萬(wàn)中魁，胡旭東，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)

0 引言

無(wú)縫針織內(nèi)衣機(jī)是一種集約化控制的機(jī)電一體化針織設(shè)備，專門用于編織高檔無(wú)縫全成形針織內(nèi)衣產(chǎn)品［1］。為了保證無(wú)縫內(nèi)衣產(chǎn)品的彈性和舒適度，針織材料多采用高彈性紗線。彈性紗線輸送過(guò)程中，張力的變化直接影響編織成圈的均勻和整齊。所以，實(shí)現(xiàn)彈性紗線的恒張力輸送，是無(wú)縫內(nèi)衣機(jī)準(zhǔn)確成圈的關(guān)鍵?？煽糠€(wěn)定的恒張力輸紗控制系統(tǒng)能大大提升無(wú)縫內(nèi)衣機(jī)的編織效率和產(chǎn)品質(zhì)量。

該設(shè)計(jì)通過(guò)對(duì)編織成圈過(guò)程中紗線張力變化進(jìn)行研究，提出一種基于CAN 總線通訊和模糊規(guī)則自整定PID 方法的控制器，以解決無(wú)縫內(nèi)衣機(jī)織造時(shí)的紗線張力實(shí)時(shí)變化和現(xiàn)有控制器抗干擾能力差、紗線張力控制精度低的問(wèn)題。

本研究從總體設(shè)計(jì)、硬件設(shè)計(jì)和軟件設(shè)計(jì)3個(gè)方面進(jìn)行闡述，并通過(guò)仿真測(cè)試，驗(yàn)證方案的可行性。

1 總體設(shè)計(jì)概述

無(wú)縫內(nèi)衣機(jī)中彈性紗線從紗架上的紗筒外圈繞下，穿過(guò)斷紗報(bào)警器的過(guò)孔，進(jìn)入恒張力輸紗裝置后，經(jīng)過(guò)編織成圈機(jī)構(gòu)的成圈編織，形成無(wú)縫產(chǎn)品［2］。該設(shè)計(jì)是針對(duì)在輸紗過(guò)程中，對(duì)紗線張力進(jìn)行實(shí)時(shí)檢測(cè)，運(yùn)用模糊自整定的PID 控制方法，減小實(shí)際測(cè)量值與設(shè)定值之間的誤差，調(diào)整直流電機(jī)轉(zhuǎn)速，實(shí)現(xiàn)張力的恒定。

控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)圖如圖1 所示，主要包括主控模塊、恒張力控制模塊和斷紗報(bào)警模塊。①主控模塊采用32 位Cortex-M4 內(nèi)核的ARM 芯片STM32F407 作為控制核心，最高工作頻率達(dá)168 MHz，芯片內(nèi)資源豐富，含6 路UART和2 路CAN 控制器，最多提供140個(gè)I/O口。②恒張力控制模塊中主要包括與主控模塊通訊的DSP 芯片、驅(qū)動(dòng)直流電機(jī)的驅(qū)動(dòng)電路和張力檢測(cè)模塊。主控模塊與恒張力模塊之間通過(guò)CAN 總線通訊，主控模塊發(fā)送指令到恒張力控制模塊，實(shí)現(xiàn)張力設(shè)置和張力大小調(diào)節(jié);恒張力控制模塊反饋當(dāng)前張力值，并在張力變化過(guò)大時(shí)發(fā)出停止指令。③斷紗報(bào)警模塊由斷紗信號(hào)采集電路和斷紗報(bào)警器組成，能夠檢測(cè)輸紗過(guò)程中是否出現(xiàn)斷紗現(xiàn)象，一旦發(fā)生斷紗，則向主控模塊發(fā)出報(bào)警信號(hào)，主控模塊向恒張力控制模塊發(fā)送停機(jī)指令，直流電機(jī)停止轉(zhuǎn)動(dòng)。

圖1 控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

2 硬件電路設(shè)計(jì)

2.1 紗線張力檢測(cè)模塊設(shè)計(jì)

