一种基于电流控制的提花机选针器驱动电路的设计与分析

范建国，袁嫣红，张建义

（浙江理工大学教育部现代纺织装备技术工程研发中心，杭州310018）

一种基于电流控制的提花机选针器驱动电路的设计与分析

范建国，袁嫣红，张建义

（浙江理工大学教育部现代纺织装备技术工程研发中心，杭州310018）

电磁选针器的响应速度和能耗是关系大针数电子提花机性能的两个重要因素。从理论上分析了电磁铁吸合的过程，讨论了两种常见的加速电磁铁快速响应的方法，在此基础上设计了一种基于电流控制的提花机选针器驱动电路，给出了驱动电路平均电流的计算方法。实验结果表明，该电流控制方法能使电磁铁在吸合阶段实现高电流快速有效吸合，在保持阶段实现低电流低功耗保持。

电子提花机；选针器；响应速度；能耗；电流控制方法

0 引 言

随着电子提花机产业的高速发展，提花机针数越来越多，市场上现有的电子提花机针数一般在几千针左右，有些高达上万针。电子提花机选针器是提花机系统组成的一个重要部分，其中电磁铁是选针器的关键执行元件。选针器接受控制系统的触发信号，控制每个电磁铁对选针片的快速吸合及快速分离。电磁铁的响应速度直接影响了提花机是否能够可靠地选针；每个电磁铁的能耗决定了整台提花机的能耗。因此在设计提花机选针器驱动电路时，快速响应和低能耗成为了设计中的重点。

目前国内的电磁阀控制技术主要有可调式电阻驱动电路和双电压驱动电路。可调式驱动电路是通过改变不同阶段电路回路中的电阻值，来实现对电流波形的控制，但是这种电路在电流维持阶段的功率，很大部分消耗在分压电阻上，造成了功率的无效损耗［1］；双电压驱动电路通过改变工作过程不同阶段的工作电压幅值，达到提供较小保持电流，减小能量消耗的目的。目前提花机选针器驱动电路主要采用了基于电压控制的双电压驱动电路，可以降低提花机的能量损耗［2］，但其也有不足之处，例如保持电流不能控制，在不同工况下应变能力差等。

本研究从理论上分析了电磁铁吸合的过程，讨论了两种常见的加快电磁铁快速响应方法，在此基础上设计了一种基于电流控制的提花机选针器驱动电路，并给出了驱动电路平均电流的计算方法。

1 电磁铁吸合过程分析

1.1 提高快速响应的方法

电磁铁的运动过程可以分为吸合与释放过程，其中吸合过程的时间可以分为吸合阶段和保持阶段，吸合阶段是指从电磁铁开始通电到选针片吸合到位的阶段。保持阶段是指选针片吸合后一直到脱离吸合位置的阶段。

本研究通过Ansoft Maxwell电磁仿真软件模拟提花机电磁铁瞬态吸合过程。该电磁铁的电阻为96Ω，电感为21.5 mH，匝数为1 060匝，品质参数为1.56。图1为外部电路电压为15 V时的仿真电流曲线，图2为该仿真所加的外部电路图。在吸合阶段，电磁铁回路导通之后，电流从零值逐渐升高。由于线圈中不仅有电阻，而且还有一定的电感值，所以电流的上升不能立即达到稳定值，而是按指数曲线的规律上升［3］。

图1 线圈中电流的变化

图1中a点为选针片吸合点，t1为吸合阶段的时间，t2为保持阶段的时间。

图2 外部电路

图2中L1和R2为电磁铁的电感与电阻，该电路的原型为本研究所设计的电磁铁主回路电路图。2.1节的模拟仿真也是在此基础上进行的。

电磁铁的快速响应时间主要体现在选针片在吸合阶段能快速吸合，在释放过程能够快速分离。提高初始电压值，增加电磁吸力，减轻选针片重量和缩短选针片行程可以减少吸合时间t1［4］。在释放过程中，电磁铁刚断电时，线圈电流不能突变。线圈电流逐渐减少，吸力也逐渐减弱，当电磁吸力降低到不足以吸住衔铁时，衔铁就开始释放。要减少电磁铁的释放时间，可以减轻衔铁重量、缩短衔铁行程、减小电磁铁保持阶段的电流值［4］。下面讨论下常见的两种加速电路的原理。

