摘要：利用變頻器控制電動機的速度可以提高全自動手套機的編織效率。文中概括手套機及其他針織機械設(shè)備所配變頻器的選型原則．分析全自動手套機電氣控制系統(tǒng)的工作原理以及與變頻器的硬件接口．討論變頻器使用過程中可能產(chǎn)生的干擾和采取的有效措施，設(shè)計手套機中變頻器的通信協(xié)議及軟件實現(xiàn)思路．并給出相應(yīng)的通信軟件流程圖。

關(guān)鍵詞：變頻器；全自動手套機；電氣控制系統(tǒng)；通信協(xié)議

對于以手套機、橫機為代表的全自動針織機械設(shè)備．其電氣控制系統(tǒng)的控制對象主要有2類：一類是數(shù)量眾多的電磁鐵．它們按照一定時序工作可以實現(xiàn)各個機械部件的協(xié)調(diào)與配合： 另一類控制對象是電動機， 它是整個機械傳動系統(tǒng)工作的直接動力。在針織產(chǎn)品編織過程中有的部位結(jié)構(gòu)相對簡單，編織速度可以加快：有的部位結(jié)構(gòu)復雜．編織速度需要減慢。因此．對電動機進行合理地調(diào)速是必要的 這樣一方面可以提高生產(chǎn)效率和產(chǎn)品質(zhì)量．另一一方面還可以有效地節(jié)能 目前，用于交流電動機調(diào)速的較理想的方案是采用變頻器進行電動機轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié) 變頻器是利用電力半導體器件的通斷作用將工頻電源變換為頻率和電壓均可調(diào)整的電能控制裝置，在電力、紡織、建材、石油、化工、冶金等行業(yè)得到了快速發(fā)展和廣泛應(yīng)用。

1 全自動手套機中變頻器的選擇

變頻器的應(yīng)用范圍很廣．不同的使用場合應(yīng)當選擇不同的變頻器．通常變頻器選型時要注意以下幾點：

a． 變頻器的額定電壓和電流應(yīng)當與負載電動機的額定電壓和電流值相匹配。

b． 關(guān)注電動機的運行速度。對于高速電動機來說．由于電動機本身的電抗比較小．高次諧波增加會導致輸出電流值增大．因此變頻器的容量要大于用于普通電動機的變頻器。

c．了解變頻器負載的類型后．就要針對不同負載選擇不同類型的變頻器 例如對于大慣性負載．啟動時容易引起振蕩．因此需要選用容量稍大的變頻器：對于普通風機、水泵類的負載．變頻器容量與電動機容量相等即可。

d． 分析變頻器的運行環(huán)境。對于一些特殊的應(yīng)用場合．例如高溫、高海拔環(huán)境，容易引起變頻器的降容．因此選用的變頻器容量應(yīng)該稍大一些。

手套機及普通針織機械設(shè)備對電動機的調(diào)速性能要求不太高，電動機功率范圍一般為0．2～22．0kW．要求啟動平滑、制動快速，并具有故障停機和定時停機等功能。一般通用的V／F控制變頻器基本可以滿足上述要求 根據(jù)以上原則．并借鑒現(xiàn)有成熟產(chǎn)品的經(jīng)驗，本系統(tǒng)選用SANCH公司SE系列中的SE一20041A迷你型交流電動機變頻器．它具有體積小、安裝容易、參數(shù)設(shè)置群組化、操作簡便等特點，其輸出功率為0．4 kW。SE一20041A外形如圖1所示

2 手套機電氣控制系統(tǒng)與變頻器接口設(shè)計

手套機電氣控制系統(tǒng)由核心控制芯片、微動開關(guān)輸入電路、鍵盤輸入電路、時序信號生成系統(tǒng)、動態(tài)圖形模擬系統(tǒng)、電動機控制電路和多機通信電路等部分組成[2 ]一方面．系統(tǒng)以機頭的左右移動脈沖信號為基準．通過時序生成電路發(fā)出控制信號驅(qū)動電磁鐵協(xié)同工作[2]：另一方面．根據(jù)微動開關(guān)輸入的不同信號以及鍵盤輸入的命令．由控制信號處理系統(tǒng)生成控制邏輯 此外．通過動態(tài)圖形模擬系統(tǒng)實時顯示機器當前的工作狀態(tài)[3]：通過多機通信電路與上位機管理系統(tǒng)進行通信．構(gòu)成網(wǎng)絡(luò)化制造系統(tǒng)。通過變頻器實時控制電動機的運行速度．可以提高手套機工作效率。