2.1.1 紗線張力檢測(cè)原理

張力檢測(cè)機(jī)構(gòu)簡(jiǎn)圖如圖2 所示。紗線張力的檢測(cè)，采用應(yīng)變電阻傳感器［3］。應(yīng)變電阻片在受到拉力或壓力時(shí)會(huì)產(chǎn)生阻值變化，圖2 中:紗線2 在牽引力下向上貼緊基座1，導(dǎo)致基座1 受力發(fā)生形變，應(yīng)變電阻片a3 受到壓力作用，應(yīng)變電阻片b4 受到拉力作用，不同的紗線張力產(chǎn)生的形變不同，所以應(yīng)變電阻片的阻值不同。

圖2 張力檢測(cè)機(jī)構(gòu)簡(jiǎn)圖

2.1.2 紗線張力檢測(cè)模塊電路設(shè)計(jì)

張力檢測(cè)模塊電路原理圖如圖3 所示。本研究通過(guò)橋式檢測(cè)電路將阻值變化轉(zhuǎn)換為電壓變化，經(jīng)過(guò)差分放大電路將電壓值放大到ADC 模塊的電壓采集范圍內(nèi)［4］，ADC 模塊將采集到的電壓信號(hào)轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)，由DSP 進(jìn)行處理。橋式檢測(cè)電路中，兩個(gè)電阻應(yīng)變片為R1和R2，分別受到拉力和壓力，RV1 為調(diào)零電阻，R5為限流電阻，起保護(hù)電路的作用。當(dāng)紗線狀態(tài)穩(wěn)定時(shí)，R1、R2阻值穩(wěn)定，調(diào)節(jié)RV1 使得電橋平衡，輸出電壓為0 V。當(dāng)紗線張力變化時(shí)，引起R1、R2阻值的變化，從而導(dǎo)致輸出電壓的變化，根據(jù)壓力的變化得到紗線張力的變化情況。信號(hào)放大電路采用AD620B，該運(yùn)放主要用于微弱信號(hào)的放大，增益范圍為1～10 000。AD705為電路提供模擬電壓，并為AD620B 提供模擬地。

圖3 張力檢測(cè)模塊電路

2.2 直流電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路

直流電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路如圖4 所示。電機(jī)采用無(wú)刷直流電機(jī)，通過(guò)無(wú)刷直流電機(jī)控制器專用芯片MC33035驅(qū)動(dòng)，芯片內(nèi)部含有邏輯轉(zhuǎn)換電路，能夠直接將霍爾傳感器的信號(hào)轉(zhuǎn)換為驅(qū)動(dòng)信號(hào)。同時(shí)，系統(tǒng)利用MC33039 閉環(huán)無(wú)刷直流電機(jī)適配器進(jìn)行頻率電壓轉(zhuǎn)換，將反饋電壓反饋到MC33035 的反相輸入端，構(gòu)成閉環(huán)速度可調(diào)系統(tǒng)。圖4 中，端口SensorA、SenserB和SenserC 為電機(jī)轉(zhuǎn)子霍爾傳感器采集到的位置信號(hào)，端口A、B、C 為供給電機(jī)的三相交流信號(hào)。工作時(shí)，MC33035 根據(jù)電機(jī)轉(zhuǎn)子位置信號(hào)，結(jié)合方向控制端、制動(dòng)輸入端、電流檢測(cè)端等信號(hào)狀態(tài)，產(chǎn)生逆變橋三相上、下橋臂開(kāi)關(guān)器件的6 路控制信號(hào)分別為AB、BB、CB、At、Bt和Ct。AB、BB、CB 信號(hào)是脈寬調(diào)制PWM 信號(hào)，通過(guò)改變MC33035 的誤差放大器同相輸入端的電壓可實(shí)現(xiàn)占空比的調(diào)節(jié)。6 路控制信號(hào)經(jīng)過(guò)放大后，接逆變橋橋臂，產(chǎn)生供電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)的三相方波交流電流信號(hào)。

圖4 直流電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路

2.3 CAN 總線接口電路設(shè)計(jì)

CAN 總線接口電路實(shí)現(xiàn)主控模塊和恒張力控制模塊之間的數(shù)據(jù)通訊，接口電路如圖5 所示。該電路采用TJA1050 作為CAN 收發(fā)器［5］，波特率最高可達(dá)1 Mbps，使用TLP113 高速光耦實(shí)現(xiàn)電源隔離，減少信號(hào)滯后，提高傳輸效率。圖5 中:上拉電阻R12和R14可以提高CAN總線的傳輸速度，R11和R15為限流電阻，防止流進(jìn)芯片和光耦的電流過(guò)大，終端電阻R10，可以消除通訊電纜中的信號(hào)反射，使收發(fā)器和電纜之間阻抗相匹配［6-8］。

