无缝内衣机分布式气阀组驱动控制单元设计

彭来湖， 万中魁， 胡旭东， 向 忠， 杨亮亮

(1. 浙江理工大学 现代纺织装备技术教育部工程研究中心， 杭州 浙江 310018；2. 浙江理工大学 浙江省现代纺织装备技术重点实验室， 杭州 浙江 310018)

无缝内衣机分布式气阀组驱动控制单元设计

彭来湖1,2， 万中魁1,2， 胡旭东1,2， 向 忠1,2， 杨亮亮1,2

(1. 浙江理工大学 现代纺织装备技术教育部工程研究中心， 杭州 浙江 310018；2. 浙江理工大学 浙江省现代纺织装备技术重点实验室， 杭州 浙江 310018)

针对内衣机气阀驱动路数繁多、空间布局分散的特点，归纳分析不同空间位置气阀的功能和性能要求，提出一种基于RS485总线通信的分布式驱动控制设计方案。根据控制单元分布式结构，构建了总体设计架构，论述了驱动控制单元硬件电路设计与软件开发，并根据控制指令传输需求，拟定了通信协议。为降低气阀功耗，提高动作准确率，驱动方式采取脉冲宽度调制(PWM)保持的方式，通过深入研究PWM各参数对通过气阀线圈电流的影响，在不同频率值和占空比下测量气阀线圈电流，结合实际打动情况选择最合适的参数。测试结果表明，该方案稳定可靠，气阀工作效率高，满足无缝内衣机的控制要求。

无缝内衣机；气阀； 分布式驱动控制； 频率； 占空比

无缝内衣机中，三角、梭子、哈夫针、夹子、剪刀[1]等执行机构都是通过气阀驱动的，种类繁多，空间布局分散。所选用气阀大都为电磁气阀，气阀内部线圈电流的大小是影响气阀温度的关键因素。国产的控制器与进口控制器相比，扩展性和抗干扰性不强，控制线路复杂，且通过气阀线圈电流普遍较高，导致气阀温度很高，影响工作特性。

通过深入研究RS485总线的特性，根据无缝内衣机编织工艺的控制要求，提出一种无缝内衣机气阀组分布式驱动控制方法。对气阀驱动的执行机构采用分类处理，通过多路多节点的通信方式，提高系统的实时性和稳定性。采用脉冲宽度调制(PWM)保持的方式减小气阀工作电流[2]，降低功耗，提高动作准确率，延长气阀使用寿命。

1 驱动控制单元分布式结构概述

无缝内衣机种类很多，本文设计以8路单针筒无缝针织内衣圆机为例进行阐述。在8路单针筒无缝针织内衣圆机中，靠气阀驱动的执行机构共232个，根据分布位置，大致分为2大类，梭子气阀和其他气阀，如图1所示。梭子气阀位于机器的八路梭子机构后面，每路装有15个气阀，共120个，其他气阀位于机器后面，成组排列，共112个，每组8个，分为14组。

本文设计采用分层结构控制，如图2所示。分为主控制层和执行层，总体架构为2路RS485总线架构，主控制层选用ST公司的ARM芯片STM32F407，执行层选用ST公司的ARM芯片STM32F103C8T6。

根据无缝内衣机编织工艺要求，综合考虑方案成本、芯片IO口数目与驱动能力，决定通过1块气阀驱动板驱动24个电磁气阀。选取主控芯片中的UART1和UART2作为气阀控制单元的通信口，采用串行通信的方式，每条总线上最多串联8个节点。对于梭子气阀而言，每路梭子气阀使用1块气阀驱动板控制，共需8块驱动板；对于其他气阀而言，由于电磁阀分布集中，且为成组排列，气阀驱动板每块最多控制3组气阀，共需5块驱动板。

2 驱动控制单元硬件设计

2.1 核心控制模块电路设计

驱动控制单元的电路如图3所示。图中AD1～AD4为气阀驱动板地址线，一条支路上最多驱动16块气阀板；BOOT0和BOOT1为芯片启动模式选择线，将BOOT0置“0”、BOOT1置“1”选择从用户闪存启动[3]；OSC接外部晶振，为芯片提供稳定的时钟；DE、REB、485RXD和485TXD为通信信号；valve1～valve24为输出信号，驱动24个气阀。

2.2 气阀开关电路设计

无缝内衣机中所使用的气阀为电磁阀，电磁阀的工作特性是当需要磁铁吸合时，在线圈上通过额定电流，使磁铁吸合。吸合后，磁路中气隙减小，磁阻降低，仅需较小电流即可维持吸合状态[4]。所以控制时先高压打开一段时间，使磁铁吸合，打开气阀，再通过PWM保持的方式维持打开状态。

