一種基于電流控制的提花機選針器驅(qū)動電路的設(shè)計與分析

范建國，袁嫣紅，張建義

（浙江理工大學教育部現(xiàn)代紡織裝備技術(shù)工程研發(fā)中心，杭州310018）

一種基于電流控制的提花機選針器驅(qū)動電路的設(shè)計與分析

范建國，袁嫣紅，張建義

（浙江理工大學教育部現(xiàn)代紡織裝備技術(shù)工程研發(fā)中心，杭州310018）

電磁選針器的響應(yīng)速度和能耗是關(guān)系大針數(shù)電子提花機性能的兩個重要因素。從理論上分析了電磁鐵吸合的過程，討論了兩種常見的加速電磁鐵快速響應(yīng)的方法，在此基礎(chǔ)上設(shè)計了一種基于電流控制的提花機選針器驅(qū)動電路，給出了驅(qū)動電路平均電流的計算方法。實驗結(jié)果表明，該電流控制方法能使電磁鐵在吸合階段實現(xiàn)高電流快速有效吸合，在保持階段實現(xiàn)低電流低功耗保持。

電子提花機；選針器；響應(yīng)速度；能耗；電流控制方法

0 引 言

隨著電子提花機產(chǎn)業(yè)的高速發(fā)展，提花機針數(shù)越來越多，市場上現(xiàn)有的電子提花機針數(shù)一般在幾千針左右，有些高達上萬針。電子提花機選針器是提花機系統(tǒng)組成的一個重要部分，其中電磁鐵是選針器的關(guān)鍵執(zhí)行元件。選針器接受控制系統(tǒng)的觸發(fā)信號，控制每個電磁鐵對選針片的快速吸合及快速分離。電磁鐵的響應(yīng)速度直接影響了提花機是否能夠可靠地選針；每個電磁鐵的能耗決定了整臺提花機的能耗。因此在設(shè)計提花機選針器驅(qū)動電路時，快速響應(yīng)和低能耗成為了設(shè)計中的重點。

目前國內(nèi)的電磁閥控制技術(shù)主要有可調(diào)式電阻驅(qū)動電路和雙電壓驅(qū)動電路?？烧{(diào)式驅(qū)動電路是通過改變不同階段電路回路中的電阻值，來實現(xiàn)對電流波形的控制，但是這種電路在電流維持階段的功率，很大部分消耗在分壓電阻上，造成了功率的無效損耗［1］；雙電壓驅(qū)動電路通過改變工作過程不同階段的工作電壓幅值，達到提供較小保持電流，減小能量消耗的目的。目前提花機選針器驅(qū)動電路主要采用了基于電壓控制的雙電壓驅(qū)動電路，可以降低提花機的能量損耗［2］，但其也有不足之處，例如保持電流不能控制，在不同工況下應(yīng)變能力差等。

本研究從理論上分析了電磁鐵吸合的過程，討論了兩種常見的加快電磁鐵快速響應(yīng)方法，在此基礎(chǔ)上設(shè)計了一種基于電流控制的提花機選針器驅(qū)動電路，并給出了驅(qū)動電路平均電流的計算方法。

1 電磁鐵吸合過程分析

1.1 提高快速響應(yīng)的方法

電磁鐵的運動過程可以分為吸合與釋放過程，其中吸合過程的時間可以分為吸合階段和保持階段，吸合階段是指從電磁鐵開始通電到選針片吸合到位的階段。保持階段是指選針片吸合后一直到脫離吸合位置的階段。

本研究通過Ansoft Maxwell電磁仿真軟件模擬提花機電磁鐵瞬態(tài)吸合過程。該電磁鐵的電阻為96Ω，電感為21.5 mH，匝數(shù)為1 060匝，品質(zhì)參數(shù)為1.56。圖1為外部電路電壓為15 V時的仿真電流曲線，圖2為該仿真所加的外部電路圖。在吸合階段，電磁鐵回路導通之后，電流從零值逐漸升高。由于線圈中不僅有電阻，而且還有一定的電感值，所以電流的上升不能立即達到穩(wěn)定值，而是按指數(shù)曲線的規(guī)律上升［3］。

