戴 寧， 胡旭東， 彭來湖

(浙江理工大學 現代紡織裝備技術教育部工程研究中心, 浙江 杭州 310018)

針織大圓機一般由導紗機構、編織機構、牽拉卷取機構以及其他輔助機構組成[1]。在針筒的轉動下，紗線由導紗機構喂入編織機構進行編織，編織物由牽拉卷取機構對編織區(qū)的織物進行牽拉并完成卷取工作[2]。針織大圓機針筒的轉動可由變頻電動機帶動[3-5]，國產控制系統與國外先進控制系統相比，針織大圓機的運動控制無論在穩(wěn)定性上還是在實時性上都具有一定差距。意大利的圣東尼公司、日本的福原精機制作所、德國的邁耶·西、德樂公司等針織機械廠家代表了針織大圓機運動控制的最高水平。國內泉州的凹凸精密機械有限公司、新昌的日發(fā)精密機械股份有限公司等機械廠家的一些大圓機控制系統仍采用傳統的PLC、51單片機等邏輯性差、實時性不高的控制芯片。劉濤[6]針對大圓機的運動控制設計了分離式的啟?？刂破?，但僅僅停留在實驗階段，且采用分離式通信的方式往往實時性較差。馬海鵬[7]和彭來湖等[8]對針織大圓機控制系統進行了較詳細的研究，但對針織大圓機的運動控制方面卻未涉及。針織大圓機運動控制是影響其生產效率的關鍵因素，對針織大圓機運動控制的研究將提高國產針織大圓機的水平，縮短與國外先進針織大圓機廠家的差距。

本文通過對國內針織大圓機變頻電動機的控制方式進行深入研究，根據針織大圓機針筒運行的控制要求，提出了一種針織大圓機運動控制技術。設計狀態(tài)檢測電路及檢測算法，對點動、運行、停止按鈕各種工作狀態(tài)進行分類處理，對針織大圓機運行、點動、強迫運動、停止4種運動狀態(tài)進行分類控制。設計運動控制電路以及控制算法，通過改變脈沖寬度調制(PWM)的占空比來無級調節(jié)變頻電動機的工作轉速，并采用高性能示波器對不同頻率的PWM波進行檢測，選取合適的PWM頻率值，提高了針織大圓機運動控制的實時性和穩(wěn)定性。對普通針織大圓機在運動控制方面的研究具有一定借鑒意義。

1 總體設計概述

針織大圓機的工作原理是織針隨針筒運轉，在三角的作用下，織針在針筒針槽內做有規(guī)律的升降運動，并完成脫圈和成圈的動作，從而形成一個新的線圈[9]。本文采用運動控制技術的針織大圓機機械結構如圖1所示。針織大圓機的結構主要由給紗機構、編織機構、牽拉卷取機構和傳動機構等組成。變頻器控制變頻電動機運轉，針筒與變頻電動機通過傳動齒輪嚙合來進行運動的傳遞?？椺樤卺樛驳尼槻劾镫S針筒轉動，并在針槽里作上下運動，向上從輸紗器鉤取紗線，向下將鉤入針鉤的紗線進行編織成圈。變頻器通過控制變頻電動機的快慢來控制紗線編織成圈的速度。

1—給紗機構; 2—編織機構; 3—傳動機構; 4—牽拉卷取機構。圖1 針織大圓機機械結構簡圖Fig.1 Mechanical structure diagram of knitting circular machine

針織大圓機運動控制技術總體結構如圖2所示。在針織大圓機實際運動控制中，存在點動、運行、停止3種按鈕單獨及組合按下的情況，各種情況對應著針織大圓機點動、運行、停止、強迫運行4種運轉狀態(tài)模式，也存在操作員工的各種錯誤操作導致按鈕的按下情況不屬于上面4種運行狀態(tài)中的任何一種。ARM處理器根據當前按鈕的按下情況，產生PWM控制信號和使能信號(本文用符號“SON”標識)，變頻器控制電路將PWM控制信號轉換為模擬電壓來控制變頻電動機的轉速，將SON使能信號進行電平轉化來控制變頻電動機的使能或者失能狀態(tài)，從而實現對針織大圓機運動狀態(tài)的更新。