1.2 两种常见的加速电路

1.2.1 阻容加速电路

在电路中应用附加电容（见图3），通电瞬间电容相当于短路，回路总阻值为电磁铁的电阻R1，此时回路电流较大，可使电磁铁的动作过程加速。当电容充电饱和之后，电容开路，此时回路总阻值为R1+R2，电流减小。

图3 阻容加速电路

1.2.2 高电压吸合低电压保持电路

这类电路常有两组电压，在电磁铁吸合阶段给其两端加一个高电压，流过线圈的电流也增加，电磁吸力增大，使电磁铁快速吸合。在吸合阶段结束后，保持阶段开始，电磁铁两端电压切换为低电压，用较小的电流维持电磁铁的吸力。在释放时，由于线圈流过的电流较小，释放时间也缩短。

2 选针器驱动电路设计

上述两种加速电路实质上都是在电磁铁吸合阶段用一个较大的电流来加速选针片的吸合，在保持阶段，切换为一个较小的电流来维持选针片的吸合。但是两种电路在保持阶段的电流值是由硬件电路决定的，电流稳定后就是一个固定的值，不可调，这样造成在不同工况下，又要去修改硬件电路。同时采用双电压控制电路，需要两个电压源，提高了硬件电路的复杂程度。

在此基础上提出了一种基于电流控制的提花机选针器驱动电路，在吸合阶段保证电磁铁快速有效的吸合，在保持阶段实行对电流的控制。因高电流吸合阶段时间太快，还未对电流进行控制，电磁铁已吸合，故对电磁铁的电流控制是在保持阶段进行的。首先根据提花机的转速及工况选取合适的主回路电压值，在保证电磁铁快速有效吸合后，如何控制保持阶段的平均电流值是节省能耗的关键。因此电磁铁保持阶段电流平均值的计算及驱动电路的实现是本研究重点。

2.1 吸合阶段主回路电压选取

假设提花机转速600 r/m，即一转所需要的时间为100 ms，吸合角度为55°，则电磁铁在一转周期内的动作和释放时间为t=100×≈30 ms。根据提花机机械结构上的需求，必须保证选针片在7°左右吸合，7°所占用的时间t=×30≈4 ms，因此在设计的过程当中要保证吸合阶段的时间少于4 ms。

为确定提花机在600 r/m的转速下合适的主回路电压值，按照本文1.1节中的方法，对电磁铁吸合瞬态过程进行仿真分析，按照经验值更改主回路不同的电压值，得出了电磁铁在不同电压下吸合电流曲线，如图4所示。

从图4可以看出不同电压下，选针片吸合时间是不同的。11 V电压下吸合时间为4.5 ms，13 V电压下为4 ms，15 V电压下为3.5 ms，17 V电压下吸合时间为3 ms。电压值越高选针片所用的吸合时间越短。因此，提花机在600 r/m的转速下，为满足吸合要求，主回路电压值至少要大于13 V。

图4 电磁铁吸合电流曲线

在此若选取的电压值过高则会造成电能的浪费，过低则会影响电磁铁的吸合动作。故本文选取15 V为主回路电压值。电磁铁在4 ms内完成选针片的吸合，在此之后进入26 ms的保持阶段，通过本文的驱动电路，降低保持阶段的平均电流。

2.2 保持阶段电流控制方案

2.2.1 电流测量方法

从可行性、测量精度、电路设计难易等方面考虑，选择回路串电阻的电流检测方法［5］。电磁铁主回路中串联一个精密小电阻即采样电阻，通过测量其两端的电压值来间接测量其线圈上的电流值。

2.2.2 总体方案

如图5所示，待选针片完成吸合后，进入保持阶段，比较电压电路实时采样电磁铁驱动电路上的采样点，将得到的采样电压与参考电压进行比较，当大于参考电压时，CPLD/FPGA拉低脉冲Send，切断驱动电路的回路。此时电磁铁主回路的线圈电感电流逐渐减小，在一段时间（ΔT）内仍能维持对选针片的吸合。过了这段时间（ΔT），切换Send为高电平，电流值又重新升高到参考电压对应的电流值，如此循环下去。这段时间（ΔT）在下面的叙述中称为断电时间。

图5 系统总体方案

2.2.3 参考电压电路设计

参考电压电路的作用是产生0～3.3 V之间的一个参考电压，参考电压电路如图6所示。由FPGA发送的一定占空比的脉冲波Pulse，其占空比为， 即参考电压与IO口高电平3.3 V的比值。在多次实验测试中，Pulse脉冲频率取1 k Hz时，输出的参考电压比较稳定。电容C1、C2、C3起到滤波的作用。U1是一个电压跟随器，提高后级的带负载能力，保证参考电压的值不会受到后级电路的干扰，维持一个稳定的值。

