变频器在全自动手套机中的应用

摘要：利用变频器控制电动机的速度可以提高全自动手套机的编织效率。文中概括手套机及其他针织机械设备所配变频器的选型原则．分析全自动手套机电气控制系统的工作原理以及与变频器的硬件接口．讨论变频器使用过程中可能产生的干扰和采取的有效措施，设计手套机中变频器的通信协议及软件实现思路．并给出相应的通信软件流程图。
关键词：变频器；全自动手套机；电气控制系统；通信协议
对于以手套机、横机为代表的全自动针织机械设备．其电气控制系统的控制对象主要有2类：一类是数量众多的电磁铁．它们按照一定时序工作可以实现各个机械部件的协调与配合： 另一类控制对象是电动机， 它是整个机械传动系统工作的直接动力。在针织产品编织过程中有的部位结构相对简单，编织速度可以加快：有的部位结构复杂．编织速度需要减慢。因此．对电动机进行合理地调速是必要的 这样一方面可以提高生产效率和产品质量．另一一方面还可以有效地节能 目前，用于交流电动机调速的较理想的方案是采用变频器进行电动机转速调节 变频器是利用电力半导体器件的通断作用将工频电源变换为频率和电压均可调整的电能控制装置，在电力、纺织、建材、石油、化工、冶金等行业得到了快速发展和广泛应用。
1 全自动手套机中变频器的选择
变频器的应用范围很广．不同的使用场合应当选择不同的变频器．通常变频器选型时要注意以下几点：
a． 变频器的额定电压和电流应当与负载电动机的额定电压和电流值相匹配。
b． 关注电动机的运行速度。对于高速电动机来说．由于电动机本身的电抗比较小．高次谐波增加会导致输出电流值增大．因此变频器的容量要大于用于普通电动机的变频器。
c．了解变频器负载的类型后．就要针对不同负载选择不同类型的变频器 例如对于大惯性负载．启动时容易引起振荡．因此需要选用容量稍大的变频器：对于普通风机、水泵类的负载．变频器容量与电动机容量相等即可。
d． 分析变频器的运行环境。对于一些特殊的应用场合．例如高温、高海拔环境，容易引起变频器的降容．因此选用的变频器容量应该稍大一些。
手套机及普通针织机械设备对电动机的调速性能要求不太高，电动机功率范围一般为0．2～22．0kW．要求启动平滑、制动快速，并具有故障停机和定时停机等功能。一般通用的V／F控制变频器基本可以满足上述要求 根据以上原则．并借鉴现有成熟产品的经验，本系统选用SANCH公司SE系列中的SE一20041A迷你型交流电动机变频器．它具有体积小、安装容易、参数设置群组化、操作简便等特点，其输出功率为0．4 kW。SE一20041A外形如图1所示

2 手套机电气控制系统与变频器接口设计
手套机电气控制系统由核心控制芯片、微动开关输入电路、键盘输入电路、时序信号生成系统、动态图形模拟系统、电动机控制电路和多机通信电路等部分组成[2 ]一方面．系统以机头的左右移动脉冲信号为基准．通过时序生成电路发出控制信号驱动电磁铁协同工作[2]：另一方面．根据微动开关输入的不同信号以及键盘输入的命令．由控制信号处理系统生成控制逻辑 此外．通过动态图形模拟系统实时显示机器当前的工作状态[3]：通过多机通信电路与上位机管理系统进行通信．构成网络化制造系统。通过变频器实时控制电动机的运行速度．可以提高手套机工作效率。
电气控制系统的核心控制芯片可以选择常用的AVR、PIC单片机或更为廉价的MCS一5l系列单片机4 7．也可以选用比较高档的可编程片上系统芯片（PSoC
.programmable system on chip）。PSoC是CypreSS公司生产的基于通用IP模块、资源可配置的微控制器，由基本的处理器内核、存储器以及用户可选择配置的模拟模块和数字模块组成 与传统单片机相比．使用PSoC可省去用户设计电路时所需外围器件．同时也给用户极大的自由度 芑：片引脚功能可以由用户自由配置．也可以起到自主知识产权的保护作用。
本系统选用的是CY8C29666芯片．根据需要．其内部配置了一个8位计数器模块、一个EEPROM模块和两个UART模块 其中．EEPROM 模块用于存放用户设置的参数及手套机的运行数据．两个UART分别用于构成多机通信网络和控制变频器工作 SE一20041A变频器支持RS一485串行通信．因此系统选用SN75184串行通信芯片作为PSoC与变频器的接15。系统硬件结构以及和变频器的硬件接口如图2所示

