CN115404594A - 一种双环形磁铁阵列磁悬浮织针驱动装置及控制方法 - Google Patents

一种双环形磁铁阵列磁悬浮织针驱动装置及控制方法 Download PDF

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Abstract

本发明属于织针驱动技术领域，公开了一种双环形磁铁阵列磁悬浮织针驱动装置及控制方法，设置有：壳体；壳体内设置有有外环形磁铁阵列和内环形磁铁阵列；外环形磁铁阵列由从下至上依次排列的外环形径向第一磁铁、外环形轴向第一磁铁、外环形径向第二磁铁、外环形轴向第二磁铁、外环形径向第三磁铁、外环形轴向第三磁铁组合而成；内环形磁铁阵列由从下至上依次排列的内环形径向第一磁铁、内环形轴向第一磁铁、内环形径向第二磁铁、内环形轴向第二磁铁、内环形径向第三磁铁、内环形轴向第三磁铁组合而成。本发明提供了一种交替充磁方式的圆筒型磁悬浮织针驱动装置，采用内外双环形磁铁阵列，提高了系统的输出力，显著降低振动和噪声。

Description

一种双环形磁铁阵列磁悬浮织针驱动装置及控制方法
技术领域
本发明属于织针驱动技术领域，尤其涉及一种双环形磁铁阵列磁悬浮织针驱动装置及控制方法。
背景技术
目前，织针电脑提花圆纬机是纺织机械领域中一种重要的针织机械装备，现有的电子选针装置有电磁式和压电式两种，均是采用三角凸轮、提花片、挺针片等机械零部件实现机械传动式选针，织针与三角凸轮接触完成三工位编织，机械式传动能量利用率低，并且会造成冲击摩擦，织针和三角凸轮的强度和耐磨性限制了织针的驱动速度和工作效率。
现有技术1(专利申请号201110098202.0，一种磁悬浮驱动织针选针方法及装置)公开了由织针、针壳、永磁体、位移传感器、电磁驱动装置与控制系统组成的磁悬浮驱动织针选针装置，但是其采用单线圈驱动轴向磁悬浮方式，驱动力偏小、反应时间长、工作效率低、织针的位移范围小。
现有技术2(专利申请号202010360848.0，一种混合式磁悬浮织针驱动装置及其控制方法)的电磁驱动力不稳定、织针位移距离有限、噪音和振动大。
现有技术3(专利申请号202110020285.5，一种管式磁悬浮织针装置及其驱动方法)的速度难以控制，通过增大电流来增加驱动力会导致线圈高温问题。
通过上述分析，现有技术存在的问题及缺陷为：现有织针驱动装置及控制方法驱动力偏小、反应时间长、工作效率低、织针的位移范围小；磁驱动力不稳定、噪音和振动大；速度难以控制，通过增大电流来增加驱动力会导致线圈高温问题。
发明内容
针对现有技术存在的问题，本发明提供了一种双环形磁铁阵列磁悬浮织针驱动装置及控制方法。
本发明是这样实现的，一种双环形磁铁阵列磁悬浮织针驱动装置，所述双环形磁铁阵列磁悬浮织针驱动装置设置有：
壳体；
所述壳体内设置有有外环形磁铁阵列和内环形磁铁阵列；所述外环形磁铁阵列由从下至上依次排列的外环形径向第一磁铁、外环形轴向第一磁铁、外环形径向第二磁铁、外环形轴向第二磁铁、外环形径向第三磁铁、外环形轴向第三磁铁组合而成；所述内环形磁铁阵列由从下至上依次排列的内环形径向第一磁铁、内环形轴向第一磁铁、内环形径向第二磁铁、内环形轴向第二磁铁、内环形径向第三磁铁、内环形轴向第三磁铁组合而成；
壳体底部设置有线槽孔和轴孔；所述轴孔内可选择性安装背铁。
进一步，所述壳体上部设置有上端盖；所述上端盖上开设有推杆孔和轴孔；所述上端盖与所述壳体构成封闭区域。
