胡旭東,黃肖華,彭來(lái)湖
(浙江理工大學(xué)教育部現(xiàn)代紡織裝備技術(shù)工程研究中心,浙江 杭州 310018)
內(nèi)嵌驅(qū)動(dòng)針織機(jī)械密度調(diào)節(jié)裝置的研制
胡旭東,黃肖華,彭來(lái)湖
(浙江理工大學(xué)教育部現(xiàn)代紡織裝備技術(shù)工程研究中心,浙江 杭州 310018)
針對(duì)多成圈路數(shù)針織機(jī)的密度調(diào)節(jié)裝置單元數(shù)量多,密度電動(dòng)機(jī)布線復(fù)雜,后期維護(hù)不方便等一系列問(wèn)題,闡述了一種內(nèi)嵌驅(qū)動(dòng)針織機(jī)械密度調(diào)節(jié)裝置的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。將運(yùn)動(dòng)控制器、驅(qū)動(dòng)放大器、反饋裝置集成于1塊電路板上,并嵌入電動(dòng)機(jī)腔體實(shí)現(xiàn)一體化設(shè)計(jì),由上位機(jī)通過(guò)CAN總線通信方式控制步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的運(yùn)轉(zhuǎn),帶動(dòng)偏置直動(dòng)滾子凸輪機(jī)構(gòu),實(shí)現(xiàn)密度三角的調(diào)節(jié)運(yùn)動(dòng)。對(duì)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、硬件設(shè)計(jì)、軟件開(kāi)發(fā)等方面進(jìn)行了詳細(xì)闡述。經(jīng)現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試證明,該裝置運(yùn)行穩(wěn)定可靠,有效解決了布線、安裝、維護(hù)等方面的困難。
密度調(diào)節(jié)裝置;內(nèi)嵌驅(qū)動(dòng);CAN總線;密度電動(dòng)機(jī)
針織機(jī)械,按工藝類別可分為緯編機(jī)與經(jīng)編機(jī)。針織物因其良好的延展性、彈性與舒適性具有廣泛的應(yīng)用市場(chǎng)[1]。針織機(jī)械的編織質(zhì)量與多種因素有關(guān),而密度調(diào)節(jié)是其中一種重要影響因素。
現(xiàn)有針織機(jī)較成熟的密度調(diào)節(jié)裝置結(jié)構(gòu)中,密度電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)控制板集中在控制柜中,從其引出電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)線連接至密度電動(dòng)機(jī),由此驅(qū)動(dòng)密度電動(dòng)機(jī)并帶動(dòng)密度三角滑塊,使密度壓針三角和起針三角運(yùn)動(dòng)[2-3]。這樣的結(jié)構(gòu)在密度調(diào)節(jié)裝置數(shù)量大時(shí),過(guò)多的密度電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)線使得走線困難,布線復(fù)雜。集中控制的方式導(dǎo)致即使單個(gè)密度裝置出錯(cuò)也要拆卸整個(gè)控制系統(tǒng),給后期維護(hù)帶來(lái)不便。為此,本文研制了一種新型密度調(diào)節(jié)裝置,通過(guò)對(duì)控制架構(gòu)的重新設(shè)計(jì)解決上述問(wèn)題。
密度調(diào)節(jié)是對(duì)針織織物線圈結(jié)構(gòu)的松緊程度進(jìn)行調(diào)節(jié),即調(diào)節(jié)密度三角的運(yùn)動(dòng)[4]。根據(jù)密度三角的運(yùn)動(dòng)軌跡以及密度調(diào)節(jié)參數(shù),對(duì)密度調(diào)節(jié)裝置的各個(gè)零件尺寸進(jìn)行計(jì)算,使用SolidWorks軟件對(duì)其進(jìn)行三維建模,如圖1所示。
圖1 密度調(diào)節(jié)裝置三維建模Fig.1 Three-dimensional model of density regulating device
