無縫內衣機分布式氣閥組驅動控制單元設計

彭來湖， 萬中魁， 胡旭東， 向 忠， 楊亮亮

(1. 浙江理工大學 現代紡織裝備技術教育部工程研究中心， 杭州 浙江 310018；2. 浙江理工大學 浙江省現代紡織裝備技術重點實驗室， 杭州 浙江 310018)

無縫內衣機分布式氣閥組驅動控制單元設計

彭來湖1,2， 萬中魁1,2， 胡旭東1,2， 向 忠1,2， 楊亮亮1,2

(1. 浙江理工大學 現代紡織裝備技術教育部工程研究中心， 杭州 浙江 310018；2. 浙江理工大學 浙江省現代紡織裝備技術重點實驗室， 杭州 浙江 310018)

針對內衣機氣閥驅動路數繁多、空間布局分散的特點，歸納分析不同空間位置氣閥的功能和性能要求，提出一種基于RS485總線通信的分布式驅動控制設計方案。根據控制單元分布式結構，構建了總體設計架構，論述了驅動控制單元硬件電路設計與軟件開發，并根據控制指令傳輸需求，擬定了通信協議。為降低氣閥功耗，提高動作準確率，驅動方式采取脈沖寬度調制(PWM)保持的方式，通過深入研究PWM各參數對通過氣閥線圈電流的影響，在不同頻率值和占空比下測量氣閥線圈電流，結合實際打動情況選擇最合適的參數。測試結果表明，該方案穩定可靠，氣閥工作效率高，滿足無縫內衣機的控制要求。

無縫內衣機；氣閥； 分布式驅動控制； 頻率； 占空比

無縫內衣機中，三角、梭子、哈夫針、夾子、剪刀[1]等執行機構都是通過氣閥驅動的，種類繁多，空間布局分散。所選用氣閥大都為電磁氣閥，氣閥內部線圈電流的大小是影響氣閥溫度的關鍵因素。國產的控制器與進口控制器相比，擴展性和抗干擾性不強，控制線路復雜，且通過氣閥線圈電流普遍較高，導致氣閥溫度很高，影響工作特性。

通過深入研究RS485總線的特性，根據無縫內衣機編織工藝的控制要求，提出一種無縫內衣機氣閥組分布式驅動控制方法。對氣閥驅動的執行機構采用分類處理，通過多路多節點的通信方式，提高系統的實時性和穩定性。采用脈沖寬度調制(PWM)保持的方式減小氣閥工作電流[2]，降低功耗，提高動作準確率，延長氣閥使用壽命。

1 驅動控制單元分布式結構概述

無縫內衣機種類很多，本文設計以8路單針筒無縫針織內衣圓機為例進行闡述。在8路單針筒無縫針織內衣圓機中，靠氣閥驅動的執行機構共232個，根據分布位置，大致分為2大類，梭子氣閥和其他氣閥，如圖1所示。梭子氣閥位于機器的八路梭子機構后面，每路裝有15個氣閥，共120個，其他氣閥位于機器后面，成組排列，共112個，每組8個，分為14組。

本文設計采用分層結構控制，如圖2所示。分為主控制層和執行層，總體架構為2路RS485總線架構，主控制層選用ST公司的ARM芯片STM32F407，執行層選用ST公司的ARM芯片STM32F103C8T6。

根據無縫內衣機編織工藝要求，綜合考慮方案成本、芯片IO口數目與驅動能力，決定通過1塊氣閥驅動板驅動24個電磁氣閥。選取主控芯片中的UART1和UART2作為氣閥控制單元的通信口，采用串行通信的方式，每條總線上最多串聯8個節點。對于梭子氣閥而言，每路梭子氣閥使用1塊氣閥驅動板控制，共需8塊驅動板；對于其他氣閥而言，由于電磁閥分布集中，且為成組排列，氣閥驅動板每塊最多控制3組氣閥，共需5塊驅動板。

2 驅動控制單元硬件設計

2.1 核心控制模塊電路設計

驅動控制單元的電路如圖3所示。圖中AD1～AD4為氣閥驅動板地址線，一條支路上最多驅動16塊氣閥板；BOOT0和BOOT1為芯片啟動模式選擇線，將BOOT0置“0”、BOOT1置“1”選擇從用戶閃存啟動[3]；OSC接外部晶振，為芯片提供穩定的時鐘；DE、REB、485RXD和485TXD為通信信號；valve1～valve24為輸出信號，驅動24個氣閥。

