針織大圓機(jī)運(yùn)動(dòng)實(shí)時(shí)控制技術(shù)

戴 寧， 胡旭東， 彭來(lái)湖

(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)

針織大圓機(jī)一般由導(dǎo)紗機(jī)構(gòu)、編織機(jī)構(gòu)、牽拉卷取機(jī)構(gòu)以及其他輔助機(jī)構(gòu)組成[1]。在針筒的轉(zhuǎn)動(dòng)下，紗線由導(dǎo)紗機(jī)構(gòu)喂入編織機(jī)構(gòu)進(jìn)行編織，編織物由牽拉卷取機(jī)構(gòu)對(duì)編織區(qū)的織物進(jìn)行牽拉并完成卷取工作[2]。針織大圓機(jī)針筒的轉(zhuǎn)動(dòng)可由變頻電動(dòng)機(jī)帶動(dòng)[3-5]，國(guó)產(chǎn)控制系統(tǒng)與國(guó)外先進(jìn)控制系統(tǒng)相比，針織大圓機(jī)的運(yùn)動(dòng)控制無(wú)論在穩(wěn)定性上還是在實(shí)時(shí)性上都具有一定差距。意大利的圣東尼公司、日本的福原精機(jī)制作所、德國(guó)的邁耶·西、德樂(lè)公司等針織機(jī)械廠家代表了針織大圓機(jī)運(yùn)動(dòng)控制的最高水平。國(guó)內(nèi)泉州的凹凸精密機(jī)械有限公司、新昌的日發(fā)精密機(jī)械股份有限公司等機(jī)械廠家的一些大圓機(jī)控制系統(tǒng)仍采用傳統(tǒng)的PLC、51單片機(jī)等邏輯性差、實(shí)時(shí)性不高的控制芯片。劉濤[6]針對(duì)大圓機(jī)的運(yùn)動(dòng)控制設(shè)計(jì)了分離式的啟?？刂破?，但僅僅停留在實(shí)驗(yàn)階段，且采用分離式通信的方式往往實(shí)時(shí)性較差。馬海鵬[7]和彭來(lái)湖等[8]對(duì)針織大圓機(jī)控制系統(tǒng)進(jìn)行了較詳細(xì)的研究，但對(duì)針織大圓機(jī)的運(yùn)動(dòng)控制方面卻未涉及。針織大圓機(jī)運(yùn)動(dòng)控制是影響其生產(chǎn)效率的關(guān)鍵因素，對(duì)針織大圓機(jī)運(yùn)動(dòng)控制的研究將提高國(guó)產(chǎn)針織大圓機(jī)的水平，縮短與國(guó)外先進(jìn)針織大圓機(jī)廠家的差距。

本文通過(guò)對(duì)國(guó)內(nèi)針織大圓機(jī)變頻電動(dòng)機(jī)的控制方式進(jìn)行深入研究，根據(jù)針織大圓機(jī)針筒運(yùn)行的控制要求，提出了一種針織大圓機(jī)運(yùn)動(dòng)控制技術(shù)。設(shè)計(jì)狀態(tài)檢測(cè)電路及檢測(cè)算法，對(duì)點(diǎn)動(dòng)、運(yùn)行、停止按鈕各種工作狀態(tài)進(jìn)行分類處理，對(duì)針織大圓機(jī)運(yùn)行、點(diǎn)動(dòng)、強(qiáng)迫運(yùn)動(dòng)、停止4種運(yùn)動(dòng)狀態(tài)進(jìn)行分類控制。設(shè)計(jì)運(yùn)動(dòng)控制電路以及控制算法，通過(guò)改變脈沖寬度調(diào)制(PWM)的占空比來(lái)無(wú)級(jí)調(diào)節(jié)變頻電動(dòng)機(jī)的工作轉(zhuǎn)速，并采用高性能示波器對(duì)不同頻率的PWM波進(jìn)行檢測(cè)，選取合適的PWM頻率值，提高了針織大圓機(jī)運(yùn)動(dòng)控制的實(shí)時(shí)性和穩(wěn)定性。對(duì)普通針織大圓機(jī)在運(yùn)動(dòng)控制方面的研究具有一定借鑒意義。