密度電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)控制板設(shè)計(jì)為40mm×40mm的PCB板,各個(gè)模塊電路高度集成在該板上,并將其嵌入密度電動(dòng)機(jī)腔體,實(shí)現(xiàn)一體化設(shè)計(jì)。上位機(jī)通過(guò)CAN總線與密度電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)控制板進(jìn)行交互,密度電動(dòng)機(jī)使用步進(jìn)電動(dòng)機(jī)。
上位機(jī)發(fā)送指令到密度電動(dòng)機(jī),密度電動(dòng)機(jī)運(yùn)動(dòng)帶動(dòng)凸輪轉(zhuǎn)動(dòng),當(dāng)凸輪上的磁鋼轉(zhuǎn)置安裝在機(jī)械上的霍爾傳感器時(shí),由霍爾傳感器發(fā)送零位信號(hào)到密度電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)控制板。凸輪采用了共軛凸輪的設(shè)計(jì)思想,在原有凸輪上加工出1個(gè)凸輪槽,升程和回程時(shí)都是用凸輪控制,使得傳動(dòng)更加精確。
凸輪內(nèi)外各有1個(gè)滾子軸承,2個(gè)軸承分別通過(guò)偏心軸、軸銷與滑塊相連接。凸輪的轉(zhuǎn)動(dòng)推動(dòng)2個(gè)軸承沿著凸輪內(nèi)、外軌跡運(yùn)動(dòng),使得與軸承連接的滑塊沿著導(dǎo)槽上下滑動(dòng),帶動(dòng)密度壓針三角和密度起針三角的運(yùn)動(dòng),實(shí)現(xiàn)密度調(diào)節(jié)[5]。
根據(jù)密度調(diào)節(jié)控制任務(wù)的要求及其特點(diǎn)將控制系統(tǒng)分為4個(gè)模塊:電動(dòng)機(jī)控制模塊、電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊、電源模塊以及反饋模塊。圖2示出驅(qū)動(dòng)控制器總體框圖。
圖2 驅(qū)動(dòng)控制器總體框圖Fig.2 Overall structure diagram of driving controller
電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)芯片采用BD63860,相較于其他驅(qū)動(dòng)芯片,其較小的封裝,相對(duì)較大的驅(qū)動(dòng)電流(最大電流可達(dá)2.5 A)以及完善的保護(hù)電路與散熱性能是選擇這塊芯片的主要原因[6]。
設(shè)計(jì)中沒(méi)有使用芯片RESET功能,這個(gè)引腳接3.3 V高電平,禁用復(fù)位功能。為節(jié)約布板面積,不選擇同步整流模式,因此將芯片 SR端接3.3 V高電平。
芯片RNF1、RNF2腳分別是A、B橋的電流檢測(cè)電阻連接管腳,內(nèi)置1個(gè)比較器,比較電流檢測(cè)電阻兩端電壓的8倍與參考電壓來(lái)設(shè)置PWM斬波電流。參考電壓即由Vref端輸入。斬波電流輸出計(jì)算公式為
使用0.2 Ω的大功率電阻作為電流檢測(cè)電阻。參考電壓是由3.3 V通過(guò)2個(gè)電阻6.8 kΩ與6.2 kΩ分壓得到1.73 V電壓,因此,斬波電流為1.08 A。
當(dāng)電動(dòng)機(jī)的1個(gè)繞組被通電時(shí),流經(jīng)其的電流一直上升,直到它到達(dá)所設(shè)的斬波電流閥值,然后便將芯片內(nèi)部橋式電路MOS管關(guān)斷1個(gè)固定的時(shí)間,這個(gè)固定的關(guān)斷時(shí)間由芯片CR1、CR2端口所接的電容與電阻決定。計(jì)算公式為
本文設(shè)計(jì)使用了39 kΩ的電阻和1000 pF的電容,計(jì)算得 tOFF時(shí)間為 39 μs。
BD63860提供3種衰減模式,分別為快速衰減、慢速衰減和混合衰減,經(jīng)綜合考慮本文使用混合衰減模式。衰減模式由芯片MTH、VCR管腳上的電壓來(lái)決定。當(dāng)MTH管腳電壓在0.6倍VCR管腳電壓與0.21倍VCR電壓之間,即為混合衰減模式,因此,設(shè)計(jì)MTH端電壓由3.3 V經(jīng)2個(gè)電阻8.2 kΩ和4.7 kΩ分壓后得到的1.2 V電壓提供,VCR端直接連3.3 V電壓,即混合衰減模式。