气阀开关电路如图4所示。电路采用ULN2804A作为驱动芯片，ULN2804A为8路达林顿管阵列，最大输出电流为500 mA，最大输出电压为50 V，打开关闭最大延时时间为 1 μs。采用光耦对控制芯片和驱动芯片进行电气隔离，增强抗干扰能力，型号为TLP185。IN为信号输入端，连接ARM芯片STM32F103的IO口。根据用户手册可知，ULN2804A内部为2个NPN型三极管，根据IN端的输入状态、输出高压或低压来切换气阀的开关状态。当IN输入高电平时，内部三极管工作在截止区[5]，电磁气阀关闭；反之，电磁气阀打开。每块驱动芯片能驱动8个电磁气阀，则气阀板上的24个气阀刚好需要3块驱动芯片。

2.3 通信接口电路设计

通信接口电路如图5所示。采用RS485总线实现数据传输，电路采用全双工模式[6]，选用

SP491E作为总线收发器。SP491E是一个低功耗差分收发器，数据传输速率高达10 Mbps。使用SP491E能够提高传输速度和抗干扰能力，且通过切换收发器的工作状态，在多节点传输时减少对总线的干扰，增强通信的可靠性。为满足通信的高速性，通信信号传输过程中采用光耦隔离，型号为FODM611。FODM611具有高抗扰度，且传输延时不超过100 ns。在光耦两端的传输线上加滤波电容，保证数据传输的准确性；在总线末端差分线正负极之间加入终端电阻，消除通信电缆中的信号反射，使收发器和电缆之间阻抗相匹配[7]。

3 控制单元软件开发

3.1 通信协议制定

3.1.1 RS485总线通信协议制定

RS485总线通信采用数据包的形式进行传递，由于气阀各种控制指令的数据包字节数不同，制定不同帧包字节总数通信协议，如表1所示。协议共包括7种命令，分别为起始帧、帧包字节数、功能指令、地址编号、参数、CRC(循环冗余校验)校验码[8]和结束帧组成。起始帧标志着一包数据的开始；帧包字节数为本次数据包的字节总数；功能指令包含此次数据包的功能信息；地址编号表示本次信息的接收对象；参数1～n表示此次数据包中的动作指令；CRC校验码是由主控制层根据当前数据包计算出的32位校验码，分为4个字节[9]。当执行层接收到数据时，对包中数据进行CRC校验，减少数据接收错误率；结束帧标志着本次数据包的结束。

表1 RS485总线通信协议Tab.1 Communication protocol of RS485 bus

3.1.2 控制指令协议制定

指令传输时，共包括5种控制指令，如图6所示，分别是气阀测试、气阀动作、功能配置、数据反馈和程序升级。气阀测试包括单个气阀测试、单路气阀测试、气阀老化测试和气阀循环测试，测试每个气阀是否能够正常工作；气阀动作表示根据具体编织工艺要求，按照主控制层发送的动作指令，进行协调有序的动作；功能配置包括参数配置和安全检查，参数配置指调节气阀动作时的PWM占空比和频率；安全检查指令相当于系统上电后的“问候语”，确认执行层是否准备就绪；数据反馈中主要是由执行层向主控制层反馈报警信息、PWM参数配置完成信息和安全检查完成信息；程序升级是用来传输气阀驱动板的升级程序。

3.2 控制指令解析程序开发

执行层的程序流程图如图7所示，程序采用中断方式接收数据，进入中断后，对数据进行解析。如果解析为气阀动作指令，对动作指令与当前气阀状态进行比较，如果动作指令相同，则按照设定好的PWM占空比进行PWM保持；如果动作指令不相同，动作指令为“1”→“0”，气阀从关闭到打开，则先维持气阀高压打开状态100 ms，再进行PWM保持打开状态；若动作指令为“0”→“1”，则直接置“1”关闭气阀即可。

4 测 试

4.1 数据传输测试

数据传输测试通过示波器采集数据波形的方法，RS485总线数据传输波形如图8所示。设定波特率为1 Mb/s，传输数据为13个字节的气阀动作指令0xAA、0xAA、0x0C、0xA1、0x01、0x05、0x01、0xFD、0xB7、0xCA、0x98、0xFF、0xFF。由图可知，每1位的时间为1 μs，满足所设定波特率。所测波形为差分波形，正极电平4.2 V，负极电平-4.2 V，满足RS485总线电气特性[10]。

4.2 气阀动作测试

气阀动作测试主要是在不超过气阀额定功率的前提下，通过调节PWM保持的频率值和占空比，使气阀打开时，无缝内衣机上的执行机构能维持动作状态。PWM的频率能够影响气阀线圈的电流波动和电路电磁干扰，合适的频率值能有效减小电流波动和电磁干扰；PWM占空比决定了保持电流大小，需要确保保持电流在气阀额定电流以内。不同频率和占空比下电流值的测试结果如表2所示。