1 總體設(shè)計(jì)概述

針織大圓機(jī)的工作原理是織針隨針筒運(yùn)轉(zhuǎn)，在三角的作用下，織針在針筒針槽內(nèi)做有規(guī)律的升降運(yùn)動(dòng)，并完成脫圈和成圈的動(dòng)作，從而形成一個(gè)新的線圈[9]。本文采用運(yùn)動(dòng)控制技術(shù)的針織大圓機(jī)機(jī)械結(jié)構(gòu)如圖1所示。針織大圓機(jī)的結(jié)構(gòu)主要由給紗機(jī)構(gòu)、編織機(jī)構(gòu)、牽拉卷取機(jī)構(gòu)和傳動(dòng)機(jī)構(gòu)等組成。變頻器控制變頻電動(dòng)機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)，針筒與變頻電動(dòng)機(jī)通過(guò)傳動(dòng)齒輪嚙合來(lái)進(jìn)行運(yùn)動(dòng)的傳遞?？椺樤卺樛驳尼槻劾镫S針筒轉(zhuǎn)動(dòng)，并在針槽里作上下運(yùn)動(dòng)，向上從輸紗器鉤取紗線，向下將鉤入針鉤的紗線進(jìn)行編織成圈。變頻器通過(guò)控制變頻電動(dòng)機(jī)的快慢來(lái)控制紗線編織成圈的速度。

1—給紗機(jī)構(gòu); 2—編織機(jī)構(gòu); 3—傳動(dòng)機(jī)構(gòu); 4—牽拉卷取機(jī)構(gòu)。圖1 針織大圓機(jī)機(jī)械結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖Fig.1 Mechanical structure diagram of knitting circular machine

針織大圓機(jī)運(yùn)動(dòng)控制技術(shù)總體結(jié)構(gòu)如圖2所示。在針織大圓機(jī)實(shí)際運(yùn)動(dòng)控制中，存在點(diǎn)動(dòng)、運(yùn)行、停止3種按鈕單獨(dú)及組合按下的情況，各種情況對(duì)應(yīng)著針織大圓機(jī)點(diǎn)動(dòng)、運(yùn)行、停止、強(qiáng)迫運(yùn)行4種運(yùn)轉(zhuǎn)狀態(tài)模式，也存在操作員工的各種錯(cuò)誤操作導(dǎo)致按鈕的按下情況不屬于上面4種運(yùn)行狀態(tài)中的任何一種。ARM處理器根據(jù)當(dāng)前按鈕的按下情況，產(chǎn)生PWM控制信號(hào)和使能信號(hào)(本文用符號(hào)“SON”標(biāo)識(shí))，變頻器控制電路將PWM控制信號(hào)轉(zhuǎn)換為模擬電壓來(lái)控制變頻電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速，將SON使能信號(hào)進(jìn)行電平轉(zhuǎn)化來(lái)控制變頻電動(dòng)機(jī)的使能或者失能狀態(tài)，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)針織大圓機(jī)運(yùn)動(dòng)狀態(tài)的更新。

圖2 針織大圓機(jī)運(yùn)動(dòng)控制技術(shù)總體結(jié)構(gòu)圖Fig.2 General structure diagram of motion control technology of knitting circular machine

2 硬件電路設(shè)計(jì)

2.1 狀態(tài)檢測(cè)電路

準(zhǔn)確檢測(cè)按鈕的工作狀態(tài)是針織大圓機(jī)運(yùn)動(dòng)控制技術(shù)的前提。狀態(tài)檢測(cè)電路將按鈕斷開(kāi)和按下 2種狀態(tài)轉(zhuǎn)換為高低電平輸入到ARM處理器中，ARM處理器對(duì)當(dāng)前時(shí)刻按鈕的工作狀態(tài)進(jìn)行判斷。按鈕狀態(tài)檢測(cè)電路圖如圖3所示?？芍?，當(dāng)按鈕S1被按下時(shí)，光耦前端導(dǎo)通，ARM檢測(cè)到sig為低電平后進(jìn)行針織大圓機(jī)運(yùn)動(dòng)控制技術(shù)的判斷。按鈕狀態(tài)檢測(cè)電路中光耦前端的導(dǎo)通電流一般取5 mA[10],考慮到光耦前端的導(dǎo)通壓降，根據(jù)歐姆定律可計(jì)算出R1的電阻值約2 kΩ。取光耦的CTR(current transfer ratio)為0.5[11],可得光耦后端電流為10 mA,根據(jù)歐姆定律可得R2的電阻值為330 Ω，光耦前端電容C1起到了濾除雜波的作用。

