CN112962209A - 一种用于针织机械的大规模电织针阵列驱动方法及系统 - Google Patents

Abstract

本发明属于直线电机和针织机械技术领域，公开了一种用于针织机械的大规模电织针阵列驱动方法及系统，将n片织针的功率驱动信号波形压缩到1片织针执行1次往复运动的周期时间之内，从n倍频的功率驱动信号中分离出n路存在

相位差的单频信号，m组相同空间跨距的电织针同时并联实现m路喂纱周期，用扫描输出的方式完成大规模电织针阵列的功率驱动分配，实现数以千计的电机按电子凸轮曲线轨迹联动，完成m个周期的三功位动作；各织针在往复运动过程中的瞬间静止、匀速或加减速运动过程中，连续横向位置x上各织针的针钩中心高度z变化对应于电子凸轮的曲线轨迹。本发明简化了针织机械的驱动机构设计，增强了针织机械编织动作的可控性。

Description

一种用于针织机械的大规模电织针阵列驱动方法及系统

技术领域

本发明属于直线电机和针织机械技术领域，尤其涉及一种用于针织机械的 大规模电织针阵列驱动方法及系统。

背景技术

目前从公开文献和市场调查都不存在相近或形似的任何现有技术。

从电机理论来说，可以与之相对应的是电机控制与驱动技术或理论大约在 上世纪70年代左右出现的dq变换理论，由此而发展出来的变频控制技术、矢 量控制技术等等，但这两者都是针对单电机控制而言，而且重点解决的是传统 交流电机的精密控制问题，使得交流电机能够达到直流电机相同的理论控制精 度水平。在此之前，伺服控制领域一直都是直流伺服为主导，dq变换出现之前， 交流电机特性是非线性特性，直流电机特性是线性特性，dq变换解决了交流电 机的单电机控制问题。

针织是利用织针将纱线弯曲成圈，并相互串套连接而形成织物的工艺过程。 目前，针织机械的核心编织机构主要包含织针运动机构和沉降片运动机构两个 部分，两套机构均采用机械三角凸轮驱动，协同完成编织动作。以织针运动为 例，由三角凸轮驱动挺针片按设定的“纵向织针高度vs横向三角(凸轮)位移” 规律做上下往复直线运动，挺针片将运动传递到编织织针，使其在往复运动行 程范围内具备“成圈—集圈—浮线”三种动作所对应不同高度位置上的折返或 停留能力(退圈高度、集圈高度、不编织高度)；在此基础上采用纯机械选针、 电磁铁选针、压电陶瓷片选针等方法，完成每根织针的“位置—时间”轨迹控 制以及织针是否参与编织的动作控制，实现针织编织与提花功能。针织机械中 所使用的织针以针号区分，圆纬机常用针号为E16～E36，横机常用针号为E3～ E18；以圆纬机为例，E16对应织针厚度约1.6毫米，沉降片与织针间隔交替， 相邻织针间距大约3.2毫米左右；织针的往复运动距离大约为5毫米～25毫米 左右，往复频率在15～20Hz以上。针织机械经过上百年的发展，织针的机械三 角凸轮驱动方式性能已经接近极限；驱动原理不变的情况下，研究工作与技术 进步主要体现在织针的制作材料，凸轮材料和加工精度等方面，编织性能的提 升也比较有限；例如2005年东华大学通过热处理改善织针的硬度和韧性，获得了科学技术进步二等奖。

发明专利申请CN201110224958.5公开了一种基于直线电机驱动的电织针阵 列设计，将针织织针设计为超薄直线电机阵列，完全取消了机械三角凸轮驱动 机构，但并未提供相应的电织针阵列驱动方法。考虑到典型的针织机械往往包 含1000到2000根以上的织针同时工作，如此大规模的电织针阵列驱动器如果 依然采用传统的独立电机驱动器为基础进行设计，实现每根织针的功率分配和 独立动作，在成本和技术复杂度上是无法承受的，必须引入全新的驱动功率分 配方法。

发明专利申请202010360848.0公开了“一种混合式磁悬浮织针驱动装置及 其控制方法”，将织针设计为圆筒形线圈内部进行上下往复运动的棒针，棒针 底部设置圆柱形永磁体，依靠圆筒形电磁线圈对永磁体的吸引与排斥作用驱动 棒针运动，其中并未涉及到大规模数量的线圈驱动功率切换问题。相关专利申 请，例如发明专利申请201110098202.0“磁悬浮驱动织针选针方法及装置”、 发明专利申请201510089570.7“一种电磁驱动织针选针装置”、发明专利申请 201711340386.0“电磁阵列驱动的织针装置及其控制方法”、发明专利申请 201911128956.9“一种电磁-永磁耦合驱动织针磁场仿真系统及仿真方法”等等，也都没有涉及大规模运用织针时候的阵列驱动功率分配。实际上，该类专利申 请从电磁构型分析的角度来看，主要利用电磁铁与永磁铁的相互作用完成吸合 动作，既无铁芯的电磁线圈吸引/排斥永磁铁，仅仅只考虑了往复直线运动的实 现；由于几何限制以及导体发热限制，当线圈无法达成足够大的安匝数时，不 可能实现足够高的运动性能。然而针织机械中的第一关键指标(既针号)为织 针厚度，其次为功能指标(即停止位置为两点还是三点，或者说“两功位”还 是“三功位”)，再次为效率指标(既往复频率和行程范围)，结合该类专利 申请中所述的几何尺度、电磁线最大电流承载能力、安匝数所可能生成的磁场 强度，这类电磁构型并不具备替代当前机械三角凸轮驱动机制，成为电驱织针 运动原理候选方案的潜力；因此，相应的阵列驱动功率分配方法也是不必要的。

