摘 要：提出利用永磁同步電動機伺服系統取代異步電機和機械凸輪，實現細紗機的數字卷繞方案。伺服驅動器中的數字信號處理器完成永磁電機的磁場定向控制和卷繞算法，工藝參數由PLC和DSP通過串行通信接口(SCI)進行通信。對DSP與PLC之間的通信協議、信號隔離和電平轉換，給出了詳細介紹�，F場運行表明該軟、硬件設計方案是可行的，并具有通用性。
關鍵詞：永磁同步電動機；伺服電動機；卷繞系統；PLC；DSP；串行通信
0 引 言
細紗機用于棉及化纖的純紡或混紡的細紗工序，以單程粗紗喂人、經牽伸和加捻后紡制成織造、針織等所用的細紗。細紗由上、下循環往返的鋼領板牽引，繞到高速旋轉的紗管即錠子上，形成特定成形的紗錠。傳統細紗機中，異步電機經蝸輪蝸桿減速，帶動凸輪旋轉，凸輪的形狀控制鋼領板的升降速度和動程，棘輪控制鋼領板每次運動的級升。這種卷繞機構存在明顯不足，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，后續的高速退繞中出現脫圈和滑塌現象。第三，卷繞的異步電機轉速不能跟隨主電機轉速的變化，造成紗線疏密不均勻。本文采用永磁同步伺服系統控制鋼領板的速度、位置和級升，取消了控制成形的凸輪和棘輪，簡化了機械傳動結構。磁場定向控制和卷繞算法由伺服驅動器中的DSP完成。工藝參數由PLC和DSP通過SCI通信。
1 永磁同步伺服卷繞系統
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，動程日為鋼領板每次向上或向下移動的距離，級升m為相鄰兩層紗錯開的長度，γ為管紗成形角。
鋼領板每次上下移動的距離和級升影響紗錠的形狀，上下移動的速度決定紗線繞制的疏密程度。
改進后的細紗機電氣系統中，由永磁同步電機、伺服驅動器、編碼器構成的永磁同步伺服卷繞系統替換了卷繞異步電機、凸輪和棘輪。其硬件結構如圖2所示。永磁同步電機的額定功率為1kW。為配合落紗需要(轉速高于2 000 r／min)，****轉速為3 000 r／min，轉子磁鋼采用面貼式安裝，定子繞組采用分數槽形式，抑制了齒諧波。編碼器兩路正交信號的分辨率為每轉5 1 2個脈沖，另外還有三路對稱的u、V、w信號，用于電機起動和決定磁極位置。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電流傳感器，控制芯片用TMS320L,F2406A。DSP通過高壓浮動MOS柵極集成電路驅動逆變功率模塊。EEPR．OM芯片除了存儲伺服控制參數外，還可保存鋼領板停車位置(以免再次上電起動時拉斷紗線)、計長等工藝參數。DSP與PLC通過串行通訊傳遞參數，和卷繞部分相關的數字信號，如限位、啟停等信號經電平轉換可與DSP相連。由于紗錠、前羅拉的轉速與主電機保持固定的速比，安裝在前羅拉上的編碼器實時反映主電機速度的變化，DSP及時調整電機速度，保證紗線疏密一致。DSP中的事件管理器將基于磁場定向控制算法得到的PWM輸出控制三相逆變器。
卷繞時，紗管安裝在錠子上，高速旋轉，鋼領板在伺服電機的驅動下，帶動紗線從紗管底部以速度v↑開始向上移動一個動程后，形成第一層紗，然后電機反轉，帶動鋼領板以速度v↑由上向下移動一個動程，覆蓋在第一層紗的上面。這樣一個循環相當于原來的機械凸輪轉動一圈，上下兩個動程的差為一個級升，即原來一個棘牙的距離。按這樣規律運動以級升m逐漸向上推繞，后一層紗繞在圓錐形紗層上面，一段時間后，在紗管的底部繞出一個圓錐形的底座即管底，然后以同樣的規律卷繞管身，最后推繞到紗管頂部時，完成卷繞成形。取短動程日為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，仿真結果如圖3所示。圖3(a)中上升動程開始時電機轉速為40 r／min，上升動程完成時電機達到****轉速86 r／min，然后電機立即反轉，從267 r／min逐漸降到1 24 r／min，完成下降短動程。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。上升和下降兩個動程的差即級升為O．6 mm
2. DSP與PLC通信
PLC是細紗機電氣系統的控制核心。輸入口按一定的周期檢測數十個傳感器的狀態，輸出口根據傳感器狀態和工藝時序輸出高低電平，模擬模塊輸出模擬電壓給變頻器控制主傳動電機的速度。
兩個RS-485口中的一個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，一種用數字脈沖方式，即輸出兩路控制信號，一路控制伺服電機的速度和位移，另一路控制伺服電機的轉向。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的計算負擔。
第二種方式PLC只需將輸入的紗錠成形參數傳給DSP，由DSP將卷繞算法計算得到的速度、位移和轉向作為命令量，控制伺服電機。
顯然，第二種方式是較好的方案。為可靠地進行PLC與DSP問的通信，兩者信號之間需隔離和轉換。因PLC連接許多輸入輸出電路，各種傳感器和被控對象分布在細紗機的不同部位，同一電網還連接變頻器等電力電子開關設備，容易產生共模電壓，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恢復成原來狀態。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和發送使能引腳DE不能同時觸發，所以需要根據當前的工作狀態，由DSP的某一輸出口提供Control信號，輸出高電平時，MAX485接受數據，輸出低電平時，MAX485發送數據。電阻R4為傳輸線匹配電阻，抑制從負載端反射回來的信號發生再次反射。電阻R3=R5，保持A、B兩端的輸入阻抗相等。
PLC作為上位機，兩個通信口中的Portl與顯示和鍵盤部分進行RS一485通信，PortO和芯片MAX485連接，與DSP進行通信，通過PLC內部寄存器SMB30設置通信的校驗、數據位、波特率等通信方式。DSP作為下位機接受和發送數據。
PLC采用自由口通信協議，無奇偶校驗，8位字符。DSP采用空閑線多處理器模式，無奇偶校驗，8位字符。PLC發送數據包給DSP，DSP接受到數據包后，把有效數據進行比較和異或，如果有效數據相符并且所有數據異或為O，則發送成功信號給PLC，如果有效數據不相符或者異或不是零，則要求PLC重新發送。PLC和DSP的通信程序框圖分別如圖6和圖7所示。
3 結 論
永磁同步伺服卷繞系統克服了原有機械凸輪和棘輪構成的紗錠成形系統的諸多不足，通過參數設置和不同的卷繞算法可獲得不同的紗錠成形。DSP的快速計算能力減輕了PLC的計算負擔，利用串行通訊與PLC傳遞數據進一步降低了PLC的實時陛要求。文中所給的隔離和通訊協議轉換電路經現場使用表明是可靠的。
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