进一步，所述双环形磁铁阵列磁悬浮织针驱动装置还设置有移动构件；
所述移动构件包括推杆和线圈座；所述推杆穿过所述上端盖通过推杆螺纹孔连接有织针；
所述线圈座包括第一线圈座、第二线圈座、第三线圈座、第四线圈座、第五线圈座、第六线圈座共计六个线圈槽；所述第一线圈座、第二线圈座、第三线圈座、第四线圈座、第五线圈座、第六线圈座缠绕三相线圈绕组；
所述第一线圈座、第二线圈座、第三线圈座、第四线圈座、第五线圈座、第六线圈座上分别缠绕有A+线圈、B-线圈、C+线圈、A-线圈、B+线圈、C-线圈。
进一步，所述织针由针头、针舌和织针底座构成。
进一步，所述A+线圈以圆柱型缠绕在所述第一线圈座上，所述B-线圈以圆柱型缠绕在所述第二线圈座上，所述C+线圈以圆柱型缠绕在所述第三线圈座上，所述A-线圈以圆柱型缠绕在所述第四线圈座上；所述A-线圈的尾端线与所述 A+线圈的首端线串接；
所述B+线圈以圆柱型缠绕在所述第五线圈座上；所述B+线圈尾端线与所述B-线圈首端线串接；
所述C-线圈以圆柱型缠绕在所述第六线圈座上，所述C-线圈尾端线与所述 C+线圈首端线串接；
所述A+线圈、B-线圈、C+线圈的首端线呈星形法连接，所述A-线圈、B+ 线圈、C-线圈的尾端线从所述壳体的线槽孔引出。
进一步，所述A+线圈、所述B-线圈、所述C+线圈、所述A-线圈、所述B+线圈、所述C-线圈的表面均采用外表面覆有绝缘导热漆的漆包铜线。
进一步，所述外环形磁铁阵列和所述内环形磁铁阵列将所述移动构件环形包围，且所述外环形磁铁阵列和所述内环形磁铁阵列与所述移动构件同轴心。
本发明的另一目的在于提供一种控制所述双环形磁铁阵列磁悬浮织针驱动装置的双环形磁铁阵列磁悬浮织针驱动装置控制方法，所述双环形磁铁阵列磁悬浮织针驱动装置控制方法包括：
给A-线圈、B+线圈、C-线圈的尾端线分别通入相位角相差120°的交流电，构建正向行波磁场推动移动构件和织针上升，完成编织动作；调换A-线圈、B+ 线圈、C-线圈的尾端线中任意两相的电流形成反向行波磁场推动移动构件和织针下降，完成复位动作。
进一步，所述双环形磁铁阵列磁悬浮织针驱动装置控制方法包括以下步骤：
步骤一，于初始状态时，通过发出浮线编织信号向A-线圈、B+线圈、C-线圈的尾端线分别通入相位角相差120°的交流电，构建正向行波磁场推动移动构件和织针上升，完成浮线动作；
步骤二，根据位置传感器的反馈信号发出成圈编织信号，向A-线圈、B+线圈、C-线圈的尾端线分别通入相位角相差120°的交流电，构建正向行波磁场推动移动构件和织针上升，完成成圈动作；
步骤三，根据位置传感器的反馈信号发出集圈编织信号，向A-线圈、B+线圈、C-线圈的尾端线分别通入相位角相差120°的交流电，构建正向行波磁场推动移动构件和织针上升，完成集圈动作；
步骤四，根据位置传感器的反馈信号发出复位信号，向B+线圈、A-线圈、 C-线圈的尾端线分别通入相位角相差120°的交流电，构建反向行波磁场推动移动构件和织针下降，完成复位动作；
步骤五，重复步骤一至步骤四进行织针的三工位编织。
进一步，所述双环形磁铁阵列磁悬浮织针驱动装置控制方法还包括：
通过调节输入的电流大小和三相交流电的频率调节电磁力的大小和织针移动速度，通过增加移动构件的长度调整织针的轴向上升、下降位移行程范围。
结合上述的技术方案和解决的技术问题，请从以下几方面分析本发明所要保护的技术方案所具备的优点及积极效果为：