从电机原理的角度来看，有潜力成为全电驱织针的电磁设计方案主要是动 圈式直线电机构型，相关论文“Electromagnetic and FEM analysis of a novel electricdriving knitting needle of moving coil stack PMLM schema”于 2020年7月发表在国际会议IOP Conference Series:Materials Science and Engineering(MSE)(ISSN:1757-8981EISSN:1757-899X)；论文详细阐述了超薄 直线电机阵列的工作原理，每片电机厚度约为2毫米，能较好地近似匹配E16～ E32织针的安装间隔，往复行程20毫米，理论往复频率最高能达到大约35Hz， 最大拖拽力可达到大约7牛顿。该论文指出了电织针阵列大规模驱动和功率分 配的困难，既每片织针都需要一个独立的直线电机驱动器，单台针织机械上采用数以千计的直线电机驱动器，这在经济上是不现实的，但论文并未在这一方 面展开进一步研究或分析。

中国发明专利申请200910243477.1“一种动铁式直线电机线圈阵列功率驱 动分配方法”将长方形定子线圈阵列分成n个区域，每个划分区域分为工作状 态区域和过渡状态区域，根据每个划分区域中的线圈数量确定功率驱动器的总 数量，通过开关设备与定子线圈阵列连接，根据磁钢阵列所在位置和过渡状态 区域的限定，控制线圈通断及电流。中国发明专利申请201310030005.4“动磁 铁式直线电机的功率切换装置及方法”也将长行程直线电机所有驱动线圈划分 为n个区域，依据位置传感器反馈信号，切断或接通工作区域内的三组三相线 圈，使得磁钢阵列至少覆盖一组线圈，从而只需要一个功率驱动器就可以控制 一台长行程动磁铁式直线电机；该方案中取消了过渡区域的设定，并给出了相 应的MOSFET实现方案。这种功率分配方案以电子开关为核心，即专门设计的逻 辑电路控制多套线圈的切换，例如矩阵开关等。中国发明专利申请 201410222779.1“一种动铁式直线电机单盘式线圈切换装置及方法”将直线电 机线圈电极和驱动器电极都布置到圆盘圆周之上，线圈圆盘相对于驱动器圆盘 旋转，实现线圈电极与驱动器电机的接触与分离，从而实现驱动器对线圈阵列 中不同线圈的供电。这种方案以机械开关替代电子开关，也能实现直线电机的 线圈切换。但无论是采用电子开关还是机械开关，都只针对单台直线电机而设 计，能适应上千台甚至几千台直线电机阵列中数以千计线圈同时切换的方法， 目前还未见报道。

传统的电子提花针织机械虽然没有大量织针的功率分配问题(因其织针的 往复运动功率直接由机械凸轮三角提供)，但是其提花选针器的选针控制部分 却存在着类似的问题，即数以千计的织针的“三功位”动作位置控制。中国发 明专利200710022568.3介绍了一种电磁选针器驱动板，在相邻选针器数据单元 之间采用串行通信方法实现长度为5120位数据的串行写入和同时输出，驱动 5120根织针同时动作；该申请也介绍了更早的寄存器移位操作方式，实现5120 位数据的串行输入与并行输出。类似专利申请主要解决的问题集中于串行数据 通信或输出时候的效率与可靠性、纠错或者测试实际输出是否与寄存器数据位 的0/1数值相吻合。超薄直线电机模式的电织针阵列同样也需要实现“三功位” 位置控制，但其驱动信号不是单纯的0/1数值，而是“三功位”具体高度位置 所对应的若干电机线圈驱动功率切换的信号序列，同时还要对应于连续的机械 三角凸轮跑道轨迹和主机转速(或者说织针的编织速度)，其控制方法将完全 不同。

通过上述分析，现有技术存在的问题及缺陷为：(1)现有技术中织针的三 角凸轮织针机械驱动系统，凸轮跑道轨迹固定，驱动机构复杂，性能接近极限； (2)电织针概念提出后，研究工作集中于极限厚度限制条件下的高频往复直线 运动的电机阵列实现方式，对上千台电机按照机械凸轮轨迹进行电子凸轮运动 控制的研究还未见报道。

本发明针对的是大规模电机阵列的控制问题，有所接近的是多轴联动机床 的控制问题，但是目前多轴联动控制原则上还是以单电机控制为基础，在驱动 控制信号层面，无一例外都是首先完成单坐标轴的单个驱动电机性能调试，然 后在算法层面通过同步脉冲实现的多轴运动同步控制。一般来说，数控机床或 者机器人等多轴联动控制技术方案，其联动控制轴很少超过6轴，例如联动控 制数量很大的刀具磨床，一般也就6轴5联动，就运动控制器来说，目前市面 上能够找到的运动控制卡也就128轴或者256轴，其中的联动控制轴一般很少 超过6轴。相对于本技术方案所要求的上千台直线电机的电子凸轮轨迹运动，实际上等价于上千台电机的联动控制，这是完全不同的应用对象和使用要求， 因此，在理论与技术上都不存在相近或可以直接借鉴的内容。

在技术方案所对应的基本实现方式上，目前多轴联动控制需要有相应数量 的电机功率驱动器与电机数量对应，一个伺服电机必须配备一个独立的功率放 大器，当前伺服电机所提供的电子凸轮功能也都是直接以单电机为对象；为满 足本发明试图解决的大规模电织针阵列中数以千计的直线电机式织针的功率驱 动，除非简单配备上千个电机功率驱动器与之对应，同时开发完成一个上千轴 联动的运动控制器，否则，不存在这样的相近的现有技术方案。

电机控制技术从单个电机控制发展到多个电机联动，因为电机数量少，因 此研究和实现的重点都以单电机为基础；本发明针对的是大规模电机阵列的联 动控制，阵列中电机数量庞大，需要有全新的理论和技术，本技术方案就是为 解决这一问题而提出。

解决以上问题及缺陷的难度为：

专利簇201110098202.0、201510089570.7、201711340386.0、 201911128956.9、202010360848.0还有可公开检索的相关论文等源自于本人工 作单位其他人，这些工作试图在本人曾经工作基础上做一些变形，却罔顾了技 术方案本身在电磁、控制等领域的基本分析，因而在内容上体现为单纯的电磁 铁分析或线圈磁力分析，以结构设计工作为主。简单的电磁分析就能发现，以 目前主流针织机械的性能参数为参照，这些工作完全不具有任何工程实用前景， 技术理论上也没有提出任何新的方法或思想，不具有任何理论研究的价值，在 电机、电工、电气等专业刊物上也未有任何发表或报道，主要论文刊物集中于 纺织类期刊，只能作为新概念介绍而存在。

