高可靠低時延絲襪機電磁閥組驅動控制技術

牛沖　彭來湖　呂永法　史偉民　戴寧

摘要：針對現有絲襪機電磁閥驅動電路路數多、布線復雜、相互干擾、可靠性差、系統不穩定等問題，開展高可靠低時延電磁閥組驅動控制技術研究，提出一種菊花鏈式全雙工串行總線傳輸結構的絲襪機電磁閥組驅動控制方案。該方案以差分串行信號形式與多個集成驅動電路模塊進行數據傳輸，通過硬件功能化配置的方法，使電磁閥工作在高壓開啟、PWM保持狀態，進行驅動模塊故障自保護、自診斷功能設計，有效減少了電氣接線，減少了互擾，提高了系統穩定性和智能化水平。利用示波器對傳輸信號波形進行觀察，并在不同的參數下對電磁閥進行工作測試。結果表明：該方案下數據傳輸速度快、抗干擾能力強，滿足絲襪機高速動作要求;在高壓開啟時間300ms，PWM占空比62.5%，頻率50kHz條件下，電磁閥能夠有效執行動作且功耗較低，同時該方案能夠及時檢測到多種故障并處理，提高了工作可靠性，證明了該技術方案的可行性和有效性。

關鍵詞：電磁閥;菊花鏈式;高可靠;低時延

中圖分類號：TS103.7

文獻標志碼：A

文章編號：1009-265X（2021）01-0097-06

作者簡介：牛沖（1991-），男，河南新鄉人，碩士研究生，主要從事針織裝備控制技術方面的研究。

Abstract：Inconsiderationoftheproblemsofsolenoidvalveofexistingstockingmachinessuchaslargenumberofdrivingcircuits，complicatedwiring，mutualinterference，poorreliability，andunstablesystem，astudyondrivecontroltechnologyofhigh-reliabilityshort-latencysolenoidvalvegroupisconducted，andadrivecontrolsolutionofsolenoidvalvegroupofstockingmachinesindaisy-chainedfullduplexserialbustransmissionstructureisproposed.Accordingtothesolution，datatransmissionwithmultipleintegrateddrivecircuitmodulesisrealizedbymeansofdifferentialserialsignals.Besides，drivermoduleself-protectionandself-diagnosisfunctiondesignisrealizedbymakingsolenoidvalvesworkunderhighvoltagewithPWMretainingviafunctionalconfigurationofhardware，whichlargelyreduceselectricalwiringandmutualinterference，andimprovessystemstabilityandintelligencelevel.Thetransmittedsignalwaveformisobservedwithoscilloscope，andthesolenoidvalvesunderdifferentoperatingparametersweretested.Theresultsshowthatthesolutioncanrealizehighdatatransmissionspeedandlowmutualinterference，whichmeetsthehigh-speedoperationrequirementsofstockingmachine.Undertheconditionsofhigh-voltageretainingfor300ms，PWMdutyratioof62.5%andfrequencyof50kHz，thesolenoidvalvecaneffectivelyperformtheactionwithlowpowerdissipation.Meanwhile，thesolutionishelpfultodetectmultiplefaultsandprocessthemintime，improvingoperationalreliability，andprovingthefeasibilityandeffectivenessofthetechnicalsolution.

Keywords：solenoidvalve;daisy-chained;high-reliability;short-latency

在提花絲襪機中，三角、剪刀、梭子等執行機構都是由電磁閥進行控制，路數眾多，因此電磁閥的驅動控制對整個絲襪機控制系統設計具有重要的作用[1]。絲襪機轉速快、機構動作頻率高，同時由于運轉過程中伺服電機、步進電機等執行器會產生大量電磁干擾，因此對于電磁閥驅動控制的可靠性、通訊速度及抗干擾能力有較高的要求。現有電磁閥驅動控制方案大致可分為兩類：一類是采用復雜可編程邏輯器件擴展輸出的控制方式，對電磁閥進行單點控制;另一類是以微控制器為核心的總線控制方式。前者導致系統線材繁多，控制線路復雜，故障概率高并且容易引入干擾。后者通訊速度有瓶頸，可擴展性較差，每擴展一個節點就需要增加一塊微控制器，成本較高，并且如果節點過多將會造成較大的通訊傳輸時延。另外現有的控制方案均缺乏對電磁閥的故障檢測及保護功能，可靠性較差[2-7]。

本文通過研究SPI總線的傳輸特性、結構，根據提花絲襪機編織工藝的控制要求，提出了一種高可靠低時延的電磁閥驅動控制技術。該技術采用ARM控制器為控制核心，以集成驅動器直接驅動電磁閥。使用單一串口以菊花鏈的方式級聯多個驅動器，采用雙端平衡的差分總線傳輸控制數據，提高了系統的抗干擾能力和可擴展性。通過串口配置驅動器使電磁閥工作在高壓開啟、PWM保持的狀態以降低工作溫度、節約功耗。控制器實時讀取驅動器故障寄存器監測電磁閥工作狀況，提高工作可靠性。