電氣控制系統(tǒng)的核心控制芯片可以選擇常用的AVR、PIC單片機或更為廉價的MCS一5l系列單片機4 7．也可以選用比較高檔的可編程片上系統(tǒng)芯片（PSoC .programmable system on chip）。PSoC是CypreSS公司生產(chǎn)的基于通用IP模塊、資源可配置的微控制器，由基本的處理器內(nèi)核、存儲器以及用戶可選擇配置的模擬模塊和數(shù)字模塊組成 與傳統(tǒng)單片機相比．使用PSoC可省去用戶設(shè)計電路時所需外圍器件．同時也給用戶極大的自由度 芑：片引腳功能可以由用戶自由配置．也可以起到自主知識產(chǎn)權(quán)的保護作用。

本系統(tǒng)選用的是CY8C29666芯片．根據(jù)需要．其內(nèi)部配置了一個8位計數(shù)器模塊、一個EEPROM模塊和兩個UART模塊 其中．EEPROM 模塊用于存放用戶設(shè)置的參數(shù)及手套機的運行數(shù)據(jù)．兩個UART分別用于構(gòu)成多機通信網(wǎng)絡(luò)和控制變頻器工作 SE一20041A變頻器支持RS一485串行通信．因此系統(tǒng)選用SN75184串行通信芯片作為PSoC與變頻器的接15。系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)以及和變頻器的硬件接口如圖2所示

變頻器接口分為主回路、控制回路和通信接15 3部分 主回路包括電源輸入（R／L1、S／L2）和電動機控制輸出（U／Tl、V／T2、W／T3）2部分：控制回路包括多功能輸入端子（M0～M3）、速度設(shè)定用電源（AVI）和多功能制式輸出（RA、RC）3部分 其中多功能輸八端子可外接按鍵，用于手動實現(xiàn)電動機的正轉(zhuǎn)、反轉(zhuǎn)和復位等功能：AVI引腳可通過外接電位器與+10 V電源相連．用于手動調(diào)節(jié)變頻器輸出頻率

3 手套機中變頻器的抗干擾分析

變頻器的合理使用可以提高手套機的編織效率．但如果設(shè)計和安裝不當．其運行時產(chǎn)生的高次諧波將對手套機控制電路產(chǎn)生不良影響 對于手套機及大多數(shù)針織機械設(shè)備來講．所有電磁鐵之間運行邏輯的嚴密性要求很高．任意一個電磁鐵的時序配合都不允許發(fā)生差錯．必須保證與系統(tǒng)運行節(jié)拍嚴格一致 變頻器產(chǎn)乍的高次諧波信號一旦干擾核心控制主板的工作．就會直接導致整個產(chǎn)品編織失敗，甚至損壞機器．嚴重影響設(shè)備的運行[5]。為了減小變頻器對控制電路的干擾，應(yīng)注意以下幾個方面：

a． 保證變頻器外殼良好接地．或者使用屏蔽罩將其屏蔽。

b． 變頻器盡量遠離手套機控制主板．控制器與變頻器相連的控制線采用屏蔽電纜。

c． 變頻器盡量靠近電動機．以減小電纜的對地電容．減少干擾的發(fā)射源。

d． 在變頻器的輸入端以及手套機控制器電源線上可串接濾波器。

e． 安裝布線時．將變頻器的電源線和控制電纜分開 如果控制電路連線必須和電源電纜交叉．就要盡量使用90。交叉布線形式．

4 通信協(xié)議及軟件設(shè)計

控制系統(tǒng)工作時． 由PSoC生成頻率控制值．通過RS一485串行通信端1：3送至變頻器．．在通信過程中．頻率控制值必須被設(shè)置成數(shù)據(jù)幀的形式．按照一定的通信協(xié)議進行傳輸 SANCH SE系列變頻器使用的RS一485 串行接口支持MODBUS通信協(xié)議．MODBUS是MODICON公司提出的一種通信協(xié)議． 目前在RS一232及RS一485通信中被廣泛采用 MODBUS協(xié)議使用了主一從技術(shù)．主設(shè)備可以控制并查詢從設(shè)備．從設(shè)備則根據(jù)主設(shè)備發(fā)出的指令作出相應(yīng)操作。

MODBUS協(xié)議支持2種傳輸模式．一種為ASCII（美國信息交換碼）模式．另一種為RTU（遠程終端設(shè)備）模式 其中ASCII傳輸模式是指被傳輸數(shù)據(jù)的每個字節(jié)的內(nèi)容（即兩位l6進制數(shù)）都用2個ASCII碼表示：而RTU模式則直接將數(shù)據(jù)以二進制形式不加轉(zhuǎn)化地直接傳輸 此外．ASCII模式采用LRC（縱向冗長檢測）校驗方式．而RTU模式采用CRC （循環(huán)冗長檢測）校驗方式 相比之下．ASCII模式允許字符發(fā)送的間隔長達1 S．而且不產(chǎn)生錯誤． 因此可靠性較高：而RTU模式在同樣的波特率下．可比ASCII方式傳送更多的數(shù)據(jù) 考慮到手套機工作時，電動機頻率的改變并不十分頻繁．需要傳送的數(shù)據(jù)并不太多．因此本系統(tǒng)選用ASCII傳輸模式．其傳輸模式的數(shù)據(jù)幀結(jié)構(gòu)如表1所示