圖2 針織大圓機運動控制技術總體結構圖Fig.2 General structure diagram of motion control technology of knitting circular machine

2 硬件電路設計

2.1 狀態(tài)檢測電路

準確檢測按鈕的工作狀態(tài)是針織大圓機運動控制技術的前提。狀態(tài)檢測電路將按鈕斷開和按下 2種狀態(tài)轉換為高低電平輸入到ARM處理器中，ARM處理器對當前時刻按鈕的工作狀態(tài)進行判斷。按鈕狀態(tài)檢測電路圖如圖3所示?？芍敯粹oS1被按下時，光耦前端導通，ARM檢測到sig為低電平后進行針織大圓機運動控制技術的判斷。按鈕狀態(tài)檢測電路中光耦前端的導通電流一般取5 mA[10],考慮到光耦前端的導通壓降，根據歐姆定律可計算出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—按鈕標識; P1—光耦標識; GND—邏輯地信號標識; C1—電容標識; R1、R2—電阻標識; sig—狀態(tài)檢測信號標識。圖3 狀態(tài)檢測電路圖Fig.3 Circuit diagram of status detection

2.2 運動控制電路設計

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動器控制、變頻器參數實時改變方面有一定優(yōu)勢，本文技術中只需控制1個變頻電動機，且采用脈沖寬度調制(PWM)轉變?yōu)槟M電壓的方式實時性更高。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控制電路可產生大小不同的模擬電壓值，進而控制針織大圓機的轉速，使能控制電路控制變頻電動機控制器內部使能信號的狀態(tài)，與PWM控制電路配合，對針織大圓機的運動進行控制。

注: P2—光耦隔離芯片標識; Q1—場效應管標識;D、S、G—場效應管管腳標識; R3、R4、R5、R6、R7、R8—電阻標識; PWM—前端方波信號標識;SON—前端使能信號標識; U1—運算放大電路標識; AVI—后端模擬信號標識; EN—后端使能信號標識; C2、C3—電容標識;D1—二極管標識。圖4 運動控制電路圖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處理器產生的具有一定占空比的方波信號，AVI為接入到變頻器中的模擬量電壓信號。電阻R5、R6與電容C2、C3組成 2級電阻-電容(RC)電路，PWM控制場效應管后端的導通或斷開，其后端產生與PWM信號反向且高電平為12 V的方波信號，經過2級RC電路后轉換成模擬電壓，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電壓有個初始確定的低電平信號，防止變頻電動機在上電初始時出現急轉情況。圖4(b)中，SON為ARM處理器產生的使能電平信號，EN為接入到變頻器中的使能信號，D1為反向二極管，可防止光耦后端因反向電壓過高而被擊穿[13]。

3 軟件設計

3.1 狀態(tài)檢測程序

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

常用大圓機上至少包括點動、運行、停止3種按鈕，來控制大圓機的點動、運行、停止、強迫運行4種工作模式，準確獲取當前按鈕的工作狀態(tài)，是大圓機運動控制的前提。狀態(tài)檢測程序流程圖如圖5所示。圖中s為輔助變量，通過判斷s值的大小可判斷變頻電動機當前時刻所需的運動模式。當s=1、3時，代表當前時刻點動按鈕單獨按下或者點動按鈕、運行按鈕同時按下2種情況，此時變頻電動機需工作在點動模式下；當s=4、6、7時，代表當前時刻停止按鈕單獨按下，停止按鈕、運行按鈕同時按下，停止按鈕、運行按鈕、點動按鈕同時按下3種情況；當s=2 時，代表當前時刻運行按鈕單獨按下，此時變頻電動機需工作在運行模式下；當s=5時，代表當前時刻點動按鈕、停止按鈕同時按下，此時變頻電動機需工作在強迫運行模式下；當s=0時，代表當前時刻無按鈕按下，此時變頻電動機保持原來的工作模式。