芯片ENABLE、CW/CCW、CLK、PS這4個(gè)引腳和CPU相連,直接由ARM處理器進(jìn)行控制。在工作中,ENABLE位于低電平時(shí),即使能。在CLK上加上脈沖波,電動(dòng)機(jī)就會(huì)運(yùn)轉(zhuǎn),1個(gè)下降沿步進(jìn)電動(dòng)機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)1步,因此脈沖個(gè)數(shù)決定電動(dòng)機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)步數(shù),脈沖頻率決定電動(dòng)機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)快慢。CW/CCW管腳的高、低電平?jīng)Q定步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的運(yùn)轉(zhuǎn)方向。
使用三極管連接至芯片VREF端,微處理器發(fā)出命令將三極管基極端置1,三極管導(dǎo)通,芯片VREF端參考電壓因分壓而降低,這時(shí)電動(dòng)機(jī)電流也相應(yīng)下降,以減少電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)芯片的發(fā)熱量。
CPU使用恩智浦半導(dǎo)體公司的基于ARM Cortex-M0的 LPC11C24芯片。芯片內(nèi)部集成了TJF1051CAN收發(fā)器,CAN收發(fā)器不但提高了系統(tǒng)的可靠性和質(zhì)量,減少電氣互連和兼容的問(wèn)題,還節(jié)省50%以上的電路板空間[7]。
因此,控制部分電路主要是由LPC11C22芯片組成的最小系統(tǒng)電路,芯片主要供電電壓為3.3 V,是由電源模塊提供。時(shí)鐘電路由晶體振蕩器和電容組成,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)。復(fù)位電路主要為上電復(fù)位。
驅(qū)動(dòng)控制器軟件總體設(shè)計(jì)流程如圖3所示。CAN中斷是對(duì)CAN報(bào)文進(jìn)行接收。主程序是一個(gè)對(duì)CAN報(bào)文的查詢程序,該程序查詢指定的內(nèi)存空間,當(dāng)該空間內(nèi)有CAN報(bào)文時(shí),便通過(guò)制定的CAN協(xié)議對(duì)其進(jìn)行解析,然后再執(zhí)行相應(yīng)的動(dòng)作。
圖3 軟件總體設(shè)計(jì)流程圖Fig.3 Process flowchart of overall design software
CAN支持2種報(bào)文格式,唯一的不同是標(biāo)識(shí)符(ID)長(zhǎng)度不同,標(biāo)準(zhǔn)格式為11位,擴(kuò)展格式為29位[8]。本文以CAN協(xié)議為基礎(chǔ)制定步進(jìn)電動(dòng)機(jī)控制協(xié)議,采用CAN報(bào)文擴(kuò)展格式,即29位ID,分別為ID0~I(xiàn)D28。其中ID22~I(xiàn)D28位作為接收地址位,滿足多達(dá)27=128個(gè)電動(dòng)機(jī)的控制,足以應(yīng)對(duì)各種針織機(jī)械;ID21位為全局指令位,即當(dāng)某CAN報(bào)文該位為1時(shí),該報(bào)文被所有接收方接收;ID0~I(xiàn)D3為4位控制位,作為密度電動(dòng)機(jī)的控制指令;ID4~I(xiàn)D11為8位數(shù)據(jù)位,用于指示步進(jìn)電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)步數(shù);ID12~I(xiàn)D20為預(yù)留位,用于未來(lái)系統(tǒng)功能的擴(kuò)展。
3.2.1 CAN初始化程序
軟件初始化包括:配置寄存器進(jìn)入初始化模式,使能CAN時(shí)鐘,根據(jù)實(shí)際波特率配置相應(yīng)寄存器的值,配置報(bào)文對(duì)象4個(gè)步驟[9]。
LPC11C22芯片在報(bào)文RAM中為用戶提供了32個(gè)報(bào)文對(duì)象。設(shè)計(jì)中使用報(bào)文對(duì)象1~4為接收?qǐng)?bào)文,報(bào)文對(duì)象5為發(fā)送報(bào)文。4個(gè)接收?qǐng)?bào)文對(duì)象可組成接收FIFO緩沖區(qū)。在配置報(bào)文對(duì)象時(shí),5個(gè)報(bào)文對(duì)象均需單獨(dú)配置,剩余27個(gè)不用的報(bào)文對(duì)象必須將它們?cè)O(shè)為無(wú)效(MSGVAL位設(shè)為“0”)。