2.4 斷紗報(bào)警模塊電路設(shè)計(jì)

圖5 CAN 總線接口電路

圖6 斷紗報(bào)警電路

斷紗報(bào)警電路是為了當(dāng)報(bào)警信號(hào)產(chǎn)生時(shí)，將斷紗報(bào)警器產(chǎn)生的報(bào)警信號(hào)傳輸?shù)紻SP 中。斷紗報(bào)警電路原理圖如圖6 所示。圖6 中:MBR10100CT 為高壓肖特基整流器，內(nèi)部為兩個(gè)共陰極二極管，發(fā)生報(bào)警時(shí)，斷紗報(bào)警器A 中的開(kāi)關(guān)閉合時(shí)，U2和U3 中二極管兩端產(chǎn)生壓差，二極管導(dǎo)通，12 V 經(jīng)過(guò)兩次二極管壓降，是的X 點(diǎn)電位為10.6 V 左右，PNP 型三極管Q1的VEB=12 V－10.6 V=1.4 V ＞0，使得Q1工作在飽和區(qū)［9］，從而使得光耦OP3 中發(fā)光二級(jí)管導(dǎo)通，ALARM信號(hào)發(fā)生“1”到“0”的跳變。當(dāng)沒(méi)有報(bào)警時(shí)，X 點(diǎn)電位為12 V，Q1工作在截止區(qū)，光耦中發(fā)光二級(jí)管截止，ALARM信號(hào)為“1”。

3 軟件設(shè)計(jì)

3.1 主控模塊軟件設(shè)計(jì)

主控模塊程序流程圖如圖7 所示。CAN 發(fā)送命令通過(guò)CAN 總線發(fā)送到恒張力控制模塊，CAN接收中斷接收來(lái)自恒張力控制模塊反饋來(lái)的當(dāng)前張力值。當(dāng)斷紗報(bào)警器報(bào)警或當(dāng)前值偏離設(shè)定值過(guò)大，由主控模塊發(fā)送停機(jī)指令。若張力系數(shù)更改，系統(tǒng)配置張力系數(shù)后，發(fā)送調(diào)節(jié)張力系數(shù)指令。

圖7 主控模塊程序流程圖

3.2 恒張力控制模塊軟件設(shè)計(jì)

恒張力控制模塊程序流程圖如圖8 所示。系統(tǒng)在CAN接收中斷中接收來(lái)自主控模塊的指令，進(jìn)行命令解析，如果收到斷紗報(bào)警或張力偏離過(guò)大指令，則關(guān)閉直流電機(jī)，停止輸送紗線。如果收到張力系數(shù)調(diào)節(jié)指令，則通過(guò)改變電機(jī)轉(zhuǎn)速，調(diào)整紗線張力與設(shè)定值相符。在紗線傳輸過(guò)程中，通過(guò)張力檢測(cè)模塊中實(shí)時(shí)檢測(cè)到的張力值，與主控模塊發(fā)送過(guò)來(lái)的張力系數(shù)進(jìn)行對(duì)比，改變直流電機(jī)轉(zhuǎn)速，使測(cè)量值與設(shè)定值盡可能接近，且將測(cè)量到的當(dāng)前張力值反饋給主控模塊。

3.3 恒張力模糊自整定PID 算法的實(shí)現(xiàn)

3.3.1 恒張力模糊自整定PID 控制原理

模糊自整定PID 屬于一種智能PID 控制，根據(jù)誤差e和誤差的變化ec 來(lái)自動(dòng)調(diào)節(jié)PID 的參數(shù)。這種控制方法利用模糊規(guī)則，找出PID 中比例系數(shù)kp、積分系數(shù)ki、微分系數(shù)kd與e和ec 間的模糊關(guān)系，實(shí)時(shí)地對(duì)3個(gè)參數(shù)進(jìn)行修改，以滿足不同的輸入對(duì)控制參數(shù)的要求［10-11］。模糊自整定PID 控制原理框圖如圖9 所示。