变频器接口分为主回路、控制回路和通信接15 3部分 主回路包括电源输入（R／L1、S／L2）和电动机控制输出（U／Tl、V／T2、W／T3）2部分：控制回路包括多功能输入端子（M0～M3）、速度设定用电源（AVI）和多功能制式输出（RA、RC）3部分 其中多功能输八端子可外接按键，用于手动实现电动机的正转、反转和复位等功能：AVI引脚可通过外接电位器与+10 V电源相连．用于手动调节变频器输出频率
3 手套机中变频器的抗干扰分析
变频器的合理使用可以提高手套机的编织效率．但如果设计和安装不当．其运行时产生的高次谐波将对手套机控制电路产生不良影响 对于手套机及大多数针织机械设备来讲．所有电磁铁之间运行逻辑的严密性要求很高．任意一个电磁铁的时序配合都不允许发生差错．必须保证与系统运行节拍严格一致 变频器产乍的高次谐波信号一旦干扰核心控制主板的工作．就会直接导致整个产品编织失败，甚至损坏机器．严重影响设备的运行[5]。为了减小变频器对控制电路的干扰，应注意以下几个方面：
a． 保证变频器外壳良好接地．或者使用屏蔽罩将其屏蔽。
b． 变频器尽量远离手套机控制主板．控制器与变频器相连的控制线采用屏蔽电缆。
c． 变频器尽量靠近电动机．以减小电缆的对地电容．减少干扰的发射源。
d． 在变频器的输入端以及手套机控制器电源线上可串接滤波器。
e． 安装布线时．将变频器的电源线和控制电缆分开 如果控制电路连线必须和电源电缆交叉．就要尽量使用90。交叉布线形式．
4 通信协议及软件设计
控制系统工作时． 由PSoC生成频率控制值．通过RS一485串行通信端1：3送至变频器．．在通信过程中．频率控制值必须被设置成数据帧的形式．按照一定的通信协议进行传输 SANCH SE系列变频器使用的RS一485 串行接口支持MODBUS通信协议．MODBUS是MODICON公司提出的一种通信协议． 目前在RS一232及RS一485通信中被广泛采用 MODBUS协议使用了主一从技术．主设备可以控制并查询从设备．从设备则根据主设备发出的指令作出相应操作。
MODBUS协议支持2种传输模式．一种为ASCII（美国信息交换码）模式．另一种为RTU（远程终端设备）模式 其中ASCII传输模式是指被传输数据的每个字节的内容（即两位l6进制数）都用2个ASCII码表示：而RTU模式则直接将数据以二进制形式不加转化地直接传输 此外．ASCII模式采用LRC（纵向冗长检测）校验方式．而RTU模式采用CRC （循环冗长检测）校验方式 相比之下．ASCII模式允许字符发送的间隔长达1 S．而且不产生错误． 因此可靠性较高：而RTU模式在同样的波特率下．可比ASCII方式传送更多的数据 考虑到手套机工作时，电动机频率的改变并不十分频繁．需要传送的数据并不太多．因此本系统选用ASCII传输模式．其传输模式的数据帧结构如表1所示

每个数据帧以冒号（：）字符开始．其ASCII码值为3AH：以回车符（CR）和换行符（LF）结束，其ASCII码值分别为ODH和OAH。
通信地址的取值范围为0～255．占一个字节．由2位ASCII码。表示命令码决定了读写功能．由2位ASCII码表示 常用的命令码有03 （ASCII值为30H、3lH）和06（ASCII码值为30H、36H）等，前者表示读取功能．后者则表示写入功能资料内容包括资料地址和资料值2个部分．
资料地址对应了变频器中的存储空间。常用的资料地址有2000H和2001H等．前者存放启动、停止、正转、反转等信息，后者用于存放频率值。
SANCH SE系列变频器的频率控制值与输出频率之间的关系为：频率值（Hz）=十进制数值／100。例如：频率控制字为0900H，则表示23．04 Hz（0900H转换为十进制数为2304）。
校验码由8位二进制数组成．用2位ASCII码表示。
LRC算法原理为：将数据帧中的地址码、命令码、资料地址和资料数据4项内容相加．然后将和取反即得到LRC校验码 设地址为01H、命令字为03H、资料地址为0401H、资料数值为0001H．则LRC校验码计算方法为:01H+03H+04H+01H+00H+01H=0AH．然后将0AH 取反即得到LRC校验码为F6H 现以设置电动机工作频率23 Hz为例．命令数据应为：01H、06H 2001H 0900H C7H CR LF传送给变频器时转换为ASCII码形式的数据帧内容则为3AH、30H、31H 、30H、36H、32H、30H、30H、3lH 、30H 39H 30H 30H 43H 37H 30H44H、30H、41H。
在编织手套的过程中．编织指尖时速度需要减慢．编织手指筒和手掌部分时速度可以加快 此外．在手套编织过程中还应当允许用户根据需要任意调整电动机速度．因此可以将变频器的设置与通信部分单独编写为一个子程序．在编织手套的不同部位以及用户设置参数时调用 子程序功能为：设置通信端口，并把命令字、频率值传送到变频器的相应地址中去 在命令字、地址码以及频率值确定之后．程序首先应该计算校验码 另外．用户输入系统的频率值为二进制形式．因此在发送频率值前应该把频率字以及相关控制字、地址码等转换为ASCII码。变频器设置子程序流程图如图3所示。

5 结束语
变频器作为一种理想的调速方式．应用于手套机以及同类针织机械设备中可以有效地提高机器的编织效率。实际应用表明：一方面．利用变频器对电动机调速使得手套各个部分的编织速度更加合理．产品的质量和效率得到了提高：另一方面．合理的变频调速也有效地节约了能源 但目前变频器也存在着干扰比较严重、价格相对较高的不利因素．在选购及使用的过程中应该引起足够的重视。
参考文献
[1]汪木兰，朱昊，左健民．基于PSoC和FPGA的手套机电气控制系统开发fJ]．纺织学报，2007，28（10）：103—107．
[2]汪木兰，朱吴，左健民．CPLD／FPGA在手套机电气控制系统中的应用研究[J]．针织工业，2007（9）：8-l1．
[3]朱吴， 汪木兰， 左健民．基于MGLS240128T 的手套机动态图形模拟系统设计[J]．针织工业，2006（10）：11—13．
]4]朱昊，汪木兰．左健民，等、电脑全自动手套机控制系统设计fJ]．机电产品开发与创新，2006，19（5）：130—131．
[5]汪木兰．朱昊．左健民．针织机械设备电气控制系统抗干扰设计fJ]．纺织学报，2007，28（4）：111-115．
原文请点击下载：
变频器在全自动手套机中的应用