针织大圆机运动实时控制技术

戴 宁， 胡旭东， 彭来湖

(浙江理工大学 现代纺织装备技术教育部工程研究中心, 浙江 杭州 310018)

针织大圆机一般由导纱机构、编织机构、牵拉卷取机构以及其他辅助机构组成[1]。在针筒的转动下，纱线由导纱机构喂入编织机构进行编织，编织物由牵拉卷取机构对编织区的织物进行牵拉并完成卷取工作[2]。针织大圆机针筒的转动可由变频电动机带动[3-5]，国产控制系统与国外先进控制系统相比，针织大圆机的运动控制无论在稳定性上还是在实时性上都具有一定差距。意大利的圣东尼公司、日本的福原精机制作所、德国的迈耶·西、德乐公司等针织机械厂家代表了针织大圆机运动控制的最高水平。国内泉州的凹凸精密机械有限公司、新昌的日发精密机械股份有限公司等机械厂家的一些大圆机控制系统仍采用传统的PLC、51单片机等逻辑性差、实时性不高的控制芯片。刘涛[6]针对大圆机的运动控制设计了分离式的启停控制器，但仅仅停留在实验阶段，且采用分离式通信的方式往往实时性较差。马海鹏[7]和彭来湖等[8]对针织大圆机控制系统进行了较详细的研究，但对针织大圆机的运动控制方面却未涉及。针织大圆机运动控制是影响其生产效率的关键因素，对针织大圆机运动控制的研究将提高国产针织大圆机的水平，缩短与国外先进针织大圆机厂家的差距。

本文通过对国内针织大圆机变频电动机的控制方式进行深入研究，根据针织大圆机针筒运行的控制要求，提出了一种针织大圆机运动控制技术。设计状态检测电路及检测算法，对点动、运行、停止按钮各种工作状态进行分类处理，对针织大圆机运行、点动、强迫运动、停止4种运动状态进行分类控制。设计运动控制电路以及控制算法，通过改变脉冲宽度调制(PWM)的占空比来无级调节变频电动机的工作转速，并采用高性能示波器对不同频率的PWM波进行检测，选取合适的PWM频率值，提高了针织大圆机运动控制的实时性和稳定性。对普通针织大圆机在运动控制方面的研究具有一定借鉴意义。

1 总体设计概述

针织大圆机的工作原理是织针随针筒运转，在三角的作用下，织针在针筒针槽内做有规律的升降运动，并完成脱圈和成圈的动作，从而形成一个新的线圈[9]。本文采用运动控制技术的针织大圆机机械结构如图1所示。针织大圆机的结构主要由给纱机构、编织机构、牵拉卷取机构和传动机构等组成。变频器控制变频电动机运转，针筒与变频电动机通过传动齿轮啮合来进行运动的传递。织针在针筒的针槽里随针筒转动，并在针槽里作上下运动，向上从输纱器钩取纱线，向下将钩入针钩的纱线进行编织成圈。变频器通过控制变频电动机的快慢来控制纱线编织成圈的速度。

1—给纱机构; 2—编织机构; 3—传动机构; 4—牵拉卷取机构。图1 针织大圆机机械结构简图Fig.1 Mechanical structure diagram of knitting circular machine

针织大圆机运动控制技术总体结构如图2所示。在针织大圆机实际运动控制中，存在点动、运行、停止3种按钮单独及组合按下的情况，各种情况对应着针织大圆机点动、运行、停止、强迫运行4种运转状态模式，也存在操作员工的各种错误操作导致按钮的按下情况不属于上面4种运行状态中的任何一种。ARM处理器根据当前按钮的按下情况，产生PWM控制信号和使能信号(本文用符号“SON”标识)，变频器控制电路将PWM控制信号转换为模拟电压来控制变频电动机的转速，将SON使能信号进行电平转化来控制变频电动机的使能或者失能状态，从而实现对针织大圆机运动状态的更新。

图2 针织大圆机运动控制技术总体结构图Fig.2 General structure diagram of motion control technology of knitting circular machine