圖1 線圈中電流的變化

圖1中a點為選針片吸合點，t1為吸合階段的時間，t2為保持階段的時間。

圖2 外部電路

圖2中L1和R2為電磁鐵的電感與電阻，該電路的原型為本研究所設(shè)計的電磁鐵主回路電路圖。2.1節(jié)的模擬仿真也是在此基礎(chǔ)上進行的。

電磁鐵的快速響應(yīng)時間主要體現(xiàn)在選針片在吸合階段能快速吸合，在釋放過程能夠快速分離。提高初始電壓值，增加電磁吸力，減輕選針片重量和縮短選針片行程可以減少吸合時間t1［4］。在釋放過程中，電磁鐵剛斷電時，線圈電流不能突變。線圈電流逐漸減少，吸力也逐漸減弱，當電磁吸力降低到不足以吸住銜鐵時，銜鐵就開始釋放。要減少電磁鐵的釋放時間，可以減輕銜鐵重量、縮短銜鐵行程、減小電磁鐵保持階段的電流值［4］。下面討論下常見的兩種加速電路的原理。

1.2 兩種常見的加速電路

1.2.1 阻容加速電路

在電路中應(yīng)用附加電容（見圖3），通電瞬間電容相當于短路，回路總阻值為電磁鐵的電阻R1，此時回路電流較大，可使電磁鐵的動作過程加速。當電容充電飽和之后，電容開路，此時回路總阻值為R1+R2，電流減小。

圖3 阻容加速電路

1.2.2 高電壓吸合低電壓保持電路

這類電路常有兩組電壓，在電磁鐵吸合階段給其兩端加一個高電壓，流過線圈的電流也增加，電磁吸力增大，使電磁鐵快速吸合。在吸合階段結(jié)束后，保持階段開始，電磁鐵兩端電壓切換為低電壓，用較小的電流維持電磁鐵的吸力。在釋放時，由于線圈流過的電流較小，釋放時間也縮短。

2 選針器驅(qū)動電路設(shè)計

上述兩種加速電路實質(zhì)上都是在電磁鐵吸合階段用一個較大的電流來加速選針片的吸合，在保持階段，切換為一個較小的電流來維持選針片的吸合。但是兩種電路在保持階段的電流值是由硬件電路決定的，電流穩(wěn)定后就是一個固定的值，不可調(diào)，這樣造成在不同工況下，又要去修改硬件電路。同時采用雙電壓控制電路，需要兩個電壓源，提高了硬件電路的復雜程度。

在此基礎(chǔ)上提出了一種基于電流控制的提花機選針器驅(qū)動電路，在吸合階段保證電磁鐵快速有效的吸合，在保持階段實行對電流的控制。因高電流吸合階段時間太快，還未對電流進行控制，電磁鐵已吸合，故對電磁鐵的電流控制是在保持階段進行的。首先根據(jù)提花機的轉(zhuǎn)速及工況選取合適的主回路電壓值，在保證電磁鐵快速有效吸合后，如何控制保持階段的平均電流值是節(jié)省能耗的關(guān)鍵。因此電磁鐵保持階段電流平均值的計算及驅(qū)動電路的實現(xiàn)是本研究重點。

2.1 吸合階段主回路電壓選取

假設(shè)提花機轉(zhuǎn)速600 r/m，即一轉(zhuǎn)所需要的時間為100 ms，吸合角度為55°，則電磁鐵在一轉(zhuǎn)周期內(nèi)的動作和釋放時間為t=100×≈30 ms。根據(jù)提花機機械結(jié)構(gòu)上的需求，必須保證選針片在7°左右吸合，7°所占用的時間t=×30≈4 ms，因此在設(shè)計的過程當中要保證吸合階段的時間少于4 ms。

為確定提花機在600 r/m的轉(zhuǎn)速下合適的主回路電壓值，按照本文1.1節(jié)中的方法，對電磁鐵吸合瞬態(tài)過程進行仿真分析，按照經(jīng)驗值更改主回路不同的電壓值，得出了電磁鐵在不同電壓下吸合電流曲線，如圖4所示。

