針織機(jī)械密度調(diào)節(jié)驅(qū)動(dòng)器的一體化設(shè)計(jì)

浙江工業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院　吳小良

紹興龍晟機(jī)械制造有限公司　吳華盛

0　引言

按工藝類別,針織機(jī)械可分為緯編機(jī)和經(jīng)編機(jī)。針織物具有良好的彈性、舒適性與延展性，擁有廣泛的應(yīng)用市場(chǎng)。而目前國內(nèi)市場(chǎng)高端的針織機(jī)基本依賴進(jìn)口，國家需要花費(fèi)大量的外匯購買針織機(jī)系統(tǒng)。因此開發(fā)具有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的高端針織機(jī)，努力提高國內(nèi)針織設(shè)備制造水平和應(yīng)用水平具有十分重要的意義[1]。

影響編織質(zhì)量的因素有很多，其中一個(gè)很重要的影響因素是密度調(diào)節(jié)。在目前的針織機(jī)械中，比較成熟的密度調(diào)節(jié)裝置原理是由密度電機(jī)驅(qū)動(dòng)密度三角滑塊上的密度壓針三角和密度起針三角運(yùn)動(dòng)來實(shí)現(xiàn)的[2]。概括來說，通過控制密度電機(jī)的運(yùn)動(dòng)來改變織物密度。

1　數(shù)字驅(qū)動(dòng)器設(shè)計(jì)方案

密度調(diào)節(jié)必須具有無極微調(diào)功能，所以動(dòng)力部分選用步進(jìn)電機(jī)，為了步進(jìn)電機(jī)獲得更好的控制效果，需要選用專用的驅(qū)動(dòng)設(shè)備，因此，為了提高步進(jìn)電機(jī)系統(tǒng)的運(yùn)行性能，除了電機(jī)本身性能，還取決于驅(qū)動(dòng)設(shè)備性能的優(yōu)劣。

本文提出了一種數(shù)字驅(qū)動(dòng)器設(shè)計(jì)方案，將步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)控制器與步進(jìn)電機(jī)實(shí)現(xiàn)一體化設(shè)計(jì)，即將步進(jìn)電機(jī)、運(yùn)動(dòng)控制器，驅(qū)動(dòng)放大器，反饋裝置組成一個(gè)整體放入一個(gè)驅(qū)動(dòng)器腔體內(nèi)。

現(xiàn)今市面上的控制系統(tǒng)皆采用驅(qū)動(dòng)器與步進(jìn)電機(jī)分離的方案，但是由于針織機(jī)械的成圈路數(shù)多，使得步進(jìn)電機(jī)的驅(qū)動(dòng)線路多，各個(gè)步進(jìn)電機(jī)相線之間的干擾大，導(dǎo)致步進(jìn)電機(jī)運(yùn)行穩(wěn)定性下降。同時(shí)，傳統(tǒng)設(shè)計(jì)方案通常都是將多個(gè)步進(jìn)電機(jī)的驅(qū)動(dòng)電路設(shè)計(jì)在同一塊板上并由一片控制芯片控制多個(gè)步進(jìn)電機(jī)的運(yùn)轉(zhuǎn)，這就使得控制難度大大增加。

本方案中，驅(qū)動(dòng)器與步進(jìn)電機(jī)實(shí)現(xiàn)了一體化設(shè)計(jì)，并通過總線通訊由上位機(jī)對(duì)各個(gè)驅(qū)動(dòng)器進(jìn)行控制，避免了電機(jī)相線之間的干擾，增加了系統(tǒng)穩(wěn)定性。而且由于本設(shè)計(jì)中各個(gè)步進(jìn)電機(jī)及其驅(qū)動(dòng)器都是相互獨(dú)立的，上位機(jī)控制簡單，這樣也使得系統(tǒng)調(diào)試簡單，安裝方便，后期的維護(hù)也相對(duì)容易。

2　驅(qū)動(dòng)器腔體設(shè)計(jì)

本設(shè)計(jì)實(shí)體采用如圖1所示的設(shè)計(jì)方式。驅(qū)動(dòng)控制器PCB板設(shè)計(jì)為40mm*40mm，所有模塊均布置在該P(yáng)CB板上，同時(shí)該板內(nèi)嵌入步進(jìn)電機(jī)腔體中。

圖1　驅(qū)動(dòng)器腔體設(shè)計(jì)方案

為實(shí)現(xiàn)這樣的一體化設(shè)計(jì)，硬件電路各個(gè)模塊需要使用集成電路芯片來實(shí)現(xiàn)，這樣能夠有效地減少PCB布板的面積，同時(shí)又有良好的可靠性與穩(wěn)定性。

3　硬件電路設(shè)計(jì)

控制系統(tǒng)分為四個(gè)模塊：電源模塊、電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊、電機(jī)控制模塊以及反饋模塊。驅(qū)動(dòng)器總體設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2　驅(qū)動(dòng)器總體框圖

3.1　驅(qū)動(dòng)部分電路設(shè)計(jì)

步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)芯片采用BD63860,因?yàn)槌》庋b有利用集成在較小殼體內(nèi)，良好的散熱性能保證在相對(duì)封閉的環(huán)境里可以長時(shí)間工作.步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)芯片電路原理圖如圖3所示。

本設(shè)計(jì)禁用復(fù)位功能，因此該引腳接高電平。該芯片內(nèi)部自帶肖特基二極管，因此將SR端接高電平，即自身整流模式，不需要外部肖特基二極管，SR端接高電平。

圖3　步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊原理圖

RNF1、RNF2是PWM斬波電流設(shè)置端口，斬波電流輸出計(jì)算公式如下：

公式中RNF=0.2?,Vref=1.73V,有電阻R13與R12分壓得到，斬波電流是。

關(guān)斷時(shí)間由CR1、CR2端口所接的電容與電阻決定的，本設(shè)計(jì)采用1000pF的電容和39k?的電阻，得到關(guān)斷時(shí)間為31.6μs。