上千台电磁铁或电机的联动控制，上述专利簇与相关论文也都未涉及，因 为目前还没有直接的理论或技术方案，它超出了当前整个电机与控制理论所考 虑的范围。当前的多电机控制都是以单电机为基础而展开，联动数量通常不超 过6个，目前绝大多数的宣传资料中，单一控制器最多能控制不超过1024个电 机在非联动控制的模式下运动。

现有针织机械中的选针控制一定程度上接近上述功能，但是选针控制是开 关控制，只提供三功位的选择信号，不提供轨迹驱动，即上千根织针中的某一 根针是否进入凸轮跑道，这是其中一个功位，进入后由于凸轮跑道存在最高点 和最低点，这就是另外两个功位。也就是说，当前的针织机械选针控制实际是 大规模的数字开关阵列，上千片织针的联动运动是完全由机械凸轮跑道来实现 的。传统的电子提花控制器所实现的功能，如专利200710022568.3等等，就是 阐述的电子开关阵列实现方式。

上千台直线电机构成一个电织针阵列，用电子凸轮替代机械凸轮实现以电 代机，核心内容是单一直线电机控制所必须的多线圈精确切换。这一切换对单 电机来说直接对应了精确的位置控制，以带霍尔直线电机来说，精度至少为

或

配合精密光栅传感器或无传感器位置定位算法，实际轨迹精度可以达到很高 的程度；但是一台这样的控制器价格非常昂贵，对上千台电机构成的电织针阵 列来说是完全不切实际的。

当前直线电机多线圈切换的技术方案主要针对长行程直线电机，依然是单 一电机的控制。

解决以上问题及缺陷的意义为：

解决以上问题及缺陷的意义在于使得电机的联动控制方法从单电机为基础 的多轴联动控制发展到大规模电机阵列的直接驱动控制，在功率驱动信号层面 直接进行同步，基本的实现方式改变有望带来更多的功能，例如实际空间形状 动态可调整的电子凸轮，无线缆的超精密磁悬浮平面电机，机床联动控制轴的 大幅度增加，机器人关节联动控制轴数的大幅度增加等等，为适应本发明技术 方案，电机参数选择或电机实现形式也有必要进行必要的调整。在电机设计、 电机控制理论上，也会由此引入大量新的课题，可以开展进一步深入分析。

发明内容

针对现有技术存在的问题，本发明提供了一种用于针织机械的大规模电织 针阵列驱动方法及系统。

本发明是这样实现的，一种用于针织机械的大规模电织针阵列驱动方法， 所述用于针织机械的大规模电织针阵列驱动方法包括：

将n片织针的功率驱动信号波形压缩到1片织针执行1次往复运动的周期时 间之内，从n倍频的功率驱动信号中分离出n路存在

相位差的单频信号，m组 相同空间跨距的电织针同时并联实现m路喂纱周期，用扫描输出的方式完成大 规模电织针阵列的功率驱动分配，实现数以千计的电机按电子凸轮曲线轨迹联 动，完成m个周期的三功位动作；

各织针在往复运动过程中的瞬间静止、匀速或加减速运动过程中，连续横 向位置x上各织针的针钩中心高度z变化对应于电子凸轮的曲线轨迹。

进一步，n路同频电信号的相位差对应于n片电织针的不同位置差，相当 于电织针阵列的整体横向位移。

进一步，每片电织针都是一台集中绕组的超薄直线电机，按带霍尔传感器 直流无刷直线电机模式或永磁同步电机模式做往复运动，每片电织针三相线圈 按Y型接法或△型接法连接，以满足驱动器输出电流或电压要求；

进一步，霍尔元件的布置位置与信号线的数量取决于超薄直线电机各相线 圈功率切换与电织针定位精度要求，为3、6或12个霍尔元件；直线电机三相 线圈驱动信号的相位与幅值组合对应于线圈的具体位置，通过霍尔编码及反电 势方法测定。

进一步，m取为进纱路数，对应于针织机械中所有三角凸轮共同构成的跑道 轨迹曲线的周期数；

每1路进纱对应于一组n片电织针，对跑道曲线轨迹的一个完整周期进行等 间距δ划分，每一个划分包含一片超薄直线电机形式的电织针；电织针总数量为 m×n片，一台织机同时有m根纱线喂入电织针阵列完成相应的三功位编织动作。

进一步，每片电织针的霍尔编码位置对应于成圈、集圈、浮线三种动作所 对应的三个停止位置，即退圈高度、集圈高度、不编织高度；每个霍尔编码位 置由3个或6个霍尔元件信号组合而成，位置分辨率为

或

实际定位精度由 直线电机位置控制算法确定，其中τ为永磁磁极对节距；每片电织针沿z轴方向 运动一个节距τ使得霍尔编码完成一次编码循环，电织针的一次上下往复运动对 应于一个完整的织针运动循环；电织针的往复行程范围不超过一个永磁磁极对 节距τ。

进一步，每一片电织针的位移高度严格遵循z-x位置函数关系，记为z(x)， 其中x对应于单片织针沿x轴方向横向移动位移，且为周期函数：z(i+mj)＝z(i)， 其中i对应于电织针的序号(i＝1～n)，j对应于进纱路数的序号，m为进纱路数，z 对应于织针上升或下降实际高度；x对应于用电织针序号i标记的横向移动位移， 实际位移量为(i+mj)δ，其中δ为电织针厚度；电织针以电子凸轮模式运行，依据 每片电织针中霍尔编码数据为三相线圈施加相应的驱动电压。

进一步，电织针往复运动频率为f，每片织针的运行范围由霍尔编码确定， 三相功率源频率为2nf，按照电子凸轮函数z(x)和当前电织针阵列整体横向运动速 度v，以计算每片电织针完成一个上升-下降运动周期所需要的三相驱动信号变 化，发往三相功率源输出三相驱动功率信号；

一个电子凸轮曲线周期对应于两个整周期的功率源输出信号周期，分别完 成上升和下降动作；三相功率源采用PWM脉冲波实现，或采用连续波实现；电 子开关矩阵扫描基准频率不得小于每片电织针驱动信号最高频率成分的两倍， 建议选择8到10倍或以上；