圖8 恒張力控制模塊程序流程圖

圖9 模糊自整定PID 控制原理框圖

該設(shè)計(jì)中模糊自整定PID 算法由恒張力控制模塊中的DSP 實(shí)現(xiàn)，通過(guò)橋式電路采集應(yīng)變電阻傳感器上的電壓變化，經(jīng)放大后，由DSP 中的ADC 模塊轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)，并換算成對(duì)應(yīng)的張力值。將檢測(cè)到的張力值與所設(shè)定張力值進(jìn)行比較，得到e和ec，DSP 中構(gòu)建的模糊控制器根據(jù)兩參數(shù)值進(jìn)行模糊推理，得到新的kp、ki和kd，輸入PID 調(diào)節(jié)器，調(diào)整直流電機(jī)轉(zhuǎn)速，調(diào)節(jié)紗線供給快慢，從而改變紗線張力大小。

根據(jù)kp、ki、kd對(duì)系統(tǒng)性能的影響，并結(jié)合紗線張力的自身特性，得到張力模糊控制推理規(guī)則。張力調(diào)節(jié)過(guò)程中，先保持kp大小適中、ki稍小、kd稍大，這樣既能使系統(tǒng)有一定響應(yīng)速度，又能避免引起過(guò)分微分飽和;然后逐漸加大kp和ki，提高響應(yīng)速度，減少穩(wěn)態(tài)誤差，kd保持不變;當(dāng)張力逐漸穩(wěn)定后，減小kp，降低響應(yīng)速度，逐漸加大ki并減小kd，維持系統(tǒng)穩(wěn)定，避免系統(tǒng)振蕩。

3.3.2 恒張力模糊自整定PID 算法

模糊控制器采用模糊推理中常用的CRI 算法，將語(yǔ)言變量的論域從連續(xù)域轉(zhuǎn)換成有限整數(shù)的離散論域［12］。該設(shè)計(jì)中，筆者采用三角隸屬函數(shù)，語(yǔ)言變量在量化域中取值均為{NB，NM，NS，Z，PS，PM，PB}，分別為負(fù)大、負(fù)中、負(fù)小、零、正小、正中和正大。依據(jù)上述模糊規(guī)則，本研究建立的Δkp、Δki、Δkd的模糊規(guī)則表如表1 所示。

表1 Δkp、Δki、Δkd的模糊規(guī)則表

下面運(yùn)用重心法將模糊量清晰化，以比例系數(shù)kp為例，重心法計(jì)算公式如下:

4 仿真測(cè)試

根據(jù)所述控制系統(tǒng)，本研究在Simulink 下進(jìn)行仿真，設(shè)置模糊參數(shù)的初值為0.3，相應(yīng)階躍響應(yīng)曲線圖如圖10 所示。

圖10 模糊自整定PID 階躍響應(yīng)曲線圖

由曲線圖可知，系統(tǒng)的超調(diào)量δ=12%，響應(yīng)時(shí)間t=1.6 s，表明該模糊自整定PID 控制系統(tǒng)的超調(diào)量較小、響應(yīng)速度較快。

5 結(jié)束語(yǔ)

本研究通過(guò)對(duì)恒張力輸紗控制系統(tǒng)的整體結(jié)構(gòu)、硬件與軟件設(shè)計(jì)進(jìn)行分析，給出了一種基于CAN 總線通訊和模糊參數(shù)自整定PID 方法的控制器。該設(shè)計(jì)采用自整定PID 控制方法，針織過(guò)程中自動(dòng)調(diào)整PID 參數(shù)，能夠?qū)崿F(xiàn)紗線的恒張力傳輸。恒張力模塊與主控模塊間采用CAN 總線通訊方式，增強(qiáng)抗干擾能力和系統(tǒng)穩(wěn)定性。本研究通過(guò)Simulink 仿真驗(yàn)證了控制器的準(zhǔn)確性。

研究結(jié)果表明，該控制器的超調(diào)量小、響應(yīng)速度快，能夠有效解決無(wú)縫內(nèi)衣機(jī)中紗線張力的實(shí)時(shí)變化的問(wèn)題，實(shí)現(xiàn)紗線的恒張力輸送，具有良好應(yīng)用前景。

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