從圖4可以看出不同電壓下，選針片吸合時間是不同的。11 V電壓下吸合時間為4.5 ms，13 V電壓下為4 ms，15 V電壓下為3.5 ms，17 V電壓下吸合時間為3 ms。電壓值越高選針片所用的吸合時間越短。因此，提花機在600 r/m的轉(zhuǎn)速下，為滿足吸合要求，主回路電壓值至少要大于13 V。

圖4 電磁鐵吸合電流曲線

在此若選取的電壓值過高則會造成電能的浪費，過低則會影響電磁鐵的吸合動作。故本文選取15 V為主回路電壓值。電磁鐵在4 ms內(nèi)完成選針片的吸合，在此之后進入26 ms的保持階段，通過本文的驅(qū)動電路，降低保持階段的平均電流。

2.2 保持階段電流控制方案

2.2.1 電流測量方法

從可行性、測量精度、電路設(shè)計難易等方面考慮，選擇回路串電阻的電流檢測方法［5］。電磁鐵主回路中串聯(lián)一個精密小電阻即采樣電阻，通過測量其兩端的電壓值來間接測量其線圈上的電流值。

2.2.2 總體方案

如圖5所示，待選針片完成吸合后，進入保持階段，比較電壓電路實時采樣電磁鐵驅(qū)動電路上的采樣點，將得到的采樣電壓與參考電壓進行比較，當大于參考電壓時，CPLD/FPGA拉低脈沖Send，切斷驅(qū)動電路的回路。此時電磁鐵主回路的線圈電感電流逐漸減小，在一段時間（ΔT）內(nèi)仍能維持對選針片的吸合。過了這段時間（ΔT），切換Send為高電平，電流值又重新升高到參考電壓對應(yīng)的電流值，如此循環(huán)下去。這段時間（ΔT）在下面的敘述中稱為斷電時間。

圖5 系統(tǒng)總體方案

2.2.3 參考電壓電路設(shè)計

參考電壓電路的作用是產(chǎn)生0～3.3 V之間的一個參考電壓，參考電壓電路如圖6所示。由FPGA發(fā)送的一定占空比的脈沖波Pulse，其占空比為， 即參考電壓與IO口高電平3.3 V的比值。在多次實驗測試中，Pulse脈沖頻率取1 k Hz時，輸出的參考電壓比較穩(wěn)定。電容C1、C2、C3起到濾波的作用。U1是一個電壓跟隨器，提高后級的帶負載能力，保證參考電壓的值不會受到后級電路的干擾，維持一個穩(wěn)定的值。

圖6 參考電壓電路

2.2.4 比較電路與主回路設(shè)計

比較電路實時地采集采樣點的電壓值。如圖7所示，比較器U2將采樣電壓值與參考電壓值Vref進行比較，比較的結(jié)果通過Receive反饋給FPGA。當采樣值比參考值大時，F(xiàn)PGA拉低脈沖電平Send，切斷驅(qū)動電路的回路。其中，D1二極管起到斷電續(xù)流及保護作用，防止電磁鐵斷電時電感反向電壓突然增大。R6是精密采樣電阻，P1是由一個電感與電阻串聯(lián)的電磁鐵R-L等效電路。

圖7 主回路與比較電路

2.2.5 程 序

本研究所選的FPGA芯片是Lattice公司的LMXO2-1200HC，該現(xiàn)場可編程門陣列芯片具有運行可靠、穩(wěn)定，保證了擴展系統(tǒng)的安全運作；響應(yīng)快速、高效，能夠滿足電子提花機系統(tǒng)的正常工作；集成度高、功能強，擴展便捷靈活，可以縮短系統(tǒng)的開發(fā)周期［6］。設(shè)計軟件采用的是Lattice公司FPGA的開發(fā)平臺Lattice Diamond。運用VerilogHDL語言編寫程序，程序采用結(jié)構(gòu)化設(shè)計，按功能劃分模塊，程序流程如圖8所示。

圖8 程序流程

2.3 斷電時間ΔT的選取與平均電流的計算

從上面的控制方案可以看出電磁鐵內(nèi)的電流在保持階段內(nèi)是一個波動的值，在實際應(yīng)用中，我們需要知道它的平均電流值。平均電流的大小與參考電壓的值以及斷電時間ΔT有關(guān)。