根据无缝内衣机上气阀的参数，额定功率为1.3 W，由24 V直流供电，则通过计算可知气阀工作时的工作电流I<1.3/(24-0.7)≈0.055 8 A。但是，电流太小会导致电磁气阀无法维持执行机构打开状态。通过对比表中数据，选取PWM频率为1 000 Hz，占空比为70%，此时电流为0.045 A。

经过上机测试，在此参数下，所有气阀均能带动执行机构动作。

表2 不同频率和占空比下的气阀线圈电流值Tab.2 Current value through coil of air valve at different frequency and duty cycle

5 结 语

无缝内衣机气阀组分布式驱动控制单元设计，对复杂多样、空间布局分散的气阀驱动机构进行分类处理，分路控制，大大减少了线路的复杂程度，每条支路采用多节点串行连接，保证了通信的稳定性和可靠性，提高了通信速度和扩展能力。采用PWM保持的方式减小通过气阀线圈的电流，降低了功率消耗，提高了执行机构动作准确率，延长了气阀使用寿命。

FZXB

[1] 曹斌.无缝针织内衣机成圈机构原理与工艺的研究与分析[D].杭州：浙江理工大学,2010:1-3. CAO Bin. Research and analysis on the looping principle and technology of the seamless underwear knitting machine[D]. Hangzhou:Zhejiang Sci-Tech University, 2010: 1-3.

[2] 朱旭峰,柳柱,谷岩.电磁阀保持电流的自动调节系统设计研究[J].航天控制,2014,32(1):94-98. ZHU Xufeng, LIU Zhu,GU Yan.The design of a holding-current automatic adjusting system for solenoid valve driving[J]. Aerospace Control, 2014,32(1):94-98.

[3] 徐洋,马跃.STM32F103系列微控制器在应用编程技术研究[J].单片机与嵌入式系统应用,2013(8):35-38. XU Yang, MA Yue.IAP in STM32F103 series MCU[J]. Microcontrollers & Embedded Systems, 2013(8):35-38.

[4] 苏岭,柳泉冰,汪映,等.脉宽调制保持电磁阀驱动参数的研究[J].西安交通大学学报,2005,39(7):689-692. SU Ling,LIU Quanbing,WANG Ying,et al. Experimental investigation on parameters of pulse width modulation-holding solenoid valve drive mode[J]. Journal of Xi′an Jiaotong University, 2005, 39(7): 689-692.

[5] 童诗白,华成英.模拟电子技术基础[M].4版.北京：高等教育出版社,2006:33. TONG Shibai,HUA Chengying. Basis of Analogue Electronic Technique[M].4th ed. Beijing:High Education Press,2006:33.

[6] 李乐,郑宾,秦建斌.全双工RS485总线发送机制的研究[J].中国仪器仪表,2008(2):41-43. LI Le,ZHENG Bin,QIN Jianbin. A mechanism of date sending in full duplex RS485 bus[J]. Technical Exploration,2008(2):41-43.

[7] 李兵.RS-485总线传输系统的一些关键技术[J].湖南第一师范学报,2004,4(4):104-115. LI Bing. Some key technologies in transmission system based on RS-485 bus[J]. Journal of Hunan First Normal College,2004,4(4):104-115.

[8] 姚七栋,张春玉.CRC校验及其软件实现[J].现代电子技术,2006(13)：67-69. YAO Qidong,ZHANG Chunyu.Test of CRC and its realization[J]. Modern Electronic Technology, 2006(13): 67-69.

[9] 王书根，王振松，刘晓云.Modbus协议的RS485总线通讯机的设计与应用[J].自动化与仪表，2011(5):25-28. WANG Shugen, WANG Zhensong, LIU Xiaoyun. Design and application of communication device for RS485 bus based on Modbus protocol[J]. Automation & Instrumentation, 2011(5):25-28.

[10] 孟昭莹.基于RS485总线的网嵌入式多机通讯设计[J].信息技术与信息化,2003(5):51-53. MENG Zhaoying.The communication design of embedded multi-SCM based on RS485 bus[J]. Information Technology and Informatization, 2003(5):51-53.

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

国家科技支撑计划项目(2013BAF05B00；2014BAF06B03)；国家自然科学基金资助项目(51305404)

彭来湖(1980—)，男，讲师，博士生。主要研究方向为针织装备控制技术。E-mail：laihup@zstu.edu.cn。

10.13475/j.fzxb.20150902005

TS 103.7

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