图6 参考电压电路

2.2.4 比较电路与主回路设计

比较电路实时地采集采样点的电压值。如图7所示，比较器U2将采样电压值与参考电压值Vref进行比较，比较的结果通过Receive反馈给FPGA。当采样值比参考值大时，FPGA拉低脉冲电平Send，切断驱动电路的回路。其中，D1二极管起到断电续流及保护作用，防止电磁铁断电时电感反向电压突然增大。R6是精密采样电阻，P1是由一个电感与电阻串联的电磁铁R-L等效电路。

图7 主回路与比较电路

2.2.5 程 序

本研究所选的FPGA芯片是Lattice公司的LMXO2-1200HC，该现场可编程门阵列芯片具有运行可靠、稳定，保证了扩展系统的安全运作；响应快速、高效，能够满足电子提花机系统的正常工作；集成度高、功能强，扩展便捷灵活，可以缩短系统的开发周期［6］。设计软件采用的是Lattice公司FPGA的开发平台Lattice Diamond。运用VerilogHDL语言编写程序，程序采用结构化设计，按功能划分模块，程序流程如图8所示。

图8 程序流程

2.3 断电时间ΔT的选取与平均电流的计算

从上面的控制方案可以看出电磁铁内的电流在保持阶段内是一个波动的值，在实际应用中，我们需要知道它的平均电流值。平均电流的大小与参考电压的值以及断电时间ΔT有关。

2.3.1 断电时间的选取

断电时间ΔT应根据参考电压的值以及电磁铁线圈断电后自身能维持的续流时间来选取。如果断电时间ΔT过短，即线圈的电流还未降下来，主回路又继续通电，那么会造成平均电流降不下来，控制也没有了意义。如果断电时间ΔT过长，断电后逐渐减小的线圈电流产生的电磁吸力不足以抵抗选针片的弹性反力，选针片因吸力不够而释放。合适的断电时间ΔT一般是根据实验调试得到的。

2.3.2 平均电流的计算

一个通断电周期内流过电磁铁线圈的电流由两部分组成，一部分是回路通电时间的电流，即回路通电后电流上升到参考电压对应的电流值时的电流，另一部分是断电期间电磁铁线圈依靠电感续流的电流。

在电磁铁低电流保持吸合过程中，图7电路中的回路处在断电期间，功率晶体管Q1不导通，此时电磁铁的电感和自身电阻组成了一个 R-L电路。该电路中无外加施激励电源，仅由动态元件初始储能所产生的响应，是一个动态电路零输入响应的RL电路。R-L电路零输入响应的电流公式［7］如下：

其中R为回路的电阻，L为电感，积分常数A= i（0+）=I0，I0为初始电流。该电磁铁R-L电路的电阻R=100Ω，电感L=25 m H，2.2Ω。

在断电时间ΔT1内电流总和：

在通电时间内，电磁铁线圈电流从经过断电时间后的剩余电流又升到参考电压对应的电流值。从实验结果可以看出，这段上升的电流曲线近似一条直线。故这段时间内的平均电流可以取两端最小电流与最大电流之和的一半，在通电时间内电流总和：

其中Imin为通电时间内最小电流值，Imax为通电时间内最大电流值，ΔT2为通电时间。

一个周期内的平均电流可以近似计算：

其中T为断电时间与通电时间的总和，即通断电周期。

3 实验调试结果

实验中参考电压的值为200 mV，断电时间ΔT为250μs，示波器采集到的各通道波形图如图9所示。示波器通道1显示的是Pulse脉冲波的波形图，通道2显示的是参考电压Vref的波形图，通道3显示的是采样点的电压波形图，通道4显示的是FPGA的脉冲Send波形图。通道1显示的Pulse脉冲波的占空比为

图9 参考电压值为200 m V的实验波形

通道2显示了Pulse脉冲波经参考电压电路后得的200 m V参考电压，可以看出该200 mV电压波形稳定，毛刺较小，验证了参考电压电路的准确性及可靠性。

通道3显示的是采样点的电压波形，低电平阶段表示断电时间250μs，可以看出高电平近似一条斜线，该斜线反映了采样点在通电阶段内的电压变化，间接反映了磁铁线圈上的电流变化曲线。在断电时间内电磁铁线圈依靠自身电感的续流作用来维持选针片的吸合。在通电时间内电流由73 mA，增加到依据3.3节平均电流的计算方法可以计算出参考电压为200 mV时所对应的平均电流为I平均=77.7 m A。