2.3.1 斷電時間的選取

斷電時間ΔT應(yīng)根據(jù)參考電壓的值以及電磁鐵線圈斷電后自身能維持的續(xù)流時間來選取。如果斷電時間ΔT過短，即線圈的電流還未降下來，主回路又繼續(xù)通電，那么會造成平均電流降不下來，控制也沒有了意義。如果斷電時間ΔT過長，斷電后逐漸減小的線圈電流產(chǎn)生的電磁吸力不足以抵抗選針片的彈性反力，選針片因吸力不夠而釋放。合適的斷電時間ΔT一般是根據(jù)實驗調(diào)試得到的。

2.3.2 平均電流的計算

一個通斷電周期內(nèi)流過電磁鐵線圈的電流由兩部分組成，一部分是回路通電時間的電流，即回路通電后電流上升到參考電壓對應(yīng)的電流值時的電流，另一部分是斷電期間電磁鐵線圈依靠電感續(xù)流的電流。

在電磁鐵低電流保持吸合過程中，圖7電路中的回路處在斷電期間，功率晶體管Q1不導通，此時電磁鐵的電感和自身電阻組成了一個 R-L電路。該電路中無外加施激勵電源，僅由動態(tài)元件初始儲能所產(chǎn)生的響應(yīng)，是一個動態(tài)電路零輸入響應(yīng)的RL電路。R-L電路零輸入響應(yīng)的電流公式［7］如下：

其中R為回路的電阻，L為電感，積分常數(shù)A= i（0+）=I0，I0為初始電流。該電磁鐵R-L電路的電阻R=100Ω，電感L=25 m H，2.2Ω。

在斷電時間ΔT1內(nèi)電流總和：

在通電時間內(nèi)，電磁鐵線圈電流從經(jīng)過斷電時間后的剩余電流又升到參考電壓對應(yīng)的電流值。從實驗結(jié)果可以看出，這段上升的電流曲線近似一條直線。故這段時間內(nèi)的平均電流可以取兩端最小電流與最大電流之和的一半，在通電時間內(nèi)電流總和：

其中Imin為通電時間內(nèi)最小電流值，Imax為通電時間內(nèi)最大電流值，ΔT2為通電時間。

一個周期內(nèi)的平均電流可以近似計算：

其中T為斷電時間與通電時間的總和，即通斷電周期。

3 實驗調(diào)試結(jié)果

實驗中參考電壓的值為200 mV，斷電時間ΔT為250μs，示波器采集到的各通道波形圖如圖9所示。示波器通道1顯示的是Pulse脈沖波的波形圖，通道2顯示的是參考電壓Vref的波形圖，通道3顯示的是采樣點的電壓波形圖，通道4顯示的是FPGA的脈沖Send波形圖。通道1顯示的Pulse脈沖波的占空比為

圖9 參考電壓值為200 m V的實驗波形

通道2顯示了Pulse脈沖波經(jīng)參考電壓電路后得的200 m V參考電壓，可以看出該200 mV電壓波形穩(wěn)定，毛刺較小，驗證了參考電壓電路的準確性及可靠性。

通道3顯示的是采樣點的電壓波形，低電平階段表示斷電時間250μs，可以看出高電平近似一條斜線，該斜線反映了采樣點在通電階段內(nèi)的電壓變化，間接反映了磁鐵線圈上的電流變化曲線。在斷電時間內(nèi)電磁鐵線圈依靠自身電感的續(xù)流作用來維持選針片的吸合。在通電時間內(nèi)電流由73 mA，增加到依據(jù)3.3節(jié)平均電流的計算方法可以計算出參考電壓為200 mV時所對應(yīng)的平均電流為I平均=77.7 m A。

通道4顯示的脈沖波形Send是用來驅(qū)動晶體管Q1，高電平使晶體管導通，主回路導通，電磁鐵線圈處于通電階段。低電平使晶體管斷開，主回路不導通，電磁鐵線圈處于斷電階段。

依照上面的控制方法，改變參考電壓值，可測出各采樣點的電壓波形，計算出在不同參考電壓下的電流平均值，如表1所示。

表1 不同參考電壓下的平均電流值

從表1數(shù)據(jù)可以看出，在電磁鐵保持階段，斷電時間同樣是250μs的情況下，不同的參考電壓值對應(yīng)不同的平均電流值，驗證了該電流控制方法的正確性。