第一、针对上述现有技术存在的技术问题以及解决该问题的难度，紧密结合本发明的所要保护的技术方案以及研发过程中结果和数据等，详细、深刻地分析本发明技术方案如何解决的技术问题，解决问题之后带来的一些具备创造性的技术效果。具体描述如下：
本发明提供了一种交替充磁方式的圆筒型磁悬浮织针驱动装置，采用内外双环形磁铁阵列，提高了系统的输出力，显著降低振动和噪声。本发明的圆筒型磁悬浮织针驱动装置，内部留有轴孔，可安装内环形背铁，能够改善绕组区域的径向磁场，削弱轴向磁场，减少磁能损失，提高系统的可靠性、磁场强度和输出力。
本发明采用闭环控制算法进行驱动控制，可以精确地控制磁场大小与方向，使得织针的运动平稳、噪声小、效率高，并且具有高速的动态响应。
第二，把技术方案看做一个整体或者从产品的角度，本发明所要保护的技术方案具备的技术效果和优点，具体描述如下：
本发明双环形磁铁阵列磁悬浮织针驱动装置采用双环形磁铁阵列，能巧妙地将传统的二维磁铁阵列布局扩展到了三维空间模式，交替式的径向、轴向充磁磁铁阵列有两个明显优点：一是增加径向磁通密度，从而提高系统的输出力，二是降低轴向磁通密度，从而显著降低振动和噪声。
附图说明
图1是本发明实施例提供的双环形磁铁阵列磁悬浮织针驱动装置结构示意图；
图2是本发明实施例提供的双环形磁铁阵列的结构示意图；
图3是本发明实施例提供的移动构件示意图；
图4是本发明实施例提供的双环形磁铁阵列磁悬浮织针驱动装置整体结构示意图；
图5是本发明实施例提供的三相绕组结构与双结构示意图；
图6是本发明实施例提供的双环形磁铁阵列磁悬浮织针驱动装置控制方法流程图；
图中：1、织针；2、移动构件；3、外环形磁铁阵列；4、三相线圈绕组；5、壳体；6、线槽孔；7、上端盖；8、内环形磁铁阵列；9、轴孔；10、推杆孔； 11、外环形径向第一磁铁；12、外环形轴向第一磁铁；13、外环形径向第二磁铁；14、外环形轴向第二磁铁；15、外环形径向第三磁铁；16、外环形轴向第三磁铁；17、内环形径向第一磁铁；18、内环形轴向第一磁铁；19、内环形径向第二磁铁；20、内环形轴向第二磁铁；21、内环形径向第三磁铁；22、内环形轴向第三磁铁；23、推杆；24、A+线圈；25、B-线圈；26、C+线圈；27、A- 线圈；28、B+线圈；29、C-线圈；30、线圈座；31、推杆螺纹孔；32、第一线圈座；33、第二线圈座；34、第三线圈座；35、第四线圈座；36、第五线圈座； 37、第六线圈座；38、织针底座。
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。
一、解释说明实施例。为了使本领域技术人员充分了解本发明如何具体实现，该部分是对权利要求技术方案进行展开说明的解释说明实施例。
如图1至图5所示，本发明实施例提供的双环形磁铁阵列磁悬浮织针驱动装置，包括：壳体5、外环形磁铁阵列3、移动构件2、内环形磁铁阵列8、上端盖7和织针1。
本发明实施例提供的壳体5位于双环形磁铁阵列磁悬浮织针驱动装置的最外方。本发明实施例提供的壳体5的制造材料可为陶瓷等无机非金属材料。
本发明实施例提供的壳体5的底部设置有线槽孔6和轴孔9。线圈线从线槽孔6引出与控制系统连接。轴孔9内可选择性安装背铁。本发明实施例提供的轴孔9可选择性的添加内环形背铁，改善绕组区域的径向磁场，削弱轴向磁场，减少磁能损失，提高系统的可靠性、磁场强度和输出力。