2 硬件电路设计

2.1 状态检测电路

准确检测按钮的工作状态是针织大圆机运动控制技术的前提。状态检测电路将按钮断开和按下 2种状态转换为高低电平输入到ARM处理器中，ARM处理器对当前时刻按钮的工作状态进行判断。按钮状态检测电路图如图3所示。可知，当按钮S1被按下时，光耦前端导通，ARM检测到sig为低电平后进行针织大圆机运动控制技术的判断。按钮状态检测电路中光耦前端的导通电流一般取5 mA[10],考虑到光耦前端的导通压降，根据欧姆定律可计算出R1的电阻值约2 kΩ。取光耦的CTR(current transfer ratio)为0.5[11],可得光耦后端电流为10 mA,根据欧姆定律可得R2的电阻值为330 Ω，光耦前端电容C1起到了滤除杂波的作用。

注: S1—按钮标识; P1—光耦标识; GND—逻辑地信号标识; C1—电容标识; R1、R2—电阻标识; sig—状态检测信号标识。图3 状态检测电路图Fig.3 Circuit diagram of status detection

2.2 运动控制电路设计

常用变频器的控制方式有模拟量电压控制、RS485串口通信控制等。串口控制在多变频驱动器控制、变频器参数实时改变方面有一定优势，本文技术中只需控制1个变频电动机，且采用脉冲宽度调制(PWM)转变为模拟电压的方式实时性更高。变频器控制电路图如图4所示。可知，图中从上到下分别是PWM控制电路和使能控制电路，PWM控制电路可产生大小不同的模拟电压值，进而控制针织大圆机的转速，使能控制电路控制变频电动机控制器内部使能信号的状态，与PWM控制电路配合，对针织大圆机的运动进行控制。

注: P2—光耦隔离芯片标识; Q1—场效应管标识;D、S、G—场效应管管脚标识; R3、R4、R5、R6、R7、R8—电阻标识; PWM—前端方波信号标识;SON—前端使能信号标识; U1—运算放大电路标识; AVI—后端模拟信号标识; EN—后端使能信号标识; C2、C3—电容标识;D1—二极管标识。图4 运动控制电路图Fig.4 Circuit diagram of motion control. (a) Control circuit of PWM; (b) Control circuit of enable signal

图4(a)中，PWM为ARM处理器产生的具有一定占空比的方波信号，AVI为接入到变频器中的模拟量电压信号。电阻R5、R6与电容C2、C3组成 2级电阻-电容(RC)电路，PWM控制场效应管后端的导通或断开，其后端产生与PWM信号反向且高电平为12 V的方波信号，经过2级RC电路后转换成模拟电压，模拟电压的大小与PWM的占空比成反比[12]。U1为运算放大器，在本文电路中做电压跟随作用，R7为下拉电阻，AVI电压有个初始确定的低电平信号，防止变频电动机在上电初始时出现急转情况。图4(b)中，SON为ARM处理器产生的使能电平信号，EN为接入到变频器中的使能信号，D1为反向二极管，可防止光耦后端因反向电压过高而被击穿[13]。

3 软件设计

3.1 状态检测程序

图5 状态检测程序流程图Fig.5 Flow chart of status detection program

常用大圆机上至少包括点动、运行、停止3种按钮，来控制大圆机的点动、运行、停止、强迫运行4种工作模式，准确获取当前按钮的工作状态，是大圆机运动控制的前提。状态检测程序流程图如图5所示。图中s为辅助变量，通过判断s值的大小可判断变频电动机当前时刻所需的运动模式。当s=1、3时，代表当前时刻点动按钮单独按下或者点动按钮、运行按钮同时按下2种情况，此时变频电动机需工作在点动模式下；当s=4、6、7时，代表当前时刻停止按钮单独按下，停止按钮、运行按钮同时按下，停止按钮、运行按钮、点动按钮同时按下3种情况；当s=2 时，代表当前时刻运行按钮单独按下，此时变频电动机需工作在运行模式下；当s=5时，代表当前时刻点动按钮、停止按钮同时按下，此时变频电动机需工作在强迫运行模式下；当s=0时，代表当前时刻无按钮按下，此时变频电动机保持原来的工作模式。