将m个周期中对应相同序号i的电织针线圈同时接入三相驱动功率源，对应 相同序号i电织针的电子开关矩阵中的m个开关执行完全相同的开关动作，循环 依次扫描全部n个m片电织针开关；

将

时间内的功率源输出信号按周期时间做p*n个等分；对m组相同下 标i的电织针而言，当前电子开关矩阵中第i组开关打开，允许第i个

时间片 的三相功率驱动信号通过之后，经过

时间后，再次打开第i组开关时，允许通 过的

时间片的序号为i+1；经过n个

时间后，在

时间内完成一组n片电织 针扫描，经过p个

时间后，在时间T上组合出n个完整的离散功率驱动周期信 号t₁～t_n，每一个离散功率驱动信号的周期均为T，相邻离散功率驱动周期信号相 位差对应于织针片数i的位置差iδ；

任意第t_i路电子开关输出信号实际由功率源输出的一组n个高频周期中每一 个周期的

部分离散组合而成，每一个离散时间间隔为

p的选择需要满足奈 奎斯特采样定律，在保证每片织针驱动信号的频率为2f的同时，实现相邻织针 之间驱动信号相位差等于其实际位置差x(t)＝iδ，实现电子凸轮的功能。

进一步，用于针织机械的大规模电织针阵列驱动方法，包括：

步骤一，初始上电的零时刻输出统一的功率源驱动信号，利用电子开关矩 阵逐组逐个扫描每片电织针，依据霍尔编码反馈，完成电织针阵列的整体零位 对正；

步骤二，依据针织三角凸轮跑道轨迹给出电子跑道函数Z(i)，功率驱动源工 作频率2nf，功率源额定电压nV，其中V为单片电织针的额定工作电压，依据直 流无刷直线电机驱动原理或永磁同步电机驱动原理生成三相线圈对应功率驱动 信号，按同一时刻下不同下标i的n片电织针各线圈驱动电压构造n个驱动信号 波形，依下标1～n组合而成n倍频功率驱动信号，由L1、L2、L3输出；

步骤三，电子开关矩阵在同步扫描基准时钟控制下，按照m和n参数，对m 组电织针阵列进行对应驱动线圈的并联，每组包含n片电织针，每组电织针的 开关时间片为

以组为单位，对每组电织针中的n片电织针的功率源驱动信 号进行逐次扫描，电子开关矩阵在功率驱动信号的第1个扫描周期中抽取第1 个

部分波形，输出到第1组电织针线圈；

步骤四，打开第1组m路电子开关，在t₁时间过程中，扫描m片电织针的 霍尔编码反馈，测量各线圈反电势大小，计算第1组电织针位置数据，返回运 动控制器执行运动轨迹控制算法，调整驱动功率源输出波形；

步骤五，在第2个扫描周期中抽取第2个

部分波形，输出到第1和第2 组电织针线圈；

步骤六，打开第2组m路电子开关，在t₂时间过程中，扫描m片电织针的 霍尔编码反馈，测量各线圈反电势大小，计算第2组电织针位置数据，返回运 动控制器执行运动轨迹控制算法，调整驱动功率源输出波形；

步骤七，依此类推，完成n片m组电织针的驱动功率输出。

本发明的另一目的在于提供一种实施所述用于针织机械的大规模电织针阵 列驱动方法的用于针织机械的大规模电织针阵列驱动系统，所述用于针织机械 的大规模电织针阵列驱动系统中第二基座本体上侧固定有第一基座本体，第二 基座本体上部左右两侧安装有第三基座本体；第一和第二基座本体为非磁性材 料，第三基座本体为软铁磁性材料；

间隔保持架上端固定有第一、第二基座本体，第一基座本体上开有阵列的 导向孔，电织针针头在导向孔约束下做上下往复运动；永磁体N-S磁极对被间 隔保持架以节距τ限定；霍尔元件嵌装于电织针线圈之中。

结合上述的所有技术方案，本发明所具备的优点及积极效果为：

本发明可以用于驱动电织针阵列实现数以千计的超薄直线电机形式的单片 织针同时工作的驱动方法，以论文“Electromagnetic and FEM analysis of a novelelectric driving knitting needle of moving coil stack PMLM schema” 中所述动圈式超薄永磁直线电机阵列形式的电织针阵列为参考对象，实现多个 功位的位置控制和软件可编程的织针位置—时间轨迹，对应于机械三角凸轮跑 道，以电代机，取消经典的三角凸轮织针机械驱动系统，织针运动完全电控化， 简化针织机械的驱动机构设计，并极大程度上增强针织机械编织动作的可控性， 为探索新的针织工艺方法提供装备技术基础。

上千台电机的联动控制方法目前并不存在，本发明针对电织针阵列的电子 凸轮轨迹实现提供了一种大幅度减少功率驱动器数量的驱动方法；这种方法还 可以推广应用到其他需要类似的多电机联动控制或者大量功率线圈精确切换的 应用场合。

附图说明

为了更清楚地说明本申请实施例的技术方案，下面将对本申请实施例中所 需要使用的附图做简单的介绍，显而易见地，下面所描述的附图仅仅是本申请 的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下 还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1是本发明实施例提供的用于针织机械的大规模电织针阵列驱动系统结 构示意图。

图1中：1、钩针针头；2、第一基座本体；3、霍尔元件；4、第二基座本 体；5、第三基座本体；6、矩形永磁体；7、间隔保持架。

图2是本发明实施例提供的用于针织机械的大规模电织针阵列驱动方法流 程图。

图3是本发明实施例提供的电织针三功位高度vs跑道轨迹曲线示意图。

图4是本发明实施例提供的电织针阵列功率驱动方案设计示意图。

图5是本发明实施例提供的同一片电织针的功率驱动信号波形采样时间差 示意图。

图6是本发明实施例提供的电织针阵列功率驱动处理流程图。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合实施例， 对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以 解释本发明，并不用于限定本发明。

