摘 要：提出利用永磁同步電動(dòng)機(jī)伺服系統(tǒng)取代異步電機(jī)和機(jī)械凸輪，實(shí)現(xiàn)細(xì)紗機(jī)的數(shù)字卷繞方案。伺服驅(qū)動(dòng)器中的數(shù)字信號(hào)處理器完成永磁電機(jī)的磁場(chǎng)定向控制和卷繞算法，工藝參數(shù)由plc和dsp通過串行通信接口(sci)進(jìn)行通信。對(duì)dsp與plc之間的通信協(xié)議、信號(hào)隔離和電平轉(zhuǎn)換，給出了詳細(xì)介紹。現(xiàn)場(chǎng)運(yùn)行表明該軟、硬件設(shè)計(jì)方案是可行的，并具有通用性。
關(guān)鍵詞：永磁同步電動(dòng)機(jī)；伺服電動(dòng)機(jī)；卷繞系統(tǒng)；plc；dsp；串行通信
0 引 言
細(xì)紗機(jī)用于棉及化纖的純紡或混紡的細(xì)紗工序，以單程粗紗喂人、經(jīng)牽伸和加捻后紡制成織造、針織等所用的細(xì)紗。細(xì)紗由上、下循環(huán)往返的鋼領(lǐng)板牽引，繞到高速旋轉(zhuǎn)的紗管即錠子上，形成特定成形的紗錠。傳統(tǒng)細(xì)紗機(jī)中，異步電機(jī)經(jīng)蝸輪蝸桿減速，帶動(dòng)凸輪旋轉(zhuǎn)，凸輪的形狀控制鋼領(lǐng)板的升降速度和動(dòng)程，棘輪控制鋼領(lǐng)板每次運(yùn)動(dòng)的級(jí)升。這種卷繞機(jī)構(gòu)存在明顯不足，首先紗錠成形靠凸輪的形狀保證，不同的成形要更換不同形狀的凸輪。其次，凸輪控制方式存在桃尖沖擊、桃底停頓等固有缺陷，凸輪磨損后，特別是凸輪的桃尖和桃底部分，造成紗線堆積，后續(xù)的高速退繞中出現(xiàn)脫圈和滑塌現(xiàn)象。第三，卷繞的異步電機(jī)轉(zhuǎn)速不能跟隨主電機(jī)轉(zhuǎn)速的變化，造成紗線疏密不均勻。本文采用永磁同步伺服系統(tǒng)控制鋼領(lǐng)板的速度、位置和級(jí)升，取消了控制成形的凸輪和棘輪，簡(jiǎn)化了機(jī)械傳動(dòng)結(jié)構(gòu)。磁場(chǎng)定向控制和卷繞算法由伺服驅(qū)動(dòng)器中的dsp完成。工藝參數(shù)由plc和dsp通過sci通信。
1 永磁同步伺服卷繞系統(tǒng)圖1所示是一種常見的紗錠成形示意圖。它由管底和管身兩部分組成，d為****卷繞直徑，d為紗管直徑，動(dòng)程日為鋼領(lǐng)板每次向上或向下移動(dòng)的距離，級(jí)升m為相鄰兩層紗錯(cuò)開的長(zhǎng)度，y為管紗成形角。
鋼領(lǐng)板每次上下移動(dòng)的距離和級(jí)升影響紗錠的形狀，上下移動(dòng)的速度決定紗線繞制的疏密程度。
改進(jìn)后的細(xì)紗機(jī)電氣系統(tǒng)中，由永磁同步電機(jī)、伺服驅(qū)動(dòng)器、編碼器構(gòu)成的永磁同步伺服卷繞系統(tǒng)替換了卷繞異步電機(jī)、凸輪和棘輪。其硬件結(jié)構(gòu)如圖2所示。永磁同步電機(jī)的額定功率為1kw。為配合落紗需要(轉(zhuǎn)速高于2 000 r／min)，****轉(zhuǎn)速為3 000 r／min，轉(zhuǎn)子磁鋼采用面貼式安裝，定子繞組采用分?jǐn)?shù)槽形式，抑制了齒諧波。編碼器兩路正交信號(hào)的分辨率為每轉(zhuǎn)5 1 2個(gè)脈沖，另外還有三路對(duì)稱的u、v、w信號(hào)，用于電機(jī)起動(dòng)和決定磁極位置。