2.2 氣閥開關電路設計

無縫內衣機中所使用的氣閥為電磁閥，電磁閥的工作特性是當需要磁鐵吸合時，在線圈上通過額定電流，使磁鐵吸合。吸合后，磁路中氣隙減小，磁阻降低，僅需較小電流即可維持吸合狀態[4]。所以控制時先高壓打開一段時間，使磁鐵吸合，打開氣閥，再通過PWM保持的方式維持打開狀態。

氣閥開關電路如圖4所示。電路采用ULN2804A作為驅動芯片，ULN2804A為8路達林頓管陣列，最大輸出電流為500 mA，最大輸出電壓為50 V，打開關閉最大延時時間為 1 μs。采用光耦對控制芯片和驅動芯片進行電氣隔離，增強抗干擾能力，型號為TLP185。IN為信號輸入端，連接ARM芯片STM32F103的IO口。根據用戶手冊可知，ULN2804A內部為2個NPN型三極管，根據IN端的輸入狀態、輸出高壓或低壓來切換氣閥的開關狀態。當IN輸入高電平時，內部三極管工作在截止區[5]，電磁氣閥關閉；反之，電磁氣閥打開。每塊驅動芯片能驅動8個電磁氣閥，則氣閥板上的24個氣閥剛好需要3塊驅動芯片。

2.3 通信接口電路設計

通信接口電路如圖5所示。采用RS485總線實現數據傳輸，電路采用全雙工模式[6]，選用

SP491E作為總線收發器。SP491E是一個低功耗差分收發器，數據傳輸速率高達10 Mbps。使用SP491E能夠提高傳輸速度和抗干擾能力，且通過切換收發器的工作狀態，在多節點傳輸時減少對總線的干擾，增強通信的可靠性。為滿足通信的高速性，通信信號傳輸過程中采用光耦隔離，型號為FODM611。FODM611具有高抗擾度，且傳輸延時不超過100 ns。在光耦兩端的傳輸線上加濾波電容，保證數據傳輸的準確性；在總線末端差分線正負極之間加入終端電阻，消除通信電纜中的信號反射，使收發器和電纜之間阻抗相匹配[7]。

3 控制單元軟件開發

3.1 通信協議制定

3.1.1 RS485總線通信協議制定

RS485總線通信采用數據包的形式進行傳遞，由于氣閥各種控制指令的數據包字節數不同，制定不同幀包字節總數通信協議，如表1所示。協議共包括7種命令，分別為起始幀、幀包字節數、功能指令、地址編號、參數、CRC(循環冗余校驗)校驗碼[8]和結束幀組成。起始幀標志著一包數據的開始；幀包字節數為本次數據包的字節總數；功能指令包含此次數據包的功能信息；地址編號表示本次信息的接收對象；參數1～n表示此次數據包中的動作指令；CRC校驗碼是由主控制層根據當前數據包計算出的32位校驗碼，分為4個字節[9]。當執行層接收到數據時，對包中數據進行CRC校驗，減少數據接收錯誤率；結束幀標志著本次數據包的結束。

表1 RS485總線通信協議Tab.1 Communication protocol of RS485 bus

3.1.2 控制指令協議制定

指令傳輸時，共包括5種控制指令，如圖6所示，分別是氣閥測試、氣閥動作、功能配置、數據反饋和程序升級。氣閥測試包括單個氣閥測試、單路氣閥測試、氣閥老化測試和氣閥循環測試，測試每個氣閥是否能夠正常工作；氣閥動作表示根據具體編織工藝要求，按照主控制層發送的動作指令，進行協調有序的動作；功能配置包括參數配置和安全檢查，參數配置指調節氣閥動作時的PWM占空比和頻率；安全檢查指令相當于系統上電后的“問候語”，確認執行層是否準備就緒；數據反饋中主要是由執行層向主控制層反饋報警信息、PWM參數配置完成信息和安全檢查完成信息；程序升級是用來傳輸氣閥驅動板的升級程序。