將2個(gè)接口寄存器中的其中1個(gè)寄存器的屏蔽、仲裁、控制和數(shù)據(jù)域設(shè)為所需要的值,即可完成報(bào)文對(duì)象的配置。通過(guò)屏蔽與仲裁位過(guò)濾CAN報(bào)文的接收地址可大大減少CPU的資源使用。
寫(xiě)相應(yīng)的IF1命令請(qǐng)求寄存器,可將IF1報(bào)文緩沖區(qū)數(shù)據(jù)載入到相應(yīng)報(bào)文對(duì)象中。當(dāng)CPU啟動(dòng)IF1寄存器和報(bào)文對(duì)象之間的數(shù)據(jù)傳輸時(shí),報(bào)文處理程序?qū)⑾嚓P(guān)命令寄存器的BUSY位設(shè)為“1”。在完成傳輸后,BUSY位被設(shè)為“0”。
CAN報(bào)文發(fā)送配置類似于接收配置,只是寄存器中數(shù)值不同,在此不作詳細(xì)介紹。
3.2.2 CAN中斷處理
報(bào)文對(duì)象從1到32優(yōu)先級(jí)逐漸下降,當(dāng)RAM接收到報(bào)文時(shí),根據(jù)報(bào)文存儲(chǔ)的報(bào)文對(duì)象的優(yōu)先級(jí)產(chǎn)生中斷。
當(dāng)發(fā)生中斷時(shí),首先應(yīng)排除錯(cuò)誤中斷的可能。當(dāng)確定是報(bào)文對(duì)象產(chǎn)生的中斷時(shí),讀取中斷報(bào)文對(duì)象編號(hào)并利用另一接口寄存器IF2到該報(bào)文對(duì)象中讀取數(shù)據(jù)。最后,將接口寄存器IF2中數(shù)據(jù)放入RAM中的2個(gè)報(bào)文緩沖區(qū)中空閑的那個(gè)里去(通過(guò)BUSY位判斷),并將報(bào)文緩沖區(qū)中BUSY位置位,至此,報(bào)文接收成功。圖4為CAN中斷處理框圖。
圖4 CAN中斷處理框圖Fig.4 Structure diagram of CAN interrupt processing
設(shè)置2個(gè)報(bào)文RAM緩沖器的目的是:防止上一條CAN指令還未處理完便產(chǎn)生了下一條CAN報(bào)文中斷。因此,當(dāng)上一條存儲(chǔ)在緩沖器1中的CAN報(bào)文指令未處理完時(shí),將下一條指令存儲(chǔ)在CAN報(bào)文緩沖器2中,等待緩沖器1中執(zhí)行完畢再執(zhí)行。
因PCB布板面積有限,驅(qū)動(dòng)控制器的一些重要數(shù)據(jù)(如步進(jìn)電動(dòng)機(jī)加速度,細(xì)分值等)以及CAN通訊波特率和站點(diǎn)ID需要實(shí)現(xiàn)掉電保存,因此考慮通過(guò)IAP方式將CPU芯片8個(gè)扇區(qū)32 kB Flash(0~7扇區(qū),每個(gè)扇區(qū)4 kB)的最后2個(gè)扇區(qū),即扇區(qū)6與扇區(qū)7分別用作驅(qū)動(dòng)器數(shù)據(jù)以及CAN波特率站點(diǎn)的掉電保存區(qū)域。
向Flash內(nèi)部寫(xiě)數(shù)據(jù)流程為:先關(guān)閉所有中斷,讀取器件ID,再讀取Boot版本號(hào),準(zhǔn)備Flash扇區(qū),擦出并且查空扇區(qū),寫(xiě)數(shù)據(jù)到扇區(qū),比較數(shù)據(jù),最后再開(kāi)啟中斷。
調(diào)用IAP程序應(yīng)通過(guò)寄存器r0中的字指針,該字指針指向含有命令代碼和參數(shù)的存儲(chǔ)器RAM中。
IAP程序是 Thumb代碼,駐留在地址0x1FFF1FF1。由于IAP地址的第0位是1,因此,當(dāng)程序計(jì)數(shù)器轉(zhuǎn)移到該地址時(shí)會(huì)使當(dāng)前指令集變?yōu)門humb 指令集[10]。