三相逆變器中整流和逆變部分采用功率模塊，電流采樣用霍爾效應(yīng)電流傳感器，控制芯片用’ims320l,f2406a。dsp通過高壓浮動(dòng)mos柵極集成電路驅(qū)動(dòng)逆變功率模塊。eepr．om芯片除了存儲(chǔ)伺服控制參數(shù)外，還可保存鋼領(lǐng)板停車位置(以免再次上電起動(dòng)時(shí)拉斷紗線)、計(jì)長(zhǎng)等工藝參數(shù)。dsp與plc通過串行通訊傳遞參數(shù)，和卷繞部分相關(guān)的數(shù)字信號(hào)，如限位、啟停等信號(hào)經(jīng)電平轉(zhuǎn)換可與dsp相連。由于紗錠、前羅拉的轉(zhuǎn)速與主電機(jī)保持固定的速比，安裝在前羅拉上的編碼器實(shí)時(shí)反映主電機(jī)速度的變化，dsp及時(shí)調(diào)整電機(jī)速度，保證紗線疏密一致。dsp中的事件管理器將基于磁場(chǎng)定向控制算法得到的pwm輸出控制三相逆變器。
卷繞時(shí)，紗管安裝在錠子上，高速旋轉(zhuǎn)，鋼領(lǐng)板在伺服電機(jī)的驅(qū)動(dòng)下，帶動(dòng)紗線從紗管底部以速度v個(gè)開始向上移動(dòng)一個(gè)動(dòng)程后，形成第一層紗，然后電機(jī)反轉(zhuǎn)，帶動(dòng)鋼領(lǐng)板以速度釤．由上向下移動(dòng)一個(gè)動(dòng)程，覆蓋在第一層紗的上面。這樣一個(gè)循環(huán)相當(dāng)于原來的機(jī)械凸輪轉(zhuǎn)動(dòng)一圈，上下兩個(gè)動(dòng)程的差為一個(gè)級(jí)升，即原來一個(gè)棘牙的距離。按這樣規(guī)律運(yùn)動(dòng)以級(jí)升m逐漸向上推繞，后一層紗繞在圓錐形紗層上面，一段時(shí)間后，在紗管的底部繞出一個(gè)圓錐形的底座即管底，然后以同樣的規(guī)律卷繞管身，最后推繞到紗管頂部時(shí)，完成卷繞成形。取短動(dòng)程日為46 mm，****卷繞直徑d為39 mm，紗管直徑d為1 9 mm，棉紗線密度為1 3．9，錠子額定速度為1 6 000 r／min，仿真結(jié)果如圖3所示。圖3(a)中上升動(dòng)程開始時(shí)電機(jī)轉(zhuǎn)速為40 r／min，上升動(dòng)程完成時(shí)電機(jī)達(dá)到****轉(zhuǎn)速86 r／min，然后電機(jī)立即反轉(zhuǎn)，從267 r／min逐漸降到1 24 r／min，完成下降短動(dòng)程。從圖3(b)的位移曲線看，并非以想像的直線變化，而是沿拋物線變化。上升和下降兩個(gè)動(dòng)程的差即級(jí)升為o．6 mm n2 dsp與plc通信plc是細(xì)紗機(jī)電氣系統(tǒng)的控制核心。輸人口按一定的周期檢測(cè)數(shù)十個(gè)傳感器的狀態(tài)，輸出口根據(jù)傳感器狀態(tài)和工藝時(shí)序輸出高低電平，模擬模塊輸出模擬電壓給變頻器控制主傳動(dòng)電機(jī)的速度。
兩個(gè)rs-485口中的一個(gè)與顯示和鍵盤部分的通信口連接。plc有兩種方式控制上述的永磁同步伺服卷繞系統(tǒng)，一種用數(shù)字脈沖方式，即輸出兩路控制信號(hào)，一路控制伺服電機(jī)的速度和位移，另一路控制伺服電機(jī)的轉(zhuǎn)向。第二種方式通過串行口通信。第一種方式要求plc輸出較高頻率的脈沖才能達(dá)到控制要求，增加高速輸出模塊，而且卷繞算法也由plc完成，增加了plc的計(jì)算負(fù)擔(dān)。
