摘  要：提出利用永磁同步电动机伺服系统取代异步电机和机械凸轮，实现细纱机的数字卷绕方案。伺服驱动器中的数字信号处理器完成永磁电机的磁场定向控制和卷绕算法，工艺参数由PLC和DSP通过串行通信接口(SCI)进行通信。对DSP与PLC之间的通信协议、信号隔离和电平转换，给出了详细介绍。现场运行表明该软、硬件设计方案是可行的，并具有通用性。
　　关键词：永磁同步电动机；伺服电动机；卷绕系统；PLC；DSP；串行通信

       0  引  言

       细纱机用于棉及化纤的纯纺或混纺的细纱工序，以单程粗纱喂人、经牵伸和加捻后纺制成织造、针织等所用的细纱。细纱由上、下循环往返的钢领板牵引，绕到高速旋转的纱管即锭子上，形成特定成形的纱锭。传统细纱机中，异步电机经蜗轮蜗杆减速，带动凸轮旋转，凸轮的形状控制钢领板的升降速度和动程，棘轮控制钢领板每次运动的级升。这种卷绕机构存在明显不足，首先纱锭成形靠凸轮的形状保证，不同的成形要更换不同形状的凸轮。其次，凸轮控制方式存在桃尖冲击、桃底停顿等固有缺陷，凸轮磨损后，特别是凸轮的桃尖和桃底部分，造成纱线堆积，后续的高速退绕中出现脱圈和滑塌现象。第三，卷绕的异步电机转速不能跟随主电机转速的变化，造成纱线疏密不均匀。本文采用永磁同步伺服系统控制钢领板的速度、位置和级升，取消了控制成形的凸轮和棘轮，简化了机械传动结构。磁场定向控制和卷绕算法由伺服驱动器中的DSP完成。工艺参数由PLC和DSP通过SCI通信。
　　1  永磁同步伺服卷绕系统图1所示是一种常见的纱锭成形示意图。它由管底和管身两部分组成，D为****卷绕直径，d为纱管直径，动程日为钢领板每次向上或向下移动的距离，级升m为相邻两层纱错开的长度，y为管纱成形角。
　　钢领板每次上下移动的距离和级升影响纱锭的形状，上下移动的速度决定纱线绕制的疏密程度。

　　　　改进后的细纱机电气系统中，由永磁同步电机、伺服驱动器、编码器构成的永磁同步伺服卷绕系统替换了卷绕异步电机、凸轮和棘轮。其硬件结构如图2所示。永磁同步电机的额定功率为1kW。为配合落纱需要(转速高于2 000 r／min)，****转速为3 000 r／min，转子磁钢采用面贴式安装，定子绕组采用分数槽形式，抑制了齿谐波。编码器两路正交信号的分辨率为每转5 1 2个脉冲，另外还有三路对称的u、V、w信号，用于电机起动和决定磁极位置。三相逆变器中整流和逆变部分采用功率模块，电流采样用霍尔效应电流传感器，控制芯片用’IMS320L,F2406A。DSP通过高压浮动MOS栅极集成电路驱动逆变功率模块。EEPR．OM芯片除了存储伺服控制参数外，还可保存钢领板停车位置(以免再次上电起动时拉断纱线)、计长等工艺参数。DSP与PLC通过串行通讯传递参数，和卷绕部分相关的数字信号，如限位、启停等信号经电平转换可与DSP相连。由于纱锭、前罗拉的转速与主电机保持固定的速比，安装在前罗拉上的编码器实时反映主电机速度的变化，DSP及时调整电机速度，保证纱线疏密一致。DSP中的事件管理器将基于磁场定向控制算法得到的PWM输出控制三相逆变器。