本发明实施例提供的壳体5内设置有外环形磁铁阵列3和内环形磁铁阵列8。本发明实施例提供的外环形磁铁阵列3由从下至上依次排列的外环形径向第一磁铁11、外环形轴向第一磁铁12、外环形径向第二磁铁13、外环形轴向第二磁铁14、外环形径向第三磁铁15、外环形轴向第三磁铁16组合而成。
本发明实施例提供的内环形磁铁阵列8由从下至上依次排列的内环形径向第一磁铁17、内环形轴向第一磁铁18、内环形径向第二磁铁19、内环形轴向第二磁铁20、内环形径向第三磁铁21、内环形轴向第三磁铁22组合而成。
本发明实施例提供的外环形磁铁阵列3和内环形磁铁阵列8将移动构件2 环形包围，且与移动构件2同轴心。
本发明实施例提供的移动构件2包括线圈座30和推杆23两部分。
本发明实施例提供的线圈座30上设置有六个线圈槽，缠绕三相线圈绕组4。本发明实施例提供的六个线圈槽分别为：第一线圈座32、第二线圈座33、第三线圈座34、第四线圈座35、第五线圈座36、第六线圈座37。本发明实施例提供的第一线圈座32、第二线圈座33、第三线圈座34、第四线圈座35、第五线圈座36、第六线圈座37上分别缠绕有A+线圈24、B-线圈25、C+线圈26、A- 线圈27、B+线圈28、C-线圈29。A+线圈24以圆柱型缠绕在第一线圈座33上，B-线圈25以圆柱型缠绕在第二线圈座34上；C+线圈26以圆柱型缠绕在第三线圈座35上，A-线圈27以圆柱型缠绕在第四线圈座36上，A-线圈27尾端线与 A+线圈24首端线串接，B+线圈28以圆柱型缠绕在第五线圈座37上，B+线圈 28尾端线与B-线圈25首端线串接，C-线圈29以圆柱型缠绕在第六线圈座38 上，C-线圈29尾端线与C+线圈26首端线串接。
本发明实施例提供的A+线圈24、B-线圈25、C+线圈26的首端线呈星形法连接，A-线圈27、B+线圈28、C-线圈29的尾端线从壳体5的线槽孔6引出接入控制系统。本发明实施例提供的A+线圈24、B-线圈25、C+线圈26、A-线圈 27、B+线圈28、C-线圈29的表面均采用外表面覆有绝缘导热漆的漆包铜线。
本发明实施例提供的推杆23部分穿过上端盖7通过推杆螺纹孔31与织针1 连接，推动织针1运动。本发明实施例提供的织针1由针头、针舌和织针底座 38构成。
本发明实施例提供的推杆23上还固定有织针底座38，织针底座38下方安装有光纤或者拉绳等位置传感器，用于测量位移值。
本发明实施例提供的上端盖7留有推杆孔10和轴孔9，与壳体5构成封闭区域。
本发明实施例提供的双环形磁铁阵列磁悬浮织针驱动装置控制方法包括以下步骤：
S101，于初始状态时，通过发出浮线编织信号向A-线圈、B+线圈、C-线圈的尾端线分别通入相位角相差120°的交流电，构建正向行波磁场推动移动构件和织针上升，完成浮线动作；
S102，根据位置传感器的反馈信号发出成圈编织信号，向A-线圈、B+线圈、C-线圈的尾端线分别通入相位角相差120°的交流电，构建正向行波磁场推动移动构件和织针上升，完成成圈动作；
S103，根据位置传感器的反馈信号发出集圈编织信号，向A-线圈、B+线圈、 C-线圈的尾端线分别通入相位角相差120°的交流电，构建正向行波磁场推动移动构件和织针上升，完成集圈动作；
S104，根据位置传感器的反馈信号发出复位信号，向B+线圈、A-线圈、C- 线圈的尾端线分别通入相位角相差120°的交流电，构建反向行波磁场推动移动构件和织针下降，完成复位动作；