通道4显示的脉冲波形Send是用来驱动晶体管Q1，高电平使晶体管导通，主回路导通，电磁铁线圈处于通电阶段。低电平使晶体管断开，主回路不导通，电磁铁线圈处于断电阶段。

依照上面的控制方法，改变参考电压值，可测出各采样点的电压波形，计算出在不同参考电压下的电流平均值，如表1所示。

表1 不同参考电压下的平均电流值

从表1数据可以看出，在电磁铁保持阶段，断电时间同样是250μs的情况下，不同的参考电压值对应不同的平均电流值，验证了该电流控制方法的正确性。

在实际应用过程中，参考电压值的选取与保持阶段电磁吸力有关，在电磁吸力足够有效地吸住选针片的情况下，可当选取较低的参考电压值，以使平均电流最合理，从定性上可以看出一方面通过降低保持阶段的电流，可以使电磁铁释放速度提高，提高响应速度，另一方面不会使过大的保持电流造成对电能的浪费。

4 结束语

本研究从理论上分析了电磁铁吸合的过程，讨论了两种常见的加速电磁铁快速响应两种方法，在此基础上设计了基于电流控制选针器驱动电路，给出了电磁铁保持阶段软件算法与平均电流的计算方法，最后进行了实验验证。实验结果表明，基于电流控制的方法能有效地调节驱动回路的平均电流，相比双电压驱动电路少了一个电压源，同时保持阶段的电流可以根据工况需要进行调节，更具灵活性。

将上述电流控制方法应用在提花机选针器驱动电路中，可以实现电磁铁高电流快速吸合，低电流保持的目的，这样既能保证电磁铁有效的吸合，又能实现低功耗保持，节省了能源，可为国产提花机在提高快速响应与节省能耗方面上提供参考。

［1］宋 军，李书泽，李孝禄，等.高速电磁阀驱动电路设计及试验分析［J］.汽车工程，2005，27（5）：546-549.

［2］张 华，胡旭东.嵌入式电子提花机控制系统研究［J］.机电工程，2006，23（2）：30-32.

［3］郭凤仪，李 靖.电器学［M］.北京：机械工业出版社，2013：163-167.

［4］郭月洋，陈瑞琪.电子多臂机电磁铁吸合过程分析及加速措施探讨［J］.棉纺织技术，2000，28（10）：16-19.

［5］Harirak A，Sangwongwanich S.A novel source-current detection type active filter equivalent to load-current detection type［C］//Industry Applications Conference，2005.Fortieth IAS Annual Meeting.Conference Record of the 2005.IEEE，2005，2：1205-1212.

［6］张建义，张露露，袁嫣红.基于FPGA的大针数提花机控制器设计［J］.浙江理工大学学报，2010，27（3）：353-356.

［7］邱关源.电路［M］.5版.西安：高等教育出版社，2006：140-146.

Design and Analysis of Driving Circuit of Needle Selector of Jacquard Machine Based on Current Control

FAN Jian-guo，YUAN Yan-hong，ZHANG Jian-yi
（Modern Textile Equipment and Technology Engineering Research Center of Ministry of Education，Zhejiang Sci-Tech University，Hangzhou 310018，China）

The response speed and energy consumption of electromagnetic needle selector are two important factors concerning the performance of electronic jacquard machine with high number of threads. This paper theoretically analyzes the process of electromagnet actuation，discusses two common methods of accelerating rapid response of electromagnet，designs a driving circuit of needle selector of jacquard machine based on current control on this basis and gives the computing method of average current of driving circuit.The experimental result shows that this current control method can make electromagnet realize high-current，rapid and effective actuation in actuation stage and realize the maintenance of low current and low energy consumption in the stage of maintenance.

electronic jacquard machine；needle selector；response speed；energy consumption；current control method

TS183.6

A

（责任编辑：康 锋）

1673-3851（2014）03-0281-06

2013-10-09

现代纺织装备技术创新团队（2009R50018）；浙江省自然科学基金（Z1110750）

范建国（1988-），男，浙江丽水人，硕士生，主要从事嵌入式控制系统方面的研究。

袁嫣红，E-mail：yyh@zstu.edu.cn