注: S1—按鈕標(biāo)識(shí); P1—光耦標(biāo)識(shí); GND—邏輯地信號(hào)標(biāo)識(shí); C1—電容標(biāo)識(shí); R1、R2—電阻標(biāo)識(shí); sig—狀態(tài)檢測(cè)信號(hào)標(biāo)識(shí)。圖3 狀態(tài)檢測(cè)電路圖Fig.3 Circuit diagram of status detection

2.2 運(yùn)動(dòng)控制電路設(shè)計(jì)

常用變頻器的控制方式有模擬量電壓控制、RS485串口通信控制等。串口控制在多變頻驅(qū)動(dòng)器控制、變頻器參數(shù)實(shí)時(shí)改變方面有一定優(yōu)勢(shì)，本文技術(shù)中只需控制1個(gè)變頻電動(dòng)機(jī)，且采用脈沖寬度調(diào)制(PWM)轉(zhuǎn)變?yōu)槟M電壓的方式實(shí)時(shí)性更高。變頻器控制電路圖如圖4所示?？芍?，圖中從上到下分別是PWM控制電路和使能控制電路，PWM控制電路可產(chǎn)生大小不同的模擬電壓值，進(jìn)而控制針織大圓機(jī)的轉(zhuǎn)速，使能控制電路控制變頻電動(dòng)機(jī)控制器內(nèi)部使能信號(hào)的狀態(tài)，與PWM控制電路配合，對(duì)針織大圓機(jī)的運(yùn)動(dòng)進(jìn)行控制。

注: P2—光耦隔離芯片標(biāo)識(shí); Q1—場(chǎng)效應(yīng)管標(biāo)識(shí);D、S、G—場(chǎng)效應(yīng)管管腳標(biāo)識(shí); R3、R4、R5、R6、R7、R8—電阻標(biāo)識(shí); PWM—前端方波信號(hào)標(biāo)識(shí);SON—前端使能信號(hào)標(biāo)識(shí); U1—運(yùn)算放大電路標(biāo)識(shí); AVI—后端模擬信號(hào)標(biāo)識(shí); EN—后端使能信號(hào)標(biāo)識(shí); C2、C3—電容標(biāo)識(shí);D1—二極管標(biāo)識(shí)。圖4 運(yùn)動(dòng)控制電路圖Fig.4 Circuit diagram of motion control. (a) Control circuit of PWM; (b) Control circuit of enable signal

圖4(a)中，PWM為ARM處理器產(chǎn)生的具有一定占空比的方波信號(hào)，AVI為接入到變頻器中的模擬量電壓信號(hào)。電阻R5、R6與電容C2、C3組成 2級(jí)電阻-電容(RC)電路，PWM控制場(chǎng)效應(yīng)管后端的導(dǎo)通或斷開(kāi)，其后端產(chǎn)生與PWM信號(hào)反向且高電平為12 V的方波信號(hào)，經(jīng)過(guò)2級(jí)RC電路后轉(zhuǎn)換成模擬電壓，模擬電壓的大小與PWM的占空比成反比[12]。U1為運(yùn)算放大器，在本文電路中做電壓跟隨作用，R7為下拉電阻，AVI電壓有個(gè)初始確定的低電平信號(hào)，防止變頻電動(dòng)機(jī)在上電初始時(shí)出現(xiàn)急轉(zhuǎn)情況。圖4(b)中，SON為ARM處理器產(chǎn)生的使能電平信號(hào)，EN為接入到變頻器中的使能信號(hào)，D1為反向二極管，可防止光耦后端因反向電壓過(guò)高而被擊穿[13]。

3 軟件設(shè)計(jì)

