。如選針器測試，參數(shù)設(shè)置，花型下載，程序升級等。

3)實時解析花型文件，進行提花控制。主控將讀取花型信息，根據(jù)圓緯機針位和圈數(shù)信息，將花型文件解析而來的選針控制指令信息依次封包，并通過CAN總線下發(fā)到各個選針器中，完成提花選針控制。

4)當(dāng)圈數(shù)達到生產(chǎn)設(shè)定總?cè)?shù)時，系統(tǒng)自動控制圓緯機停止轉(zhuǎn)動，用戶此時可裁剪織好的布匹。

5 實驗結(jié)果

磁保持電子選針器在室內(nèi)溫度17 ℃條件，模擬生產(chǎn)現(xiàn)場高速提花(選針器工作頻率為82 Hz)作業(yè)1 h。用高精度紅外熱成像儀FLUKE Tis45測量選針器整體溫度紅外云圖如圖8所示。最高點溫度為26.0 ℃，最低點為19.7 ℃，最高溫升控制在9 ℃以內(nèi)，有效地降低了選針器表面溫升。用示波器測量的圓緯機主控系統(tǒng)向磁保持選針器發(fā)送控制指令的信號傳輸時序波形截圖如圖9所示。上方波形為CAN差分對的CAN_H信號，下方波形為CAN差分對的CAN_L信號,中間波形為串行總線傳輸?shù)膶嶋H信號。由示波器測量可知，磁保持選針器工作在82.372 Hz的頻率，且工作穩(wěn)定?？刂葡到y(tǒng)生產(chǎn)現(xiàn)場試用1個月，使選針器長時間工作在65 Hz高頻狀態(tài)，圓緯機提花編織動作正常，無錯花、亂花現(xiàn)象，織物布面平滑完整符合工藝要求，布匹成品達到無疵點高質(zhì)量標準。

圖8 選針器工作溫升紅外熱成像圖Fig.8 Infrared thermography of temperature rise of needle selector

圖9 CAN通信時序圖Fig.9 Diagram of CAN communication sequence

6 結(jié)束語

本文研究了電磁高速換向技術(shù)在緯編針織的應(yīng)用實現(xiàn)，深入探討了磁保持電子選針器的工作原理、線圈驅(qū)動、控制方法、電路設(shè)計和程序編程。針對圓緯機提花路數(shù)眾多的特點，磁保持選針器通過半硬磁材料的剩磁保持刀頭狀態(tài)的工作方式與一直通電生產(chǎn)磁場保持刀頭狀態(tài)的工作方式相比，從功耗上而言性能更具優(yōu)勢。提出的基于“自由端”和“公共端”分組分時控制的方法具有創(chuàng)新性，可有效地減少驅(qū)動電路數(shù)量，減小電路模塊空間，使得驅(qū)動電路板可內(nèi)嵌至執(zhí)行器內(nèi)，在選針器結(jié)構(gòu)上實現(xiàn)機電一體化設(shè)計，提高了穩(wěn)定性。

基于環(huán)狀多節(jié)點串行總線結(jié)構(gòu)的提花控制系統(tǒng)設(shè)計方案，充分考慮了圓緯機選針器圍繞針筒等角度分布安裝的空間布局，采用雙向高速串行總線通信，信號差分傳輸，抗干擾能力強，與單向并行總線通信方式相比，控制系統(tǒng)穩(wěn)定性顯著提高，具有良好的工程應(yīng)用前景。

磁保持電子選針器對生產(chǎn)工藝和磁材料性能要求高。例如電磁的線圈細密程度、繞線拉力的穩(wěn)定性及漆包線外皮的絕緣性都會影響選針器工作特性，因此，磁保持電子選針器批量化生產(chǎn)工藝優(yōu)化和磁材料制備、性能檢測是后續(xù)需要深入研究的內(nèi)容。

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