摘 要：提出利用永磁同步電動機伺服系統(tǒng)取代異步電機和機械凸輪，實現(xiàn)細紗機的數(shù)字卷繞方案。伺服驅(qū)動器中的數(shù)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(shù)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(xié)議、信號隔離和電平轉(zhuǎn)換，給出了詳細介紹�，F(xiàn)場運行表明該軟、硬件設(shè)計方案是可行的，并具有通用性。
關(guān)鍵詞：永磁同步電動機；伺服電動機；卷繞系統(tǒng)；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(jīng)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(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)細紗機中，異步電機經(jīng)蝸輪蝸桿減速，帶動凸輪旋轉(zhuǎn)，凸輪的形狀控制鋼領(lǐng)板的升降速度和動程，棘輪控制鋼領(lǐng)板每次運動的級升。這種卷繞機構(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，卷繞的異步電機轉(zhuǎn)速不能跟隨主電機轉(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、位置和級升，取消了控制成形的凸輪和棘輪，簡化了機械傳動結(jié)構(gòu)。磁場定向控制和卷繞算法由伺服驅(qū)動器中的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，動程日為鋼領(lǐng)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(lǐng)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(tǒng)中，由永磁同步電機、伺服驅(qū)動器、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、凸輪和棘輪。其硬件結(jié)構(gòu)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(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，定子繞組采用分數(shù)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(zhuǎn)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(yīng)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(qū)動逆變功率模塊。EEPR．OM芯片除了存儲伺服控制參數(shù)外，還可保存鋼領(lǐng)板停車位置(以免再次上電起動時拉斷紗線)、計長等工藝參數(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，如限位、啟停等信號經(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(diào)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(zhuǎn)，鋼領(lǐng)板在伺服電機的驅(qū)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(zhuǎn)，帶動鋼領(lǐng)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(huán)相當于原來的機械凸輪轉(zhuǎn)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(guī)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(guī)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(jié)果如圖3所示。圖3(a)中上升動程開始時電機轉(zhuǎn)速為40 r／min，上升動程完成時電機達到****轉(zhuǎn)速86 r／min，然后電機立即反轉(zhuǎn)，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(tǒng)的控制核心。輸入口按一定的周期檢測數(shù)十個傳感器的狀態(tài)，輸出口根據(jù)傳感器狀態(tài)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(tǒng)，一種用數(shù)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(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(shù)傳給DSP，由DSP將卷繞算法計算得到的速度、位移和轉(zhuǎn)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(zhuǎn)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(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不能同時觸發(fā)，所以需要根據(jù)當前的工作狀態(tài)，由DSP的某一輸出口提供Control信號，輸出高電平時，MAX485接受數(shù)據(jù)，輸出低電平時，MAX485發(fā)送數(shù)據(jù)。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(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，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(nèi)部寄存器SMB30設(shè)置通信的校驗、數(shù)據(jù)位、波特率等通信方式。DSP作為下位機接受和發(fā)送數(shù)據(jù)。
PLC采用自由口通信協(xié)議，無奇偶校驗，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(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)異或為O，則發(fā)送成功信號給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的快速計算能力減輕了PLC的計算負擔，利用串行通訊與PLC傳遞數(shù)據(jù)進一步降低了PLC的實時陛要求。文中所給的隔離和通訊協(xié)議轉(zhuǎn)換電路經(jīng)現(xiàn)場使用表明是可靠的。
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