步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的主要控制參數(shù)有:步數(shù)控制、轉(zhuǎn)動(dòng)方向、勵(lì)磁模式、速度大小、電動(dòng)機(jī)使能控制以及步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的歸零操作。通過(guò)控制脈沖頻率來(lái)控制電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速以及加速度,脈沖數(shù)量決定步進(jìn)電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)過(guò)步數(shù)。通過(guò)控制步進(jìn)電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)芯片MODE1,MODE2管腳控制電動(dòng)機(jī)勵(lì)磁模式,通過(guò)控制芯片其他管腳控制步進(jìn)電動(dòng)機(jī)使能、方向以及待機(jī)。
電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)使用ARM處理器的定時(shí)器實(shí)現(xiàn):當(dāng)定時(shí)時(shí)間到,程序中斷,在中斷程序中對(duì)步進(jìn)電動(dòng)機(jī)脈沖進(jìn)行翻轉(zhuǎn)并進(jìn)行其他操作。圖5示出步進(jìn)電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)的方法以及步進(jìn)電動(dòng)機(jī)加減速的實(shí)現(xiàn)方式。
步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的加速使用三角曲線算法,將曲線離散處理后計(jì)算步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的運(yùn)轉(zhuǎn)頻率以實(shí)現(xiàn)步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的加速過(guò)程[11]。在定時(shí)器中斷時(shí)還應(yīng)判斷電動(dòng)機(jī)是否走完設(shè)定步數(shù)。
電動(dòng)機(jī)減速通過(guò)電動(dòng)機(jī)半電流模式實(shí)現(xiàn)。即在定時(shí)器中斷時(shí)判斷電動(dòng)機(jī)已走步數(shù),當(dāng)快到達(dá)指定運(yùn)轉(zhuǎn)步數(shù)時(shí),將電動(dòng)機(jī)鎖定在半電流模式下,靠電動(dòng)機(jī)自身內(nèi)阻實(shí)現(xiàn)電動(dòng)機(jī)的減速。
本文設(shè)計(jì)采用霍爾傳感器檢測(cè)步進(jìn)電動(dòng)機(jī)零位:在密度凸輪附上磁鋼,當(dāng)磁鋼轉(zhuǎn)至霍爾傳感器上方時(shí),傳感器發(fā)出信號(hào),經(jīng)由處理電路處理傳至ARM芯片GPIO口。當(dāng)ARM芯片接收到電動(dòng)機(jī)歸零的CAN指令時(shí),電動(dòng)機(jī)開(kāi)始轉(zhuǎn)動(dòng),直至ARM芯片接收到傳感器信號(hào),GPIO中斷便會(huì)掛起,然后在中斷處理程序中關(guān)閉電動(dòng)機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)。至此實(shí)現(xiàn)了步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的歸零操作。
圖5 電動(dòng)機(jī)控制程序框圖Fig.5 Structure diagram of motor control program
現(xiàn)場(chǎng)調(diào)試時(shí),將密度電動(dòng)機(jī)應(yīng)用于圓型緯編針織機(jī),該圓緯機(jī)共有24個(gè)密度電動(dòng)機(jī)。測(cè)試時(shí)密度電動(dòng)機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)穩(wěn)定可靠,編織完成后,織物密度均勻平整。
測(cè)試時(shí),按傳統(tǒng)密度調(diào)節(jié)裝置結(jié)構(gòu)需要96根電動(dòng)機(jī)相線,安裝極為不便,且相線之間互相干擾,可能導(dǎo)致電動(dòng)機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)不穩(wěn)定的情況出現(xiàn)。本文設(shè)計(jì)的密度調(diào)節(jié)裝置只有2根CAN總線加上8個(gè)電動(dòng)機(jī)為1組的共3組電源和地線,總計(jì)8根線,這樣的設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)極大地簡(jiǎn)化了走線,使安裝更為方便。同時(shí),在某個(gè)密度電動(dòng)機(jī)控制部分出錯(cuò)時(shí),只需將其尾部的電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)控制板拆卸進(jìn)行修理或者更換即可,方便了系統(tǒng)的后期維護(hù)。