每個數(shù)據(jù)幀以冒號（：）字符開始．其ASCII碼值為3AH：以回車符（CR）和換行符（LF）結(jié)束，其ASCII碼值分別為ODH和OAH。 通信地址的取值范圍為0～255．占一個字節(jié)．由2位ASCII碼。表示命令碼決定了讀寫功能．由2位ASCII碼表示 常用的命令碼有03 （ASCII值為30H、3lH）和06（ASCII碼值為30H、36H）等，前者表示讀取功能．后者則表示寫入功能資料內(nèi)容包括資料地址和資料值2個部分．

資料地址對應(yīng)了變頻器中的存儲空間。常用的資料地址有2000H和2001H等．前者存放啟動、停止、正轉(zhuǎn)、反轉(zhuǎn)等信息，后者用于存放頻率值。

SANCH SE系列變頻器的頻率控制值與輸出頻率之間的關(guān)系為：頻率值（Hz）=十進制數(shù)值／100。例如：頻率控制字為0900H，則表示23．04 Hz（0900H轉(zhuǎn)換為十進制數(shù)為2304）。

校驗碼由8位二進制數(shù)組成．用2位ASCII碼表示。 LRC算法原理為：將數(shù)據(jù)幀中的地址碼、命令碼、資料地址和資料數(shù)據(jù)4項內(nèi)容相加．然后將和取反即得到LRC校驗碼 設(shè)地址為01H、命令字為03H、資料地址為0401H、資料數(shù)值為0001H．則LRC校驗碼計算方法為:01H+03H+04H+01H+00H+01H=0AH．然后將0AH 取反即得到LRC校驗碼為F6H 現(xiàn)以設(shè)置電動機工作頻率23 Hz為例．命令數(shù)據(jù)應(yīng)為：01H、06H 2001H 0900H C7H CR LF傳送給變頻器時轉(zhuǎn)換為ASCII碼形式的數(shù)據(jù)幀內(nèi)容則為3AH、30H、31H 、30H、36H、32H、30H、30H、3lH 、30H 39H 30H 30H 43H 37H 30H44H、30H、41H。 在編織手套的過程中．編織指尖時速度需要減慢．編織手指筒和手掌部分時速度可以加快 此外．在手套編織過程中還應(yīng)當允許用戶根據(jù)需要任意調(diào)整電動機速度．因此可以將變頻器的設(shè)置與通信部分單獨編寫為一個子程序．在編織手套的不同部位以及用戶設(shè)置參數(shù)時調(diào)用 子程序功能為：設(shè)置通信端口，并把命令字、頻率值傳送到變頻器的相應(yīng)地址中去 在命令字、地址碼以及頻率值確定之后．程序首先應(yīng)該計算校驗碼 另外．用戶輸入系統(tǒng)的頻率值為二進制形式．因此在發(fā)送頻率值前應(yīng)該把頻率字以及相關(guān)控制字、地址碼等轉(zhuǎn)換為ASCII碼。變頻器設(shè)置子程序流程圖如圖3所示。

5 結(jié)束語

變頻器作為一種理想的調(diào)速方式．應(yīng)用于手套機以及同類針織機械設(shè)備中可以有效地提高機器的編織效率。實際應(yīng)用表明：一方面．利用變頻器對電動機調(diào)速使得手套各個部分的編織速度更加合理．產(chǎn)品的質(zhì)量和效率得到了提高：另一方面．合理的變頻調(diào)速也有效地節(jié)約了能源 但目前變頻器也存在著干擾比較嚴重、價格相對較高的不利因素．在選購及使用的過程中應(yīng)該引起足夠的重視。

參考文獻

[1]汪木蘭，朱昊，左健民．基于PSoC和FPGA的手套機電氣控制系統(tǒng)開發(fā)fJ]．紡織學報，2007，28（10）：103—107．

[2]汪木蘭，朱吳，左健民．CPLD／FPGA在手套機電氣控制系統(tǒng)中的應(yīng)用研究[J]．針織工業(yè)，2007（9）：8-l1．

[3]朱吳， 汪木蘭， 左健民．基于MGLS240128T 的手套機動態(tài)圖形模擬系統(tǒng)設(shè)計[J]．針織工業(yè)，2006（10）：11—13．

]4]朱昊，汪木蘭．左健民，等、電腦全自動手套機控制系統(tǒng)設(shè)計fJ]．機電產(chǎn)品開發(fā)與創(chuàng)新，2006，19（5）：130—131．

[5]汪木蘭．朱昊．左健民．針織機械設(shè)備電氣控制系統(tǒng)抗干擾設(shè)計fJ]．紡織學報，2007，28（4）：111-115．

原文請點擊下載： 變頻器在全自動手套機中的應(yīng)用