3.2 变频电动机速度控制程序

当准确获取了针织大圆机当前所需的运动状态模式后，需及时对针织大圆机的速度进行调整。本文技术涉及的变频电动机，通过控制输入到变频控制器中的模拟量电压的大小来进行调速，并采用ST公司的STM32f103型微控制器作为ARM处理器，微控制器开启其内部定时器1(TIM1)的输出比较模式，来产生一定占空比的PWM波形，不同的PWM波形通过变频器控制电路后，输出不同电压值的模拟量来控制变频电动机的转速。变频电动机速度控制程序如图6所示。

注: TIM1->ARR为自动装载寄存器标识;TIM1->PSC为预分频器标识; TIM1->CCR1为捕获/比较寄存器标识; Period、Prescaler、Count为寄存器配置变量标识。图6 变频电动机速度控制程序流程图Fig.6 Program flow chart of variable frequency motor speed control

由图6可知，当状态检测程序检测到当前针织大圆机的工作状态为停止状态时，ARM处理器首先产生满占空比的PWM输出，即TIM1->CCR1中的变量值与TIM1->ARR中的变量值相等，同时失能变频器、变频电动机停止运转。当检测到针织大圆机为其他工作状态时，调节Count值来控制占空比的大小，从而控制当前状态下针织大圆机针筒的转速，同时使能变频器使变频电动机正常运行。Count值由用户根据编织工艺及实际生产需求自行设定，Count值越小，PWM波的占空比越小，经变频器控制电路转换后的模拟电压越大，变频电动机转速越大。

4 实验测试

4.1 变频器控制电路前端波形

变频器控制电路后端的模拟量电压值需要平稳，不稳定的电压值会对变频电动机的速度造成扰动，变频器后端模拟量电压的稳定与变频器控制电路前端PWM波的频率有关。本文实验采用高低 2种频率的PWM波进行测试，其波形如图7所示。图7(a)、(b)分别代表占空比为50%的PWM在低频、高频下的波形图。

图7 PWM在低频和高频下的波形图Fig.7 Waveform of PWM at low (a) and high (b) frequency

4.2 变频器控制电路后端波形

PWM波形经过变频器控制电路后转换为模拟电压值，其转换需要一定的时间。占空比为50%的PWM在低频、高频下的波形经过变频器控制电路后，采用示波器对变频器控制电路后端的波形进行采集，其波形如图8所示。

图8 变频器控制电路后端波形图Fig.8 Back-end waveform of converter control circuit.(a) Low frequency; (b) High frequency

对比图8(a)、(b)可知，低频下的PWM波经变频器转换电路转换后的模拟电压带有扰动，无法满足变频器对其模拟量输入的要求。图8(b)所示的模拟电压较平稳，其PWM的周期约为70 μs(见图7(b))，实验测试表明，在该周期下的PWM波可稳定控制变频电动机的速度。

同时由图8(b)可知，变频器控制电路后端的模拟电压经过约10 ms的时间，可达到平衡状态，即针织大圆机从停止至加速到占空比为50%的PWM所对应的速度只需10 ms的时间，符合本文技术的实时性要求。

5 结束语

本文研究了变频电动机控制技术、嵌入式控制技术、脉冲宽度调制(PWM)控制技术在纬编针织大圆机运动控制上的应用与实现。针对针织大圆机实际运行工艺，对针织大圆机上点动、运行、停止3种按钮的各种组合情况进行分类，使其对应针织大圆机点动、运行、停止、强迫运行4种运转状态模式，避免操作员工误操作导致针织大圆机运行状态无法确定的情况产生。

结合针织大圆机速度控制的需求，采用高性能的ARM处理器，高动态响应的变频电动机，结合PWM控制技术，实现变频电动机的无级调速，满足了针织大圆机的实时性要求。基于针织大圆机运行速度稳定性的要求，通过实验研究在变频器控制电路前端输入同一占空比、不同频率的PWM波，并采用高性能示波器在变频器控制电路后端进行观察。进而通过实验测试确定合适的PWM波频率值。

测试结果表明，本文技术提高了变频电动机速度控制的稳定性及实时性。在针织大圆机运动控制领域具有广阔的应用前景。同时，本文技术方案为目前市场上主要采用变频电动机来进行驱动的针织大圆机，特别是为普通型针织大圆机的运动控制提供了一个解决方案。针对针织大圆机采用伺服电动机进行运动控制是后续需要深入研究的内容。