第二種方式plc只需將輸入的紗錠成形參數(shù)傳給dsp，由dsp將卷繞算法計(jì)算得到的速度、位移和轉(zhuǎn)向作為命令量，控制伺服電機(jī)
顯然，第二種方式是較好的方案。為可靠地進(jìn)行plc與dsp問的通信，兩者信號(hào)之間需隔離和轉(zhuǎn)換。因plc連接許多輸入輸出電路，各種傳感器和被控對(duì)象分布在細(xì)紗機(jī)的不同部位，同一電網(wǎng)還連接變頻器等電力電子開關(guān)設(shè)備，容易產(chǎn)生共模電壓，24 v電平與dsp的3．3 v不一致。
圖4為plc與dsp問的光耦隔離電路。光耦6 n1 39具有低輸入電流、高速、高電流傳輸比的特性。這些特性使得輸入端可直接與dsp的發(fā)射端連接，保持高的通信波特率和較高的輸出電流。
圖4中的電阻r1起限流作用，r2起上拉作用。輸出端的反相器將被光耦反相的信號(hào)恢復(fù)成原來狀態(tài)。另一方面，因dsp的sci模塊采用rs-232的通信方式，而plc的通信口porto采用的是rs-485的通信方式，用圖5所示的芯片max485可使兩種 通信方式兼容。處于半雙．-v-v作模式的max485，接收使能引腳re和發(fā)送使能引腳de不能同時(shí)觸發(fā)，所以需要根據(jù)當(dāng)前的工作狀態(tài)，由dsp的某一輸出口提供control信號(hào)，輸出高電平時(shí)，max485接受數(shù)據(jù)，輸出低電平時(shí)，max485發(fā)送數(shù)據(jù)。電阻r4為傳輸線匹配電阻，抑制從負(fù)載端反射回來的信號(hào)發(fā)生再次反射。電阻r3=r5，保持a、b兩端的輸入阻抗相等。
plc作為上位機(jī)，兩個(gè)通信口中的portl與顯示和鍵盤部分進(jìn)行rs一485通信，porto和芯片max485連接，與dsp進(jìn)行通信，通過plc內(nèi)部寄存器smb30設(shè)置通信的校驗(yàn)、數(shù)據(jù)位、波特率等通信方式。dsp作為下位機(jī)接受和發(fā)送數(shù)據(jù)。
plc采用自由口通信協(xié)議，無奇偶校驗(yàn)，8位字符。dsp采用空閑線多處理器模式，無奇偶校驗(yàn)，8位字符。plc發(fā)送數(shù)據(jù)包給dsp，dsp接受到數(shù)據(jù)包后，把有效數(shù)據(jù)進(jìn)行比較和異或，如果有效數(shù)據(jù)相符并且所有數(shù)據(jù)異或?yàn)閛，則發(fā)送成功信號(hào)給plc，如果有效數(shù)據(jù)不相符或者異或不是零，則要求plc重新發(fā)送。plc和dsp的通信程序框圖分別如圖6和圖7所示。
3 結(jié) 論
永磁同步伺服卷繞系統(tǒng)克服了原有機(jī)械凸輪和棘輪構(gòu)成的紗錠成形系統(tǒng)的諸多不足，通過參數(shù)設(shè)置和不同的卷繞算法可獲得不同的紗錠成形。
dsp的快速計(jì)算能力減輕了plc的計(jì)算負(fù)擔(dān)，利用串行通訊與plc傳遞數(shù)據(jù)進(jìn)一步降低了plc的實(shí)時(shí)陛要求。文中所給的隔離和通訊協(xié)議轉(zhuǎn)換電路經(jīng)現(xiàn)場(chǎng)使用表明是可靠的。
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