3.1 狀態(tài)檢測(cè)程序

圖5 狀態(tài)檢測(cè)程序流程圖Fig.5 Flow chart of status detection program

常用大圓機(jī)上至少包括點(diǎn)動(dòng)、運(yùn)行、停止3種按鈕，來(lái)控制大圓機(jī)的點(diǎn)動(dòng)、運(yùn)行、停止、強(qiáng)迫運(yùn)行4種工作模式，準(zhǔn)確獲取當(dāng)前按鈕的工作狀態(tài)，是大圓機(jī)運(yùn)動(dòng)控制的前提。狀態(tài)檢測(cè)程序流程圖如圖5所示。圖中s為輔助變量，通過(guò)判斷s值的大小可判斷變頻電動(dòng)機(jī)當(dāng)前時(shí)刻所需的運(yùn)動(dòng)模式。當(dāng)s=1、3時(shí)，代表當(dāng)前時(shí)刻點(diǎn)動(dòng)按鈕單獨(dú)按下或者點(diǎn)動(dòng)按鈕、運(yùn)行按鈕同時(shí)按下2種情況，此時(shí)變頻電動(dòng)機(jī)需工作在點(diǎn)動(dòng)模式下；當(dāng)s=4、6、7時(shí)，代表當(dāng)前時(shí)刻停止按鈕單獨(dú)按下，停止按鈕、運(yùn)行按鈕同時(shí)按下，停止按鈕、運(yùn)行按鈕、點(diǎn)動(dòng)按鈕同時(shí)按下3種情況；當(dāng)s=2 時(shí)，代表當(dāng)前時(shí)刻運(yùn)行按鈕單獨(dú)按下，此時(shí)變頻電動(dòng)機(jī)需工作在運(yùn)行模式下；當(dāng)s=5時(shí)，代表當(dāng)前時(shí)刻點(diǎn)動(dòng)按鈕、停止按鈕同時(shí)按下，此時(shí)變頻電動(dòng)機(jī)需工作在強(qiáng)迫運(yùn)行模式下；當(dāng)s=0時(shí)，代表當(dāng)前時(shí)刻無(wú)按鈕按下，此時(shí)變頻電動(dòng)機(jī)保持原來(lái)的工作模式。

3.2 變頻電動(dòng)機(jī)速度控制程序

當(dāng)準(zhǔn)確獲取了針織大圓機(jī)當(dāng)前所需的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)模式后，需及時(shí)對(duì)針織大圓機(jī)的速度進(jìn)行調(diào)整。本文技術(shù)涉及的變頻電動(dòng)機(jī)，通過(guò)控制輸入到變頻控制器中的模擬量電壓的大小來(lái)進(jìn)行調(diào)速，并采用ST公司的STM32f103型微控制器作為ARM處理器，微控制器開(kāi)啟其內(nèi)部定時(shí)器1(TIM1)的輸出比較模式，來(lái)產(chǎn)生一定占空比的PWM波形，不同的PWM波形通過(guò)變頻器控制電路后，輸出不同電壓值的模擬量來(lái)控制變頻電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速。變頻電動(dòng)機(jī)速度控制程序如圖6所示。

注: TIM1->ARR為自動(dòng)裝載寄存器標(biāo)識(shí);TIM1->PSC為預(yù)分頻器標(biāo)識(shí); TIM1->CCR1為捕獲/比較寄存器標(biāo)識(shí); Period、Prescaler、Count為寄存器配置變量標(biāo)識(shí)。圖6 變頻電動(dòng)機(jī)速度控制程序流程圖Fig.6 Program flow chart of variable frequency motor speed control

由圖6可知，當(dāng)狀態(tài)檢測(cè)程序檢測(cè)到當(dāng)前針織大圓機(jī)的工作狀態(tài)為停止?fàn)顟B(tài)時(shí)，ARM處理器首先產(chǎn)生滿占空比的PWM輸出，即TIM1->CCR1中的變量值與TIM1->ARR中的變量值相等，同時(shí)失能變頻器、變頻電動(dòng)機(jī)停止運(yùn)轉(zhuǎn)。當(dāng)檢測(cè)到針織大圓機(jī)為其他工作狀態(tài)時(shí)，調(diào)節(jié)Count值來(lái)控制占空比的大小，從而控制當(dāng)前狀態(tài)下針織大圓機(jī)針筒的轉(zhuǎn)速，同時(shí)使能變頻器使變頻電動(dòng)機(jī)正常運(yùn)行。Count值由用戶根據(jù)編織工藝及實(shí)際生產(chǎn)需求自行設(shè)定，Count值越小，PWM波的占空比越小，經(jīng)變頻器控制電路轉(zhuǎn)換后的模擬電壓越大，變頻電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速越大。

4 實(shí)驗(yàn)測(cè)試

4.1 變頻器控制電路前端波形

變頻器控制電路后端的模擬量電壓值需要平穩(wěn)，不穩(wěn)定的電壓值會(huì)對(duì)變頻電動(dòng)機(jī)的速度造成擾動(dòng)，變頻器后端模擬量電壓的穩(wěn)定與變頻器控制電路前端PWM波的頻率有關(guān)。本文實(shí)驗(yàn)采用高低 2種頻率的PWM波進(jìn)行測(cè)試，其波形如圖7所示。圖7(a)、(b)分別代表占空比為50%的PWM在低頻、高頻下的波形圖。