针对现有技术存在的问题，本发明提供了一种用于针织机械的大规模电织 针阵列驱动方法及系统，下面结合附图对本发明作详细的描述。

如图1所示，本发明实施例提供的用于针织机械的大规模电织针阵列驱动 系统中第二基座本体4上左右两侧固定有第三基座本体5，第一、第二基座本体 2和4之间安装有间隔保持架7，间隔保持架7上端固定有第一基座本体2，基 座本体2上开有阵列的导向孔，电织针1针头在导向孔约束下做上下往复运动； 矩形永磁体6N-S磁极对被间隔保持架以节距τ限定；霍尔元件3嵌装于电织针 1线圈之中。第一基座本体2和第二基座本体4为非磁性材料，第三基座本体5 为软铁磁性材料。

本发明实施例提供的用于针织机械的大规模电织针阵列驱动方法，包括：

将n片织针的功率驱动信号波形压缩到1片织针执行1次往复运动的周期时 间之内，从n倍频的功率驱动信号中分离出n路存在

相位差的单频信号，m 组相同空间跨距的电织针同时并联实现m路喂纱周期，用扫描输出的方式完成 大规模电织针阵列的功率驱动分配，实现数以千计的电机按电子凸轮曲线轨迹 联动，完成m个周期的三功位动作；其中，n路同频电信号的相位差对应于n片 电织针的不同位置差，相当于电织针阵列的整体横向位移；各织针在往复运动 过程中的瞬间静止、匀速或加减速运动过程中，连续横向位置x上各织针的针钩 中心高度z变化对应于电子凸轮的曲线轨迹。

每片电织针都是一台集中绕组的超薄直线电机或音圈电机，按带霍尔传感 器直流无刷直线电机模式或者永磁同步电机模式做往复运动，每片电织针三相 线圈按Y型接法或△型接法连接，以满足驱动器输出电流或电压要求；霍尔元 件的布置位置与信号线的数量取决于超薄直线电机各相线圈功率切换与电织针 定位精度要求，典型方案为3、6或12个霍尔元件；直线电机三相线圈驱动信 号的相位与幅值组合对应于线圈的具体位置，可以通过霍尔编码及反电势方法 测定。

m取为进纱路数，对应于针织机械中所有三角凸轮共同构成的跑道轨迹曲线 的周期数，如图3所示；每1路进纱对应于一组n片电织针，对跑道曲线轨迹 的一个完整周期进行等间距δ划分，每一个划分包含一片超薄直线电机形式的电 织针，如图4所示；电织针总数量为m×n片，一台织机同时有m根纱线喂入电 织针阵列完成相应的三功位编织动作。

每片电织针的霍尔编码位置对应于成圈、集圈、浮线三种动作所对应的三 个停止位置，即退圈高度、集圈高度、不编织高度；每个霍尔编码位置由3个 或6个霍尔元件信号组合而成，位置分辨率为

或

实际定位精度由直线电机 位置控制算法确定，其中τ为永磁磁极对节距；每片电织针沿z轴方向运动一个 节距τ使得霍尔编码完成一次编码循环，电织针的一次上下往复运动对应于一个 完整的织针运动循环；电织针的往复行程范围不超过一个永磁磁极对节距τ。

每一片电织针的位移高度严格遵循z-x位置函数关系(织针高度vs织针阵列 整体水平位置)，不妨记为z(x)，其中x对应于单片织针沿x轴方向横向移动位 移，且为周期函数：z(i+mj)＝z(i)，其中i对应于电织针的序号(i＝1～n)，j对应于进 纱路数的序号，m为进纱路数，z对应于织针上升或下降实际高度；x对应于用电 织针序号i标记的横向移动位移，实际位移量为(i+mj)δ，其中δ为电织针厚度； 电织针以电子凸轮模式运行，依据每片电织针中霍尔编码数据为三相线圈施加 相应的驱动电压。

电织针往复运动频率为f，每片织针的运行范围由霍尔编码确定，三相功率 源频率为2nf，按照电子凸轮函数z(x)和当前电织针阵列整体横向运动速度v，计 算每片电织针完成一个上升-下降运动周期所需要的三相驱动信号变化，发往三 相功率源输出三相驱动功率信号；一个电子凸轮曲线周期对应于两个整周期的 功率源输出信号周期，分别完成上升和下降动作；三相功率源可以采用PWM脉 冲波实现，也可以采用连续波实现；电子开关矩阵扫描基准频率不得小于每片 电织针驱动信号最高频率成分的两倍，建议选择8到10倍或以上，视每曲线周 期包含的织针片数n而定。

将m个周期中对应相同序号i的电织针线圈同时接入三相驱动功率源，对应 相同序号i电织针的电子开关矩阵中的m个开关执行完全相同的开关动作，循环 依次扫描全部n个m片电织针开关。

将

时间内的功率源输出信号做p*n个等分；对m组相同下标i的电织 针而言，当前电子开关矩阵中第i组开关打开，允许第i个

时间片的三相功率 驱动信号通过之后，经过

时间后，再次打开第i组开关时，允许通过的

时间 片的序号为i+1；经过n个

时间后，在

时间内完成一组n片电织针扫描，经 过p个

时间后，在时间T上组合出n个完整的离散功率驱动周期信号t₁～t_n，每 一个离散功率驱动信号的周期均为T，相邻离散功率驱动周期信号相位差对应于 织针片数i的位置差iδ；如图5所示，任意第t_i路电子开关输出信号实际由功率 源输出的一组n个高频周期中每一个周期的

部分离散组合而成，每一个离散时 间间隔为

p的选择需要满足奈奎斯特采样定律，在保证每片织针驱动信号的 频率为2f的同时，实现相邻织针之间驱动信号相位差等于其实际位置差x(t)＝iδ， 确保电子凸轮功能的实现。

如图2所示，本发明实施例提供的用于针织机械的大规模电织针阵列驱动 方法，包括：

S101；初始上电的零时刻输出统一的功率源驱动信号，利用电子开关矩阵 逐组逐个扫描每片电织针，依据霍尔编码反馈，完成电织针阵列的整体零位对 正。

S102；依据针织三角凸轮跑道轨迹给出电子跑道函数Z(i)，功率驱动源工作 频率2nf，功率源额定电压nV，其中V为单片电织针的额定工作电压，依据直流 无刷直线电机驱动原理生成三相线圈对应功率驱动信号，按同一时刻下不同下 标i的n片电织针各线圈驱动电压构造n个驱动信号波形，依下标1～n组合而成 n倍频功率驱动信号，由L1、L2、L3输出。