1驅動控制整體方案設計

根據分布位置，提花絲襪機電磁閥大致分為兩類：梭子電磁閥和其他電磁閥。梭子電磁閥位于梭子機構后面，每路16個。其他電磁閥分布于機器后面兩側，成組排列，一側各8排，每排8個電磁閥。由于提花絲襪機機型種類較多，電磁閥用量不盡相同，控制方案需要能夠方便地進行電磁閥組的擴展以匹配不同機型的需求。

設計電磁閥驅動控制架構如圖1所示，分為控制層和執行層，控制層以高性能ARM微控制器為核心，負責鏈條電磁閥動作指令的解析以及控制數據的整合與發送。執行層為具有SPI串行接口的專用集成驅動器，用于直接驅動電磁閥。控制器與驅動器之間以高速雙向全雙工串行SPI總線進行通訊，利用差分轉換器將單端SPI控制信號轉換為差分信號在總線上進行數據傳輸。

2驅動模塊硬件設計

2.1低時延總線傳輸結構及抗干擾差分電路設計

SPI總線是一種同步串行外設接口協議，它可以使MCU與各種外圍設備以串行的方式進行通信以交換信息。SPI總線通信協議簡單，具有傳輸速度快、通信效率高等諸多優點，但是由于SPI總線采用的是單端不平衡傳輸的數據傳輸方式，其傳輸距離較近，通常僅局限于板、卡級別的短距離數據傳輸。對于一主多從式通訊，SPI總線通常以片選信號來實現從設備的選擇，這樣將會占用過多的主設備控制端口，造成控制線增多，不便于擴展等問題，同時可靠性也會變差。本技術方案以低時延菊花鏈式總線傳輸結構及抗干擾差分電路設計規避以上問題，實現電磁閥的快速可靠控制。

2.1.1低時延菊鏈式全雙工串行總線傳輸結構

絲襪機運轉速度快、執行機構動作頻率高，對電磁閥的動作響應速度提出很高的要求，通訊實時性是機器運轉過程中電磁閥動作執行是否準確有效的必然要求。傳統電磁閥驅動控制方案多采用CAN總線通訊方式，根據CAN總線的位填充機制，按最高1Mbps的波特率計算，單個擴展幀的傳輸延遲時間約為128～151μs。而SPI總線是一種高速的全雙工同步通信總線，通訊波特率高達10Mbps以上。為滿足絲襪機控制需求，在10Mbps波特率下傳輸一幀12個控制字數據的傳輸延遲時間約為10μs。因此采用SPI總線能夠有效減少傳播時延。另外SPI總線通訊協議簡單，報文數據長度小，通訊雙方的發送時延與處理時延也非常小。

采用菊花鏈式拓撲結構能夠實現以最少的信號線控制多個從設備，并且理論上可以無限擴展，因此菊花鏈式SPI總線傳輸結構非常適合應用于對通訊速率、可擴展性要求高的場合，其傳輸結構如圖2所示。菊花鏈式結構采用一個CS信號控制所有驅動器的CS輸入，所有驅動器接收同一個CLK時鐘信號。只有鏈上的第一個驅動器從微控制器直接接收命令，其他所有驅動器都從前一個驅動器的DOUT輸出獲得其DIN數據。

電磁閥控制的動作在絲襪機運轉過程中按角度來執行，在針筒轉速RMC（r/min）條件下，可得運轉過程中的理論最小時間間隔T：

T=60×106RMC×360°（1）

由于機器特性與編織工藝的要求，絲襪機在包含電磁閥動作的步驟中針筒轉速在200r/min以下，按最快速度200r/min可計算出電磁閥動作執行理論最小時間間隔約為900μs。

SPI總線在傳輸波特率B條件下，實現對總共n塊電磁閥驅動器的數據傳輸所需要的總時間TAll：

TAll=106B×8×n（2）

提花絲襪機實際電磁閥組數量為12組，即需要12塊驅動器，則n取12，SPI總線傳輸波特率取最高波特率10Mbps，該條件下可計算得出SPI傳輸數據總時間約為10μs。

