變頻器在全自動手套機中的應用

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生的干擾和采取的有效措施，設計手套機中變頻器的通信協議及軟件實現思路．并給出相應的通信軟件流程圖。
關鍵詞：變頻器；全自動手套機；電氣控制系統；通信協議
對于以手套機、橫機為代表的全自動針織機械設備．其電氣控制系統的控制對象主要有2類：一類是數量眾多的電磁鐵．它們按照一定時序工作可以實現各個機械部件的協調與配合： 另一類控制對象是電動機， 它是整個機械傳動系統工作的直接動力。在針織產品編織過程中有的部位結構相對簡單，編織速度可以加快：有的部位結構復雜．編織速度需要減慢。因此．對電動機進行合理地調速是必要的 這樣一方面可以提高生產效率和產品質量．另一一方面還可以有效地節能 目前，用于交流電動機調速的較理想的方案是采用變頻器進行電動機轉速調節 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整的電能控制裝置，在電力、紡織、建材、石油、化工、冶金等行業得到了快速發展和廣泛應用。
1 全自動手套機中變頻器的選擇
變頻器的應用范圍很廣．不同的使用場合應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當與負載電動機的額定電壓和電流值相匹配。
b． 關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境。對于一些特殊的應用場合．例如高溫、高海拔環境，容易引起變頻器的降容．因此選用的變頻器容量應該稍大一些。
手套機及普通針織機械設備對電動機的調速性能要求不太高，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 根據以上原則．并借鑒現有成熟產品的經驗，本系統選用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、參數設置群組化、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與變頻器接口設計
手套機電氣控制系統由核心控制芯片、微動開關輸入電路、鍵盤輸入電路、時序信號生成系統、動態圖形模擬系統、電動機控制電路和多機通信電路等部分組成[2 ]一方面．系統以機頭的左右移動脈沖信號為基準．通過時序生成電路發出控制信號驅動電磁鐵協同工作[2]：另一方面．根據微動開關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生成控制邏輯 此外．通過動態圖形模擬系統實時顯示機器當前的工作狀態[3]：通過多機通信電路與上位機管理系統進行通信．構成網絡化制造系統。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芯片（PSoC
.programmable system on chip）。PSoC是CypreSS公司生產的基于通用IP模塊、資源可配置的微控制器，由基本的處理器內核、存儲器以及用戶可選擇配置的模擬模塊和數字模塊組成 與傳統單片機相比．使用PSoC可省去用戶設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權的保護作用。
本系統選用的是CY8C29666芯片．根據需要．其內部配置了一個8位計數器模塊、一個EEPROM模塊和兩個UART模塊 其中．EEPROM 模塊用于存放用戶設置的參數及手套機的運行數據．兩個UART分別用于構成多機通信網絡和控制變頻器工作 SE一20041A變頻器支持RS一485串行通信．因此系統選用SN75184串行通信芯片作為PSoC與變頻器的接15。系統硬件結構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，用于手動實現電動機的正轉、反轉和復位等功能：AVI引腳可通過外接電位器與+10 V電源相連．用于手動調節變頻器輸出頻率
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．但如果設計和安裝不當．其運行時產生的高次諧波將對手套機控制電路產生不良影響 對于手套機及大多數針織機械設備來講．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生差錯．必須保證與系統運行節拍嚴格一致 變頻器產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品編織失敗，甚至損壞機器．嚴重影響設備的運行[5]。為了減小變頻器對控制電路的干擾，應注意以下幾個方面：
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 通信協議及軟件設計
控制系統工作時． 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置成數據幀的形式．按照一定的通信協議進行傳輸 SANCH SE系列變頻器使用的RS一485 串行接口支持MODBUS通信協議．MODBUS是MODICON公司提出的一種通信協議． 目前在RS一232及RS一485通信中被廣泛采用 MODBUS協議使用了主一從技術．主設備可以控制并查詢從設備．從設備則根據主設備發出的指令作出相應操作。
MODBUS協議支持2種傳輸模式．一種為ASCII（美國信息交換碼）模式．另一種為RTU（遠程終端設備）模式 其中ASCII傳輸模式是指被傳輸數據的每個字節的內容（即兩位l6進制數）都用2個ASCII碼表示：而RTU模式則直接將數據以二進制形式不加轉化地直接傳輸 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 （循環冗長檢測）校驗方式 相比之下．ASCII模式允許字符發送的間隔長達1 S．而且不產生錯誤． 因此可靠性較高：而RTU模式在同樣的波特率下．可比ASCII方式傳送更多的數據 考慮到手套機工作時，電動機頻率的改變并不十分頻繁．需要傳送的數據并不太多．因此本系統選用ASCII傳輸模式．其傳輸模式的數據幀結構如表1所示

每個數據幀以冒號（：）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．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容包括資料地址和資料值2個部分．
資料地址對應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、反轉等信息，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系為：頻率值（Hz）=十進制數值／100。例如：頻率控制字為0900H，則表示23．04 Hz（0900H轉換為十進制數為2304）。
校驗碼由8位二進制數組成．用2位ASCII碼表示。
LRC算法原理為：將數據幀中的地址碼、命令碼、資料地址和資料數據4項內容相加．然后將和取反即得到LRC校驗碼 設地址為01H、命令字為03H、資料地址為0401H、資料數值為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 現以設置電動機工作頻率23 Hz為例．命令數據應為：01H、06H 2001H 0900H C7H CR LF傳送給變頻器時轉換為ASCII碼形式的數據幀內容則為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當允許用戶根據需要任意調整電動機速度．因此可以將變頻器的設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置參數時調用 子程序功能為：設置通信端口，并把命令字、頻率值傳送到變頻器的相應地址中去 在命令字、地址碼以及頻率值確定之后．程序首先應該計算校驗碼 另外．用戶輸入系統的頻率值為二進制形式．因此在發送頻率值前應該把頻率字以及相關控制字、地址碼等轉換為ASCII碼。變頻器設置子程序流程圖如圖3所示。

5 結束語
變頻器作為一種理想的調速方式．應用于手套機以及同類針織機械設備中可以有效地提高機器的編織效率。實際應用表明：一方面．利用變頻器對電動機調速使得手套各個部分的編織速度更加合理．產品的質量和效率得到了提高：另一方面．合理的變頻調速也有效地節約了能源 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該引起足夠的重視。
參考文獻
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[2]汪木蘭，朱吳，左健民．CPLD／FPGA在手套機電氣控制系統中的應用研究[J]．針織工業，2007（9）：8-l1．
[3]朱吳， 汪木蘭， 左健民．基于MGLS240128T 的手套機動態圖形模擬系統設計[J]．針織工業，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設計fJ]．機電產品開發與創新，2006，19（5）：130—131．
[5]汪木蘭．朱昊．左健民．針織機械設備電氣控制系統抗干擾設計fJ]．紡織學報，2007，28（4）：111-115．
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