S103；电子开关矩阵在同步扫描基准时钟控制下，按照m和n参数，对m 组电织针阵列进行对应驱动线圈的并联，每组包含n片电织针，每组电织针的 开关时间片为

以组为单位，对每组电织针中的n片电织针的功率源驱动信 号进行逐次扫描，电子开关矩阵在功率驱动信号的第1个扫描周期中抽取第1 个

部分波形，输出到第1组电织针线圈。

S104；打开第1组m路电子开关，在t₁时间过程中，扫描m片电织针的霍 尔编码反馈，测量各线圈反电势大小，计算第1组电织针位置数据，返回运动 控制器执行运动轨迹控制算法，调整驱动功率源输出波形。

S105；在第2个扫描周期中抽取第2个

部分波形，输出到第1和第2组 电织针线圈。

S106；打开第2组m路电子开关，在t₂时间过程中，扫描m片电织针的霍 尔编码反馈，测量各线圈反电势大小，计算第2组电织针位置数据，返回运动 控制器执行运动轨迹控制算法，调整驱动功率源输出波形。

S107；依此类推，完成n片m组电织针的驱动功率输出。

下面结合具体实施例对本发明的技术方案作进一步的描述。

如图1所示，钩针针头1为电织针的钩针针头，如舌针针头、勾针针头等； 第一基座本体2上设置有导向孔，限定电织针运动过程中保持针头的横向稳定； 霍尔元件3为动圈式电织针内嵌的霍尔元件，多个霍尔元件信号组合在一起构 成霍尔编码器，实现

或

的位置定位精度。第一基座本体2、第二基座本体4 和第三基座本体5为电织针阵列结构基座本体；间隔保持架7为永磁体位置间 隔保持架。

相邻两片电织针横向间隔距离为δ，相邻永磁体一个N-S磁极循环节距为τ。 电织针的一次往复运动建议限定为一个N-S节距，或者一个N-S节距之内，简化 运动控制器算法设计。针织机械在运行过程中，通常安排织针阵列做整体的横 向或圆周运动，本实施例将这种整体运动用x轴标记，对应于电子凸轮轨迹的一 个输入参数。

针织机械中的电织针阵列驱动方法包括：电织针阵列由集中绕组的动圈式 永磁直线电机或音圈电机阵列构成，每片电织针相当于一台独立的带霍尔编码 直流无刷直线电机或音圈电机；传统织针的三功位位置由多个霍尔传感器组合 而成的霍尔编码确定；沉降片也采用相同的动圈式永磁直线电机阵列方式实现。

全部电织针按同一频率做上下往复运动，任意时刻全部电织针的针钩中心 所连成的曲线都对应于传统针织机械的机械凸轮跑道，称之为电子凸轮跑道或 电子凸轮曲线，实现m路进纱编织动作；每一路进纱的编织动作都需要有n片 电织针参与；电子凸轮跑道曲线、m和n的大小都可以在线编程，动态调整。

将n片电织针的驱动信号波形在时间上压缩为

或者说将驱动信号频率提 高n倍，将原来n个空间波形压缩到1个时间波形周期之中(n个波形可以完全 相同，也可以完全不同，对应于不同的随机选针方式)，再由一个独立的大功 率驱动源以n倍的频率输出压缩波形，将n个不同空间位置的同频不同相驱动信 号压缩为一个n倍频功率源输出；不同相位的同频信号波形在压缩后，其对应的 电织针阵列空间排列顺序，在时间上顺序排列；功率驱动信号波形在n倍频处理 的同时，波形幅值同时放大n倍。利用选通电子开关矩阵，从n倍频功率驱动源 输出中，动态地并联输出m路功率到m片电织针的各相线圈；对n倍频大功率驱动信号进行高频采样，进一步按p倍采样频率对n倍频信号进行切割分配，每 一个

波形都逐次分配到第1到第n片电织针的驱动线圈，使得任意相邻的两 片电织针功率驱动波形在时间相位差上都为

对应于相邻两片电织针的空间位 置差，而且每片电织针的功率驱动信号为采样点数为p的离散波形，同一片电织 针驱动信号波形的轮询采样间隔为

p的选择符合奈奎斯特采样定律，同时考 虑n的影响；将n倍频n倍幅值的功率信号按周期次序，逐个将压缩后的周期波 形分解到n个

时间片上，完成m组每组n个同频不同相的电织针功率驱动信 号的在电织针阵列空间位置上的逐个分配，实现单一功率源驱动的m*n片电织 针功率驱动，完成m路进纱喂纱的电织针电子凸轮轨迹运动。

如图3所示，对应于x位移量大小，每片织针沿z轴执行上升～下降往复运 动，运动过程有三个停止位置，分别对应于退圈高度、集圈高度和不编织高度。 连续的织针针头中心连成一条曲线，对应于电子凸轮跑道轨迹；沿电子凸轮轨 迹，每n片织针位置形成一个周期，每个周期对应于针织机械的一路纱线进纱， 完成向织针喂纱的动作；既n片织针构成一个最小周期轨迹；针织机械整体包 含m路进纱则对应有m个周期的凸轮轨迹，设备具有m路纱线同时进纱。图3 所示电子凸轮轨迹为一种参考轨迹，实际电子凸轮轨迹可以在线编程调整，调 整内容既包括曲线形状，还包括m、n参数。

每片电织针相对于时间的上下往复运动函数z(t)形状完全相同，因而可以只 安排一个独立的大功率三相脉冲驱动功率源，功率总额为m*n片电织针实际运 行功率的综合。

如图4所示，三相脉冲驱动功率源输出信号线L1、L2、L3通过电子选通开 关矩阵与m*n片电织针的三相线圈同时联接，当m片电织针选通开关使能端EN 同时触发有效时，都会使得这m片电织针线圈同时并联接到功率驱动源，执行 完全相同的上升～下降运动，霍尔反馈和反电势信号也完全相同。