顯然TAll

2.1.2抗干擾差分電路設計實現

差分方式傳輸指發送端在兩條信號線上傳輸的是幅值相等、相位相反的電信號，接收端對兩條信號做減法運算來判斷邏輯狀態“0”還是“1”，這種邏輯判斷方式可以有效消除外部共模干擾的影響。絲襪機高速運轉過程中，執行部件伺服電機、步進電機等會產生大量的電磁干擾。并且絲襪機上電磁閥分布較為分散，驅動電路模塊間傳輸距離不止板卡級別的短距離。如果使用TTL信號遠距離傳輸，容易受到電磁干擾的影響導致SPI數據傳輸出錯。將SPI數據總線由單端不平衡傳輸方式轉換為雙端平衡傳輸方式，可以極大地抑制外部電磁干擾，提高數據傳輸的距離，實現SPI數據遠距離穩定傳輸[8-9]。因此設計采用差分轉換器對TTL電平進行轉換，SPI總線的電平轉換電路如圖3所示。

控制端采用差分驅動器將LATCH、CLK、SDI等TTL電平轉換為差分信號進行傳輸，同時利用差分接收器將SDO差分信號轉換為單片機可處理的TTL電平信號。這樣就保證在總線上的傳輸均是雙端平衡的差分信號，提高了信號傳輸過程中的抗干擾能力，保證了數據傳輸的準確性。差分轉換器轉換頻率高達25MHz，能夠滿足高速SPI總線的差動轉換需求。

2.2高可靠驅動電路設計

可靠性是指元件、產品或系統在一定時間內、在一定條件下無故障執行指定功能的能力或可能性。本研究所述電磁閥驅動控制技術采用了高集成度模塊化的驅動電路、低功耗工作方式以及完整的故障自檢測自保護設計，從而大大提高了絲襪機控制系統電磁閥控制模塊的可靠性。

2.2.1高集成度模塊化驅動電路設計

傳統的以開關管單點驅動控制電磁閥，勢必造成控制支路偏多，控制線纜數增多，出現故障的概率就會增加，同時這種驅動電路難以實現有效的故障檢測以保護整個驅動電路模塊。驅動電路模塊采用集成驅動器，并進行過流保護和開路、短路負載檢測功能設計。內置二極管用來鉗制由電感負載生成的關閉瞬態反向電動勢，完備的故障檢測機制及保護功能使該驅動電路具有很高的可靠性。同時其具備SPI串行接口支持菊花鏈連接，可通過串口配置內部寄存器使輸出處于PWM脈沖輸出模式，能夠設計用來降低電磁閥功耗，延長電磁閥工作壽命。驅動模塊功能框圖如圖4所示。

該集成驅動器工作電壓范圍8～38V，內置LDO（低壓差線性穩壓器）對輸入電壓降壓處理并提供給內部邏輯單元工作。核心邏輯單元包含控制寄存器、數據寄存器和故障寄存器，可與SPI串行接口鎖存器進行數據交互。邏輯單元控制8個NMOS場效應管的開關并診斷當前工作狀況，故障發生觸發保護單元關斷輸出并使能報警引腳。

2.2.2低功耗工作模式實現

絲襪機上采用的電磁閥工作規格為24V/1.3W（梭子組）、24V/0.3W（功能氣閥組）和24V/2.5W（EV三角）3種，則電磁閥的額定工作電流小于20mA。集成驅動器可提供最高200mA（8通道打開）的連續輸出電流，且電流驅動能力隨著PWM占空比的降低而增加，因此該驅動器完全能夠滿足電磁閥驅動的要求。

由電磁閥的工作原理可知，在電感、線圈匝數確定的情況下，電磁閥吸力大小主要由電磁閥線圈的電流大小決定。較大的電流能夠使電磁閥迅速動作，在電磁力克服彈簧復位拉力之后，只需要較小的電流即可維持其始終吸合的狀態。所以為了降低線圈工作溫度及功耗，采用高壓開啟、PWM保持的方式使得電磁閥電流在整個動作過程中維持一個理想的工作曲線，在該模式下電磁閥工作過程驅動電壓、線圈電流波形圖如圖5所示。

驅動器提供多組不同高壓開啟時間和PWM保持占空比參數，通過配置控制寄存器值可選擇不同的工作參數。控制寄存器格式如表1所示。

通過實驗測試選取合適的高壓開啟時間、PWM頻率及占空比，使電磁閥工作在理想的電流條件下，可有效降低功耗，保護電磁閥，提高系統可靠性。

2.2.3故障自檢測自保護設計

驅動模塊電路利用MOS管的開關作用實現對電磁閥線圈充電的通斷控制，MOS管具有較脆弱的承受短時過載能力，合理設計保護電路可提高器件的可靠性。本設計驅動電路具有過流保護、開路負載檢測、欠壓閉鎖和過熱關斷等保護和診斷特性，提供獨立通道狀態報告以及故障情況警報。同時具備一個開漏輸出型故障指示引腳，當驅動器發生故障時該引腳被拉低。