S105，重复步骤S101至步骤S104进行织针的三工位编织。
本发明实施例提供的双环形磁铁阵列磁悬浮织针驱动装置及控制方法，通过调节控制系统输入的电流大小和三相交流电的频率来调节电磁力的大小和织针1移动速度，通过增加移动构件2的长度来调整织针1的轴向上升、下降位移行程范围，通过一种闭环实现系统的电流环和速度环控制。
下面结合具体原理分析对本发明的技术方案作进一步描述。
本发明实施例提供的三相绕组结构与双结构示意图如图5所示，双环形磁铁阵列巧妙地将传统的二维磁铁阵列布局扩展到了三维空间模式，增加径向磁通密度，降低轴向磁通密度，从而提高系统的输出力，并显著降低振动和噪声。
本发明实施例提供的织针闭环控制流程图如图6所示，控制步骤为：对三相线圈绕组进行采样得到Ia，Ib，Ic；将Ia，Ib，Ic经过坐标轴投影变换得到Iα，Iβ；将Iα， Iβ经过旋转矩阵变换得到Iq，Id；计算Iq，Id和其设定值Iq_ref，Id_ref的误差；将上述误差输入两个PI控制器，得到输出的控制电压Uq，Ud；将Uq，Ud进行反坐标轴投影变换得到Uα，Uβ；用Uα，Uβ合成电压空间矢量，输入脉冲调制模块进行调制；驱动织针运动；循环上述步骤。
其中，坐标轴投影变换公式为：
Figure RE-GDA0003874894210000091
旋转矩阵变换公式为：
Figure RE-GDA0003874894210000092
反坐标轴投影变换公式为：
Figure RE-GDA0003874894210000093
应当注意，本发明的实施方式可以通过硬件、软件或者软件和硬件的结合来实现。硬件部分可以利用专用逻辑来实现；软件部分可以存储在存储器中，由适当的指令执行系统，例如微处理器或者专用设计硬件来执行。本领域的普通技术人员可以理解上述的设备和方法可以使用计算机可执行指令和/或包含在处理器控制代码中来实现，例如在诸如磁盘、CD或DVD-ROM的载体介质、诸如只读存储器(固件)的可编程的存储器或者诸如光学或电子信号载体的数据载体上提供了这样的代码。本发明的设备及其模块可以由诸如超大规模集成电路或门阵列、诸如逻辑芯片、晶体管等的半导体、或者诸如现场可编程门阵列、可编程逻辑设备等的可编程硬件设备的硬件电路实现，也可以用由各种类型的处理器执行的软件实现，也可以由上述硬件电路和软件的结合例如固件来实现。
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)

1.一种双环形磁铁阵列磁悬浮织针驱动装置，其特征在于，所述双环形磁铁阵列磁悬浮织针驱动装置设置有：
壳体；
所述壳体内设置有有外环形磁铁阵列和内环形磁铁阵列；所述外环形磁铁阵列由从下至上依次排列的外环形径向第一磁铁、外环形轴向第一磁铁、外环形径向第二磁铁、外环形轴向第二磁铁、外环形径向第三磁铁、外环形轴向第三磁铁组合而成；所述内环形磁铁阵列由从下至上依次排列的内环形径向第一磁铁、内环形轴向第一磁铁、内环形径向第二磁铁、内环形轴向第二磁铁、内环形径向第三磁铁、内环形轴向第三磁铁组合而成；
壳体底部设置有线槽孔和轴孔；所述轴孔内可选择性安装背铁。
2.如权利要求1所述双环形磁铁阵列磁悬浮织针驱动装置，其特征在于，所述壳体上部设置有上端盖；所述上端盖上开设有推杆孔和轴孔；所述上端盖与所述壳体构成封闭区域。