圖7 PWM在低頻和高頻下的波形圖Fig.7 Waveform of PWM at low (a) and high (b) frequency

4.2 變頻器控制電路后端波形

PWM波形經(jīng)過(guò)變頻器控制電路后轉(zhuǎn)換為模擬電壓值，其轉(zhuǎn)換需要一定的時(shí)間。占空比為50%的PWM在低頻、高頻下的波形經(jīng)過(guò)變頻器控制電路后，采用示波器對(duì)變頻器控制電路后端的波形進(jìn)行采集，其波形如圖8所示。

圖8 變頻器控制電路后端波形圖Fig.8 Back-end waveform of converter control circuit.(a) Low frequency; (b) High frequency

對(duì)比圖8(a)、(b)可知，低頻下的PWM波經(jīng)變頻器轉(zhuǎn)換電路轉(zhuǎn)換后的模擬電壓帶有擾動(dòng)，無(wú)法滿足變頻器對(duì)其模擬量輸入的要求。圖8(b)所示的模擬電壓較平穩(wěn)，其PWM的周期約為70 μs(見(jiàn)圖7(b))，實(shí)驗(yàn)測(cè)試表明，在該周期下的PWM波可穩(wěn)定控制變頻電動(dòng)機(jī)的速度。

同時(shí)由圖8(b)可知，變頻器控制電路后端的模擬電壓經(jīng)過(guò)約10 ms的時(shí)間，可達(dá)到平衡狀態(tài)，即針織大圓機(jī)從停止至加速到占空比為50%的PWM所對(duì)應(yīng)的速度只需10 ms的時(shí)間，符合本文技術(shù)的實(shí)時(shí)性要求。

5 結(jié)束語(yǔ)

本文研究了變頻電動(dòng)機(jī)控制技術(shù)、嵌入式控制技術(shù)、脈沖寬度調(diào)制(PWM)控制技術(shù)在緯編針織大圓機(jī)運(yùn)動(dòng)控制上的應(yīng)用與實(shí)現(xiàn)。針對(duì)針織大圓機(jī)實(shí)際運(yùn)行工藝，對(duì)針織大圓機(jī)上點(diǎn)動(dòng)、運(yùn)行、停止3種按鈕的各種組合情況進(jìn)行分類，使其對(duì)應(yīng)針織大圓機(jī)點(diǎn)動(dòng)、運(yùn)行、停止、強(qiáng)迫運(yùn)行4種運(yùn)轉(zhuǎn)狀態(tài)模式，避免操作員工誤操作導(dǎo)致針織大圓機(jī)運(yùn)行狀態(tài)無(wú)法確定的情況產(chǎn)生。

結(jié)合針織大圓機(jī)速度控制的需求，采用高性能的ARM處理器，高動(dòng)態(tài)響應(yīng)的變頻電動(dòng)機(jī)，結(jié)合PWM控制技術(shù)，實(shí)現(xiàn)變頻電動(dòng)機(jī)的無(wú)級(jí)調(diào)速，滿足了針織大圓機(jī)的實(shí)時(shí)性要求。基于針織大圓機(jī)運(yùn)行速度穩(wěn)定性的要求，通過(guò)實(shí)驗(yàn)研究在變頻器控制電路前端輸入同一占空比、不同頻率的PWM波，并采用高性能示波器在變頻器控制電路后端進(jìn)行觀察。進(jìn)而通過(guò)實(shí)驗(yàn)測(cè)試確定合適的PWM波頻率值。

測(cè)試結(jié)果表明，本文技術(shù)提高了變頻電動(dòng)機(jī)速度控制的穩(wěn)定性及實(shí)時(shí)性。在針織大圓機(jī)運(yùn)動(dòng)控制領(lǐng)域具有廣闊的應(yīng)用前景。同時(shí)，本文技術(shù)方案為目前市場(chǎng)上主要采用變頻電動(dòng)機(jī)來(lái)進(jìn)行驅(qū)動(dòng)的針織大圓機(jī)，特別是為普通型針織大圓機(jī)的運(yùn)動(dòng)控制提供了一個(gè)解決方案。針對(duì)針織大圓機(jī)采用伺服電動(dòng)機(jī)進(jìn)行運(yùn)動(dòng)控制是后續(xù)需要深入研究的內(nèi)容。