3.2 控制指令解析程序開發

執行層的程序流程圖如圖7所示，程序采用中斷方式接收數據，進入中斷后，對數據進行解析。如果解析為氣閥動作指令，對動作指令與當前氣閥狀態進行比較，如果動作指令相同，則按照設定好的PWM占空比進行PWM保持；如果動作指令不相同，動作指令為“1”→“0”，氣閥從關閉到打開，則先維持氣閥高壓打開狀態100 ms，再進行PWM保持打開狀態；若動作指令為“0”→“1”，則直接置“1”關閉氣閥即可。

4 測 試

4.1 數據傳輸測試

數據傳輸測試通過示波器采集數據波形的方法，RS485總線數據傳輸波形如圖8所示。設定波特率為1 Mb/s，傳輸數據為13個字節的氣閥動作指令0xAA、0xAA、0x0C、0xA1、0x01、0x05、0x01、0xFD、0xB7、0xCA、0x98、0xFF、0xFF。由圖可知，每1位的時間為1 μs，滿足所設定波特率。所測波形為差分波形，正極電平4.2 V，負極電平-4.2 V，滿足RS485總線電氣特性[10]。

4.2 氣閥動作測試

氣閥動作測試主要是在不超過氣閥額定功率的前提下，通過調節PWM保持的頻率值和占空比，使氣閥打開時，無縫內衣機上的執行機構能維持動作狀態。PWM的頻率能夠影響氣閥線圈的電流波動和電路電磁干擾，合適的頻率值能有效減小電流波動和電磁干擾；PWM占空比決定了保持電流大小，需要確保保持電流在氣閥額定電流以內。不同頻率和占空比下電流值的測試結果如表2所示。

根據無縫內衣機上氣閥的參數，額定功率為1.3 W，由24 V直流供電，則通過計算可知氣閥工作時的工作電流I<1.3/(24-0.7)≈0.055 8 A。但是，電流太小會導致電磁氣閥無法維持執行機構打開狀態。通過對比表中數據，選取PWM頻率為1 000 Hz，占空比為70%，此時電流為0.045 A。

經過上機測試，在此參數下，所有氣閥均能帶動執行機構動作。

表2 不同頻率和占空比下的氣閥線圈電流值Tab.2 Current value through coil of air valve at different frequency and duty cycle

5 結 語

無縫內衣機氣閥組分布式驅動控制單元設計，對復雜多樣、空間布局分散的氣閥驅動機構進行分類處理，分路控制，大大減少了線路的復雜程度，每條支路采用多節點串行連接，保證了通信的穩定性和可靠性，提高了通信速度和擴展能力。采用PWM保持的方式減小通過氣閥線圈的電流，降低了功率消耗，提高了執行機構動作準確率，延長了氣閥使用壽命。

FZXB

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Distributed drive control unit design of air valvegroup on underwear machine

PENG Laihu1,2， WAN Zhongkui1,2， HU Xudong1,2， XIANG Zhong1,2， YANG Liangliang1,2

(1.TheCenterforEngineeringTechnologyofModernTextileMachinery&TechnologyofMinistryofEducation,ZhejiangSci-TechUniversity,Hangzhou,Zhejiang310018,China; 2.KeyLaboratoryofModernTextileMachinery&TechnologyofZhejiangProvince,ZhejiangSci-TechUniversity,Hangzhou,Zhejiang310018,China)

The air valves of underwear machine are various and scattered. After analyzing and classifying the function and performance requirement of the valves in different locations, a kind of distributed drive solution based on RS485 bus is put forward. According to distributed structure of control unit, total design framework is built and the paper introduces the hardware circuit design, the software development and communication protocol which is formulated on the basis of control commands transmission requirements are discussed. In order to reduce the power and enhance the operating accuracy, pulse width modulation(PWM) mode is used as the drive mode. The current at different parameters (frequency and duty cycle) is measured, and in combination with the real movement, the most suitable parameters are selected. The results indicated that the solution is stable and reliable, and the valve has work efficiently, satisfying the control demand on the seamless underwear machine.

seamless under wear machine; air valve; distribution drive control; frequency; duty cycle

2015-09-08

2016-03-25

國家科技支撐計劃項目(2013BAF05B00；2014BAF06B03)；國家自然科學基金資助項目(51305404)

彭來湖(1980—)，男，講師，博士生。主要研究方向為針織裝備控制技術。E-mail：laihup@zstu.edu.cn。

10.13475/j.fzxb.20150902005

TS 103.7

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