3.2　控制部分電路設(shè)計(jì)

本設(shè)計(jì)使用了基于ARM Cortex-M0的LPC11C24芯片，該芯片集成了TJF1051 CAN收發(fā)器，不僅可以提高CAN通訊的可靠性，減少硬件電路干擾等，同時(shí)在電路板上節(jié)省空間50%以上，降低總體成本80%[4]。

該芯片主要供電電壓為3.3V，主要是由電源模塊提供的。供電電壓源正負(fù)端接了電容，主要的作用為濾波，為芯片提供一個(gè)穩(wěn)定的電壓。時(shí)鐘電路主要在CLK_OUT和CLK_IN這兩個(gè)引腳上接入晶體振蕩器和電容，為芯片提供時(shí)鐘信號(hào)。外部晶體振蕩器可以為主時(shí)鐘提供精確的占空比為50%的時(shí)鐘信號(hào)[5]。

4　軟件設(shè)計(jì)

驅(qū)動(dòng)控制器軟件通過CAN接受和發(fā)送指令，實(shí)現(xiàn)步進(jìn)電機(jī)運(yùn)動(dòng)控制、步進(jìn)電機(jī)歸零、步進(jìn)電機(jī)參數(shù)設(shè)置。

4.1　CAN應(yīng)用層協(xié)議定制

CAN支持標(biāo)識(shí)符(ID)長度部分為11位和29位報(bào)文格式，本設(shè)計(jì)采用29位報(bào)文格式。ID0～I(xiàn)D7為8位控制指令；ID8～I(xiàn)D20為預(yù)留位，用于未來系統(tǒng)的擴(kuò)展。ID21位為全局指令位，表示是單獨(dú)接受還是多方接受。為ID22～I(xiàn)D28為接收地址位，共7位，最多可控制27=128個(gè)步進(jìn)電機(jī)；

4.2　步進(jìn)電機(jī)控制程序設(shè)計(jì)

步進(jìn)電機(jī)的控制主要包括步進(jìn)電機(jī)歸零、步進(jìn)電機(jī)運(yùn)動(dòng)控制。其中運(yùn)動(dòng)控制又可以分為電機(jī)使能控制、速度控制、轉(zhuǎn)向控制、轉(zhuǎn)動(dòng)步數(shù)控制等。

歸零操作通過來霍爾傳感器檢測(cè)步進(jìn)電機(jī)零位，當(dāng)主程序接受到CAN報(bào)文要求歸零，啟動(dòng)電機(jī)，當(dāng)電機(jī)轉(zhuǎn)到傳感器發(fā)送的電機(jī)零位點(diǎn)，關(guān)閉電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)，完成歸零操作。

電機(jī)勢(shì)能控制通過設(shè)置ARM芯片與電機(jī)相連的控制管腳來實(shí)現(xiàn)。電機(jī)速度控制通過控制發(fā)送脈沖的頻率來控制，轉(zhuǎn)動(dòng)步數(shù)控制通過控制脈沖數(shù)目來實(shí)現(xiàn)。

電機(jī)加速通過定時(shí)器重裝載實(shí)現(xiàn)。即在定時(shí)器中斷時(shí)關(guān)閉定時(shí)器計(jì)數(shù)，之后重新裝載定時(shí)器寄存器值，再打開定時(shí)器計(jì)數(shù)。由此每兩次進(jìn)入中斷便改變一次定時(shí)時(shí)間直至達(dá)到指定運(yùn)轉(zhuǎn)速度。

圖4　步進(jìn)電機(jī)控制程序框圖

5　總結(jié)

本文為針織機(jī)械設(shè)計(jì)了一種集成度更高的密度調(diào)節(jié)驅(qū)動(dòng)器，將運(yùn)動(dòng)控制器、驅(qū)動(dòng)放大器和反饋裝置組成整體放入一個(gè)腔體內(nèi)從而實(shí)現(xiàn)了一體化的設(shè)計(jì)，整個(gè)驅(qū)動(dòng)器通過CAN總線與上位機(jī)通訊，并詳細(xì)介紹了驅(qū)動(dòng)器的軟硬件設(shè)計(jì)。

經(jīng)現(xiàn)場(chǎng)調(diào)試證明，該驅(qū)動(dòng)控制器安裝方便，運(yùn)行良好，實(shí)時(shí)性高，步進(jìn)電機(jī)運(yùn)行平穩(wěn)且無失步，較好的滿足了針織機(jī)械對(duì)密度調(diào)節(jié)驅(qū)動(dòng)器的要求。

[1]李軍.基于WinCE平臺(tái)的圓緯機(jī)控制系統(tǒng)的研究與開發(fā)[D].北京:北京郵電大學(xué)軟件工程專業(yè),2008.

[2]孫平范.圓形針織機(jī)的密度調(diào)節(jié)裝置[P].中國專利:201120340142.4,2011-09-13

[3]幸坤濤.步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器BD63860及應(yīng)用[J].電子世界,2009,30(04):17-19.

[4]NXP公司.NXP推出首款LPC11C22和LPC11C24整合式CAN收發(fā)器微控制方案[EB/OL].[2011-01-26].http://www.el--ecfans.com/baike/bandaoti/bandaotiqijian/185903.html.

[5]NXP SemiConductors.LPC11CX2/CX4 Product Data Sheet[EB/OL].Rev.3-27 June 2011.

[6]王學(xué)峰.CAN總線技術(shù)及應(yīng)用[J].赤峰學(xué)院學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版),Journal of Chifeng University(Natural Science Edition),2008,24(02):52-53.