三相线圈驱动电流循环切换表依据霍尔反馈数据进行切换，由位置反馈控 制器完成；L1、L2、L3三根驱动信号线上的电压信号经过高速AD后进行反电势 位置分析计算，根据织针位置控制精度和织针输出力的大小要求，计算得到当前 高度z所需要的驱动电压和电流大小，调整当前L1、L2、L3输出，完成电子凸轮 运动参数控制。

电织针往复运动频率为f，每片织针的运行范围由霍尔编码确定，对应于三 功位位置高度。三相功率源频率为2nf，按照电子凸轮函数z(x)和当前电织针阵列 整体横向运动速度v，以计算每片电织针完成一个上升-下降运动周期所需要的三 相驱动信号变化，发往三相功率源输出三相驱动功率信号。

就某一根具体的织针而言，其三功位轨迹图案中某次动作所对应的图案可 以与其他n-1根织针不同或者相同，如图3、图4所示；将所有n根织针的轨迹 图案全部压缩到一个织针往复时间周期

之内，驱动功率源频率为2nf，幅值 为nV，按直线电机运动轨迹控制要求计算各相线圈的电流大小与线圈切换，生 成n路电织针功率驱动信号波形，压缩n个波形到

之内，输出到L1、L2、 L3线路。

如图5所示，选通电子开关矩阵依据同步扫描基准时钟进行开关控制，开 关控制频率不低于各相线圈驱动信号驱动最高频率成分的两倍，视每曲线周期 包含的织针片数n而定。将T时间内的功率源输出信号按周期时间做p*n个等分， 其中p对应一个被压缩的周期时间内细分时间片的数量，或者说一个曲线周期 内采样点的数量，至少取为8或10；图5中，粗实线表示的单片电织针在往复 频率为f时的功率驱动信号波形采样点由实心圆点表示，压缩n片电织针驱动波 形到一个往复频率周期

内的对应采样点由实心菱形表示；图5中p为5， 仅仅用于本发明所述驱动方法的说明目的。对m组相同下标i的电织针而言，当 前电子开关矩阵中第i组开关打开，允许第i个

时间片的三相功率驱动信号通 过之后，经过

时间后，既逐次扫描完n片织针之后再次打开第i组开关时，允 许通过的

时间片的序号为i+1；经过n个

时间后，在

时间内完成一组n片 电织针扫描，经过p个

时间后，在时间T上组合出n个完整的离散功率驱动周 期信号t₁～t_n，每一个离散功率驱动信号的周期均为T，相邻离散功率驱动周期信 号相位差对应于织针片数i的位置差iδ。

每片电织针三功位中的具体工作位置取决于其电子轨迹跑道曲线形状，例 如针织提花花型对应的不同功位随机组合可能要求每片织针都有独立的不同跑 道轨迹，可以通过动态地调整m或n的参数，将所有织针轨迹的功率驱动波形 压缩到一个往复运动周期

在电子开关选通矩阵的高频开关分配下，组合 出每根织针相应的功率驱动信号波形，实现各根织针的三功位独立控制。

如图6所示，j对应于压缩n个周期的电子凸轮曲线轮廓到1个时间周期T 内的电织针驱动波形的周期序号，相当于第j路进纱喂纱电子凸轮曲线轮廓。每 一轮n片织针驱动波形扫描耗时为

电子跑道轨迹由针织设备的针织花型意匠 图决定，不同的意匠图会引起织针在不同位置上选择不同的退圈、集圈、不编 织动作，是一个由花型设计决定的随机函数，在每一轮m*n片织针动作完毕之 后，下一轮的动作都需要重新刷新，如此循环直到完成全部针织编织任务。

在本发明的描述中，除非另有说明，“多个”的含义是两个或两个以上； 术语“上”、“下”、“左”、“右”、“内”、“外”、“前端”、“后端”、 “头部”、“尾部”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关 系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元 件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明 的限制。此外，术语“第一”、“第二”、“第三”等仅用于描述目的，而不 能理解为指示或暗示相对重要性。

以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于 此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，凡在本发明 的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，都应涵盖在本发明的 保护范围之内。

Claims (10)

1.一种用于针织机械的大规模电织针阵列驱动方法，其特征在于，所述用于针织机械的大规模电织针阵列驱动方法包括：

将n片织针的功率驱动信号波形压缩到1片织针执行1次往复运动的周期时间内，从n倍频的功率驱动信号中分离出n路存在

相位差的单频信号，m组相同空间跨距的电织针同时并联实现m路喂纱周期，用扫描输出的方式完成电织针阵列的功率驱动分配，实现几百上千台电机按电子凸轮曲线轨迹联动，完成m个周期的三功位动作；

各织针在往复运动过程中的瞬间静止、匀速或加减速运动中，连续横向位置x上各织针的针钩中心高度z变化对应于电子凸轮的曲线轨迹。

2.如权利要求1所述用于针织机械的大规模电织针阵列驱动方法，其特征在于，n路同频电信号的相位差对应于n片电织针的不同位置差，为电织针阵列的整体横向位移。

3.如权利要求1所述用于针织机械的大规模电织针阵列驱动方法，其特征在于，每片电织针为集中绕组的超薄直线电机或音圈电机，按带霍尔传感器直流无刷直线电机模式或者永磁同步电机模式做往复运动，每片电织针三相线圈按Y型接法或△型接法连接。

4.如权利要求3所述用于针织机械的大规模电织针阵列驱动方法，其特征在于，通过超薄直线电机各相线圈功率切换与电织针定位精度确定霍尔元件的布置位置与信号线的数量，为3、6或12个霍尔元件；超薄直线电机三相线圈驱动信号的相位与幅值组合对应于线圈的具体位置，通过霍尔编码及反电势方法测定。

5.如权利要求1所述用于针织机械的大规模电织针阵列驱动方法，其特征在于，m取为进纱路数，对应于针织机械中所有三角凸轮共同构成的跑道轨迹曲线的周期数；

每1路进纱对应于一组n片电织针，对跑道曲线轨迹的一个完整周期进行等间距δ划分，每一个划分包含一片超薄直线电机形式的电织针；电织针总数量为m×n片，一台织机同时有m根纱线喂入电织针阵列完成相应的三功位编织动作。