在實際應(yīng)用過程中，參考電壓值的選取與保持階段電磁吸力有關(guān)，在電磁吸力足夠有效地吸住選針片的情況下，可當選取較低的參考電壓值，以使平均電流最合理，從定性上可以看出一方面通過降低保持階段的電流，可以使電磁鐵釋放速度提高，提高響應(yīng)速度，另一方面不會使過大的保持電流造成對電能的浪費。

4 結(jié)束語

本研究從理論上分析了電磁鐵吸合的過程，討論了兩種常見的加速電磁鐵快速響應(yīng)兩種方法，在此基礎(chǔ)上設(shè)計了基于電流控制選針器驅(qū)動電路，給出了電磁鐵保持階段軟件算法與平均電流的計算方法，最后進行了實驗驗證。實驗結(jié)果表明，基于電流控制的方法能有效地調(diào)節(jié)驅(qū)動回路的平均電流，相比雙電壓驅(qū)動電路少了一個電壓源，同時保持階段的電流可以根據(jù)工況需要進行調(diào)節(jié)，更具靈活性。

將上述電流控制方法應(yīng)用在提花機選針器驅(qū)動電路中，可以實現(xiàn)電磁鐵高電流快速吸合，低電流保持的目的，這樣既能保證電磁鐵有效的吸合，又能實現(xiàn)低功耗保持，節(jié)省了能源，可為國產(chǎn)提花機在提高快速響應(yīng)與節(jié)省能耗方面上提供參考。

［1］宋 軍，李書澤，李孝祿，等.高速電磁閥驅(qū)動電路設(shè)計及試驗分析［J］.汽車工程，2005，27（5）：546-549.

［2］張 華，胡旭東.嵌入式電子提花機控制系統(tǒng)研究［J］.機電工程，2006，23（2）：30-32.

［3］郭鳳儀，李 靖.電器學［M］.北京：機械工業(yè)出版社，2013：163-167.

［4］郭月洋，陳瑞琪.電子多臂機電磁鐵吸合過程分析及加速措施探討［J］.棉紡織技術(shù)，2000，28（10）：16-19.

［5］Harirak A，Sangwongwanich S.A novel source-current detection type active filter equivalent to load-current detection type［C］//Industry Applications Conference，2005.Fortieth IAS Annual Meeting.Conference Record of the 2005.IEEE，2005，2：1205-1212.

［6］張建義，張露露，袁嫣紅.基于FPGA的大針數(shù)提花機控制器設(shè)計［J］.浙江理工大學學報，2010，27（3）：353-356.

［7］邱關(guān)源.電路［M］.5版.西安：高等教育出版社，2006：140-146.

Design and Analysis of Driving Circuit of Needle Selector of Jacquard Machine Based on Current Control

FAN Jian-guo，YUAN Yan-hong，ZHANG Jian-yi
（Modern Textile Equipment and Technology Engineering Research Center of Ministry of Education，Zhejiang Sci-Tech University，Hangzhou 310018，China）

The response speed and energy consumption of electromagnetic needle selector are two important factors concerning the performance of electronic jacquard machine with high number of threads. This paper theoretically analyzes the process of electromagnet actuation，discusses two common methods of accelerating rapid response of electromagnet，designs a driving circuit of needle selector of jacquard machine based on current control on this basis and gives the computing method of average current of driving circuit.The experimental result shows that this current control method can make electromagnet realize high-current，rapid and effective actuation in actuation stage and realize the maintenance of low current and low energy consumption in the stage of maintenance.

electronic jacquard machine；needle selector；response speed；energy consumption；current control method

TS183.6

A

（責任編輯：康 鋒）

1673-3851（2014）03-0281-06

2013-10-09

現(xiàn)代紡織裝備技術(shù)創(chuàng)新團隊（2009R50018）；浙江省自然科學基金（Z1110750）

范建國（1988-），男，浙江麗水人，碩士生，主要從事嵌入式控制系統(tǒng)方面的研究。

袁嫣紅，E-mail：yyh@zstu.edu.cn