3.2 變頻電動機速度控制程序

當準確獲取了針織大圓機當前所需的運動狀態(tài)模式后，需及時對針織大圓機的速度進行調整。本文技術涉及的變頻電動機，通過控制輸入到變頻控制器中的模擬量電壓的大小來進行調速，并采用ST公司的STM32f103型微控制器作為ARM處理器，微控制器開啟其內部定時器1(TIM1)的輸出比較模式，來產生一定占空比的PWM波形，不同的PWM波形通過變頻器控制電路后，輸出不同電壓值的模擬量來控制變頻電動機的轉速。變頻電動機速度控制程序如圖6所示。

注: TIM1->ARR為自動裝載寄存器標識;TIM1->PSC為預分頻器標識; TIM1->CCR1為捕獲/比較寄存器標識; Period、Prescaler、Count為寄存器配置變量標識。圖6 變頻電動機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，當狀態(tài)檢測程序檢測到當前針織大圓機的工作狀態(tài)為停止狀態(tài)時，ARM處理器首先產生滿占空比的PWM輸出，即TIM1->CCR1中的變量值與TIM1->ARR中的變量值相等，同時失能變頻器、變頻電動機停止運轉。當檢測到針織大圓機為其他工作狀態(tài)時，調節(jié)Count值來控制占空比的大小，從而控制當前狀態(tài)下針織大圓機針筒的轉速，同時使能變頻器使變頻電動機正常運行。Count值由用戶根據編織工藝及實際生產需求自行設定，Count值越小，PWM波的占空比越小，經變頻器控制電路轉換后的模擬電壓越大，變頻電動機轉速越大。

4 實驗測試

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)定的電壓值會對變頻電動機的速度造成擾動，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。本文實驗采用高低 2種頻率的PWM波進行測試，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波形經過變頻器控制電路后轉換為模擬電壓值，其轉換需要一定的時間。占空比為50%的PWM在低頻、高頻下的波形經過變頻器控制電路后，采用示波器對變頻器控制電路后端的波形進行采集，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

對比圖8(a)、(b)可知，低頻下的PWM波經變頻器轉換電路轉換后的模擬電壓帶有擾動，無法滿足變頻器對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(見圖7(b))，實驗測試表明，在該周期下的PWM波可穩(wěn)定控制變頻電動機的速度。

同時由圖8(b)可知，變頻器控制電路后端的模擬電壓經過約10 ms的時間，可達到平衡狀態(tài)，即針織大圓機從停止至加速到占空比為50%的PWM所對應的速度只需10 ms的時間，符合本文技術的實時性要求。

5 結束語

本文研究了變頻電動機控制技術、嵌入式控制技術、脈沖寬度調制(PWM)控制技術在緯編針織大圓機運動控制上的應用與實現。針對針織大圓機實際運行工藝，對針織大圓機上點動、運行、停止3種按鈕的各種組合情況進行分類，使其對應針織大圓機點動、運行、停止、強迫運行4種運轉狀態(tài)模式，避免操作員工誤操作導致針織大圓機運行狀態(tài)無法確定的情況產生。

結合針織大圓機速度控制的需求，采用高性能的ARM處理器，高動態(tài)響應的變頻電動機，結合PWM控制技術，實現變頻電動機的無級調速，滿足了針織大圓機的實時性要求?；卺樋棿髨A機運行速度穩(wěn)定性的要求，通過實驗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行觀察。進而通過實驗測試確定合適的PWM波頻率值。

測試結果表明，本文技術提高了變頻電動機速度控制的穩(wěn)定性及實時性。在針織大圓機運動控制領域具有廣闊的應用前景。同時，本文技術方案為目前市場上主要采用變頻電動機來進行驅動的針織大圓機，特別是為普通型針織大圓機的運動控制提供了一個解決方案。針對針織大圓機采用伺服電動機進行運動控制是后續(xù)需要深入研究的內容。