　　　　　　　卷绕时，纱管安装在锭子上，高速旋转，钢领板在伺服电机的驱动下，带动纱线从纱管底部以速度v个开始向上移动一个动程后，形成第一层纱，然后电机反转，带动钢领板以速度钐．由上向下移动一个动程，覆盖在第一层纱的上面。这样一个循环相当于原来的机械凸轮转动一圈，上下两个动程的差为一个级升，即原来一个棘牙的距离。按这样规律运动以级升m逐渐向上推绕，后一层纱绕在圆锥形纱层上面，一段时间后，在纱管的底部绕出一个圆锥形的底座即管底，然后以同样的规律卷绕管身，最后推绕到纱管顶部时，完成卷绕成形。取短动程日为46 mm，****卷绕直径D为39 mm，纱管直径d为1 9 mm，棉纱线密度为1 3．9，锭子额定速度为1 6 000 r／min，仿真结果如图3所示。图3(a)中上升动程开始时电机转速为40 r／min，上升动程完成时电机达到****转速86 r／min，然后电机立即反转，从267 r／min逐渐降到1 24 r／min，完成下降短动程。从图3(b)的位移曲线看，并非以想像的直线变化，而是沿抛物线变化。上升和下降两个动程的差即级升为O．6 mm n2  DSP与PLC通信PLC是细纱机电气系统的控制核心。输人口按一定的周期检测数十个传感器的状态，输出口根据传感器状态和工艺时序输出高低电平，模拟模块输出模拟电压给变频器控制主传动电机的速度。
　　两个RS-485口中的一个与显示和键盘部分的通信口连接。PLC有两种方式控制上述的永磁同步伺服卷绕系统，一种用数字脉冲方式，即输出两路控制信号，一路控制伺服电机的速度和位移，另一路控制伺服电机的转向。第二种方式通过串行口通信。第一种方式要求PLC输出较高频率的脉冲才能达到控制要求，增加高速输出模块，而且卷绕算法也由PLC完成，增加了PLC的计算负担。
　　第二种方式PLC只需将输入的纱锭成形参数传给DSP，由DSP将卷绕算法计算得到的速度、位移和转向作为命令量，控制伺服电机

　　　　显然，第二种方式是较好的方案。为可靠地进行PLC与DSP问的通信，两者信号之间需隔离和转换。因PLC连接许多输入输出电路，各种传感器和被控对象分布在细纱机的不同部位，同一电网还连接变频器等电力电子开关设备，容易产生共模电压，24 V电平与DSP的3．3 V不一致。
　　图4为PLC与DSP问的光耦隔离电路。光耦6 N1 39具有低输入电流、高速、高电流传输比的特性。这些特性使得输入端可直接与DSP的发射端连接，保持高的通信波特率和较高的输出电流。
　　图4中的电阻R1起限流作用，R2起上拉作用。输出端的反相器将被光耦反相的信号恢复成原来状态。另一方面，因DSP的SCI模块采用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，用图5所示的芯片MAX485可使两种　　通信方式兼容。处于半双．-V-V作模式的MAX485，接收使能引脚RE和发送使能引脚DE不能同时触发，所以需要根据当前的工作状态，由DSP的某一输出口提供Control信号，输出高电平时，MAX485接受数据，输出低电平时，MAX485发送数据。电阻R4为传输线匹配电阻，抑制从负载端反射回来的信号发生再次反射。电阻R3=R5，保持A、B两端的输入阻抗相等。
　　PLC作为上位机，两个通信口中的Portl与显示和键盘部分进行RS一485通信，PortO和芯片MAX485连接，与DSP进行通信，通过PLC内部寄存器SMB30设置通信的校验、数据位、波特率等通信方式。DSP作为下位机接受和发送数据。
　　PLC采用自由口通信协议，无奇偶校验，8位字符。DSP采用空闲线多处理器模式，无奇偶校验，8位字符。PLC发送数据包给DSP，DSP接受到数据包后，把有效数据进行比较和异或，如果有效数据相符并且所有数据异或为O，则发送成功信号给PLC，如果有效数据不相符或者异或不是零，则要求PLC重新发送。PLC和DSP的通信程序框图分别如图6和图7所示。
　　3  结  论

      永磁同步伺服卷绕系统克服了原有机械凸轮和棘轮构成的纱锭成形系统的诸多不足，通过参数设置和不同的卷绕算法可获得不同的纱锭成形。
　　DSP的快速计算能力减轻了PLC的计算负担，利用串行通讯与PLC传递数据进一步降低了PLC的实时陛要求。文中所给的隔离和通讯协议转换电路经现场使用表明是可靠的。