本文設(shè)計(jì)了一種密度調(diào)節(jié)裝置,提出了將密度電動(dòng)機(jī)與其驅(qū)動(dòng)控制器實(shí)現(xiàn)一體化設(shè)計(jì)的方案,通過(guò)CAN總線與上位機(jī)連接,并具體介紹了它的結(jié)構(gòu)、硬件和軟件設(shè)計(jì)。該密度調(diào)節(jié)裝置克服了傳統(tǒng)裝置結(jié)構(gòu)上控制、走線、安裝、維護(hù)等一系列環(huán)節(jié)的問(wèn)題,具有良好的市場(chǎng)前景和應(yīng)用價(jià)值。
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Development of inner embeds driver for knitting mechanism's density adjustment device
HU Xudong,HUANG Xiaohua,PENG Laihu
(Modern Textile Equipment Technology Engineering Research Center of Ministry of Education,Zhejiang Sci-Tech University,Hangzhou,Zhejiang 310018,China)
A large number of knitting cycle channels and density adjustment device units have the problems of much density of motor driver's wires,complexity of routing and inconvenience in maintenance.For these problems,a new structure design called inner embeds driver for knitting mechanism's density adjustment device is described.The motion controller,driving amplifier are feedback device are highly integrated on a circuit board.By making this board embedded in the motor driver's body,the integrated design is realized.The host computer control the stepper motor by CAN bus.Then the stepper motor drives an offset roller CAM mechanism.By this course,the adjustment of the density triangle is realized.The paper presents structure design,hardware design and software development in detail.It is proved by field test that the device is driving stably and reliably.At the same time it also effectively avoids the difficulty of routing,the installation and the maintenance.
density adjustment device;inner embeds drive;CAN bus;motor for density adjustment
TS 103.7
A
10.13475/j.fzxb.20140404406
2014-04-16
2014-11-28
國(guó)家科技支撐計(jì)劃項(xiàng)目(2013BAF05B00)
胡旭東(1959—),男,教授,博士。主要研究方向?yàn)榧徔椦b備自動(dòng)化。E-mail:xdhu@zstu.edu.cn。