本設計中驅動器輸出回路使用電流采樣保護電路，當輸出電流超過額定閾值，通過保護電路關閉驅動電路，同時置位故障寄存器相應標志位。當任何輸出處于關閉狀態，內部電流吸收器在輸出節點下拉約30μA的電流，如果檢測到引腳上的電壓小于1.2V，則報告開路負載情況同時置位相應通道故障寄存器標志位。當驅動器供電輸入電壓下降到欠壓鎖定閾值電壓以下，模塊所有電路將被禁用。如果芯片溫度超過安全極限，所有輸出將被關閉。

本設計將其引入到控制器外部中斷管腳，并配置為下降沿觸發模式，可以迅速監測到故障的發生并及時處理。驅動器提供一個故障寄存器來表征當前各通道的故障狀態，故障狀態包括過流故障（OCP）和開路故障（OLD），保存在該16位的寄存器。故障寄存器每一位代表一個通道的故障狀態，故障發生置位相應標志位。通過串口實時讀取驅動器內部故障寄存器的內容，根據寄存器內容判斷故障通道及故障類型以實現及時報警停機，從而有效避免因漏動作引起的不良品或機器損壞。

3電磁閥控制軟件開發

3.1菊鏈式多節點驅動程序設計

本設計采用PWM保持的方式進行電磁閥驅動，控制層在啟動后將首先配置各驅動模塊的控制寄存器以選取合適的高壓開啟時間及占空比。電磁閥動作在絲襪機工藝程序中按角度動作，控制層在主循環中采用掃描的方式實時讀取電磁閥動作指令，并解析整合動作指令為驅動器的控制字數據。控制層將首先判斷該控制字數據與驅動器工作狀態是否相同，相同則不予傳輸并繼續等待命令，不同則傳輸當前控制字數據。同時控制層對回讀的數據進行校驗，判斷當前控制字數據是否傳輸正確。不同則判定傳輸失敗并再次傳輸當前控制字，相同則確定傳輸成功再次進入指令等待狀態。SPI總線為MSB的傳輸方式，傳輸控制字首字節為總線上最后一塊從設備的動作數據，尾字節為第一塊從設備的動作數據。控制流程如圖6所示。

3.2電磁閥故障監測處理程序

電磁閥短路（過流）或電磁閥漏接（開路）均會置位故障寄存器中相應的故障標志位。控制層主程序中捕獲到外部故障中斷后，讀取故障寄存器狀態值，判斷相應的故障狀態并立即停車，同時向上位機反饋當前的故障通道及故障類型，從而有效的避免漏動作或誤動作。當故障消除后，可以通過特殊命令故障復位來清除所有的異常狀態，恢復正常工作。電磁閥故障監測處理程序流程如圖7所示。

4測試分析

4.1氣閥動作測試

本設計通過串口配置驅動器使電磁閥工作在高壓開啟、PWM保持的狀態。過短的高壓開啟時間可能導致線圈無法動作到位，合適的PWM頻率能夠有效減小線圈上的電流波動和電磁干擾，PWM的占空比決定了保持電流的大小。因此需要選取合適的工作參數使電磁閥工作在相對理想的狀態。

為選取合適的高壓開啟時間、PWM頻率和占空比，本設計針對不同的參數值測試線圈電流及工作溫度，通過實際測試規格為24VDC/2.5W的電磁閥得到表2中的具體工作數據，表2中工作電流和溫度均為多次采樣后取得的平均值。

由表2可知，在條件5下（高壓開啟時間300ms，PWM占空比62.5%，頻率50kHz），電磁閥能夠有效地驅動機構執行動作，并且此時電磁閥具有較低的功耗。

4.2數據傳輸測試

實驗搭建平臺如圖8（a）所示，使用示波器對SPI總線信號進行觀察。實驗使用安捷倫MSO-X2002A混合信號示波器，采樣率2GSa/s。通過示波器采集SPI總線控制信號LATCH、CLK，在總線末端測得控制信號傳輸的波形如圖8（b）所示。SPI傳輸時序為片選信號LATCH拉低時開始數據傳輸，結束后拉高，1個CLK下降沿傳輸1位數據。圖8（b）可觀察到，每1位的時間間隔約為3.3μs，一個字節數據傳輸總時間約為28μs，可計算出傳輸比特率約為300kbps。在圖8中可以看到。在長達2m的信號傳輸線上測得的差分信號波形穩定，滿足長距離傳輸的要求。

5結語

研究設計了高可靠低時延絲襪機電磁閥組驅動控制技術，使用高速SPI總線菊花鏈式結構連接主從設備，總線上以差分信號進行傳輸，解決了傳統控制方案通訊速度速度低、距離短、響應慢以及抗干擾性差的問題。利用專用集成驅動器提高了驅動電路的可靠性，配置PWM工作模式及故障自檢能力使電磁閥能夠安全穩定的以低功耗狀態工作。經實踐檢驗，該方案穩定可靠、實時性強，具有較高的工程應用價值。

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