6.如权利要求1所述用于针织机械的大规模电织针阵列驱动方法，其特征在于，每片电织针的霍尔编码位置对应于成圈、集圈、浮线三种动作所对应的三个停止位置，即退圈高度、集圈高度、不编织高度；每个霍尔编码位置由3个或6个霍尔元件信号组合而成，位置分辨率为

或

实际定位精度由直线电机位置控制算法确定，其中τ为永磁磁极对节距；每片电织针沿z轴方向运动一个节距τ使得霍尔编码完成一次编码循环，电织针的一次上下往复运动对应于一个完整的织针运动循环；电织针的往复行程范围不超过一个永磁磁极对节距τ。

7.如权利要求1所述用于针织机械的大规模电织针阵列驱动方法，其特征在于，每一片电织针的位移高度严格遵循z-x位置函数关系，记为_z(x)，其中x对应于单片织针沿x轴方向横向移动位移，且为周期函数：z(i+mj)＝z(i)，其中i对应于电织针的序号(i＝1～n)，j对应于进纱路数的序号，m为进纱路数，z对应于织针上升或下降实际高度；x对应于用电织针序号i标记的横向移动位移，实际位移量为(i+mj)δ，其中δ为电织针厚度；电织针以电子凸轮模式运行，依据每片电织针中霍尔编码数据为三相线圈施加相应的驱动电压。

8.如权利要求1所述用于针织机械的大规模电织针阵列驱动方法，其特征在于，电织针往复运动频率为f，每片织针的运行范围由霍尔编码确定，三相功率源频率为2nf，按照电子凸轮函数z(x)和当前电织针阵列整体横向运动速度v，计算每片电织针完成一个上升-下降运动周期所需要的三相驱动信号变化，发往三相功率源输出三相驱动功率信号；

一个电子凸轮曲线周期对应于两个整周期的功率源输出信号周期，分别完成上升和下降动作；三相功率源采用PWM脉冲波实现，或采用连续波实现；电子开关矩阵扫描基准频率不得小于每片电织针驱动信号最高频率成分的两倍，建议选择8到10倍或以上，由每曲线周期包含的织针片数n而定；

将m个周期中对应相同序号i的电织针线圈同时接入三相驱动功率源，对应相同序号i电织针的电子开关矩阵中的m个开关执行完全相同的开关动作，循环依次扫描全部n个m片电织针开关；

将

时间内的功率源输出信号做p*n个等分；对m组相同下标i的电织针而言，当前电子开关矩阵中第i组开关打开，允许第i个

时间片的三相功率驱动信号通过之后，经过

时间后，再次打开第i组开关时，允许通过的

时间片的序号为i+1；经过n个

时间后，在

时间内完成一组n片电织针扫描，经过p个

时间后，在时间T上组合出n个完整的离散功率驱动周期信号t₁～t_n，每一个离散功率驱动信号的周期均为T，相邻离散功率驱动周期信号相位差

对应于织针片数i的位置差iδ；

任意第t_i路电子开关输出信号实际由功率源输出的一组n个高频周期中每一个周期的

部分离散组合而成，每一个离散时间间隔为

p的选择需要满足奈奎斯特采样定律，在保证每片织针驱动信号的频率为2f的同时，实现相邻织针之间驱动信号相位差等于其实际位置差x(t)＝iδ，实现电子凸轮的功能。

9.如权利要求1所述用于针织机械的大规模电织针阵列驱动方法，其特征在于，用于针织机械的大规模电织针阵列驱动方法，包括：

步骤一，初始上电的零时刻输出统一的功率源驱动信号，利用电子开关矩阵逐组逐个扫描每片电织针，依据霍尔编码反馈，完成电织针阵列的整体零位对正；

步骤二，依据针织三角凸轮跑道轨迹给出电子跑道函数Z(i)，功率驱动源工作频率2nf，功率源额定电压nV，其中V为单片电织针的额定工作电压，依据直流无刷直线电机驱动原理或永磁同步电机驱动原理生成三相线圈对应功率驱动信号，按同一时刻下不同下标i的n片电织针各线圈驱动电压构造n个驱动信号波形，依下标1～n组合而成n倍频功率驱动信号，由L1、L2、L3输出；

步骤三，电子开关矩阵在同步扫描基准时钟控制下，按照m和n参数，对m组电织针阵列进行对应驱动线圈的并联，每组包含n片电织针，每组电织针的开关时间片为

以组为单位，对每组电织针中的n片电织针的功率源驱动信号进行逐次扫描，电子开关矩阵在功率驱动信号的第1个扫描周期中抽取第1个

部分波形，输出到第1组电织针线圈；

步骤四，打开第1组m路电子开关，在t₁时间过程中，扫描m片电织针的霍尔编码反馈，测量各线圈反电势大小，计算第1组电织针位置数据，返回运动控制器执行运动轨迹控制算法，调整驱动功率源输出波形；

步骤五，在第2个扫描周期中抽取第2个

部分波形，输出到第1和第2组电织针线圈；

步骤六，打开第2组m路电子开关，在t₂时间过程中，扫描m片电织针的霍尔编码反馈，测量各线圈反电势大小，计算第2组电织针位置数据，返回运动控制器执行运动轨迹控制算法，调整驱动功率源输出波形；

步骤七，依此类推，完成n片m组电织针的驱动功率输出。

10.一种实施如权利要求1～9任意一项所述用于针织机械的大规模电织针阵列驱动方法的用于针织机械的大规模电织针阵列驱动系统，其特征在于，所述用于针织机械的大规模电织针阵列驱动系统中第二基座本体上侧固定有第一基座本体，第二基座本体上部左右两侧安装有第三基座本体；第一基座本体和第二基座本体为非磁性材料，第三基座本体为软铁磁性材料；

间隔保持架上端固定第一基座本体、第二基座本体，第一基座本体上开有阵列的导向孔，电织针针头在导向孔约束下做上下往复运动；永磁体N-S磁极对被间隔保持架以节距τ限定；霍尔元件嵌装于电织针线圈之中。

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