3.如权利要求1所述双环形磁铁阵列磁悬浮织针驱动装置，其特征在于，所述双环形磁铁阵列磁悬浮织针驱动装置还设置有移动构件；
所述移动构件包括推杆和线圈座；所述推杆穿过所述上端盖通过推杆螺纹孔连接有织针；
所述线圈座包括第一线圈座、第二线圈座、第三线圈座、第四线圈座、第五线圈座、第六线圈座共计六个线圈槽；所述第一线圈座、第二线圈座、第三线圈座、第四线圈座、第五线圈座、第六线圈座缠绕三相线圈绕组；
所述第一线圈座、第二线圈座、第三线圈座、第四线圈座、第五线圈座、第六线圈座上分别缠绕有A+线圈、B-线圈、C+线圈、A-线圈、B+线圈、C-线圈。
4.如权利要求3所述双环形磁铁阵列磁悬浮织针驱动装置，其特征在于，所述织针由针头、针舌和织针底座构成。
5.如权利要求4所述双环形磁铁阵列磁悬浮织针驱动装置，其特征在于，所述A+线圈以圆柱型缠绕在所述第一线圈座上，所述B-线圈以圆柱型缠绕在所述第二线圈座上，所述C+线圈以圆柱型缠绕在所述第三线圈座上，所述A-线圈以圆柱型缠绕在所述第四线圈座上；所述A-线圈的尾端线与所述A+线圈的首端线串接；
所述B+线圈以圆柱型缠绕在所述第五线圈座上；所述B+线圈尾端线与所述B-线圈首端线串接；
所述C-线圈以圆柱型缠绕在所述第六线圈座上，所述C-线圈尾端线与所述C+线圈首端线串接；
所述A+线圈、B-线圈、C+线圈的首端线呈星形法连接，所述A-线圈、B+线圈、C-线圈的尾端线从所述壳体的线槽孔引出。
6.如权利要求3所述双环形磁铁阵列磁悬浮织针驱动装置，其特征在于，所述A+线圈、所述B-线圈、所述C+线圈、所述A-线圈、所述B+线圈、所述C-线圈的表面均采用外表面覆有绝缘导热漆的漆包铜线。
7.如权利要求3所述双环形磁铁阵列磁悬浮织针驱动装置，其特征在于，所述外环形磁铁阵列和所述内环形磁铁阵列将所述移动构件环形包围，且所述外环形磁铁阵列和所述内环形磁铁阵列与所述移动构件同轴心。
8.一种控制如权利要求1-7任意一项所述双环形磁铁阵列磁悬浮织针驱动装置的双环形磁铁阵列磁悬浮织针驱动装置控制方法，其特征在于，所述双环形磁铁阵列磁悬浮织针驱动装置控制方法包括：
给A-线圈、B+线圈、C-线圈的尾端线分别通入相位角相差120°的交流电，构建正向行波磁场推动移动构件和织针上升，完成编织动作；调换A-线圈、B+线圈、C-线圈的尾端线中任意两相的电流形成反向行波磁场推动移动构件和织针下降，完成复位动作。
9.如权利要求8所述双环形磁铁阵列磁悬浮织针驱动装置控制方法，其特征在于，所述双环形磁铁阵列磁悬浮织针驱动装置控制方法包括以下步骤：
步骤一，于初始状态时，通过发出浮线编织信号向A-线圈、B+线圈、C-线圈的尾端线分别通入相位角相差120°的交流电，构建正向行波磁场推动移动构件和织针上升，完成浮线动作；
步骤二，根据位置传感器的反馈信号发出成圈编织信号，向A-线圈、B+线圈、C-线圈的尾端线分别通入相位角相差120°的交流电，构建正向行波磁场推动移动构件和织针上升，完成成圈动作；
步骤三，根据位置传感器的反馈信号发出集圈编织信号，向A-线圈、B+线圈、C-线圈的尾端线分别通入相位角相差120°的交流电，构建正向行波磁场推动移动构件和织针上升，完成集圈动作；
步骤四，根据位置传感器的反馈信号发出复位信号，向B+线圈、A-线圈、C-线圈的尾端线分别通入相位角相差120°的交流电，构建反向行波磁场推动移动构件和织针下降，完成复位动作；
步骤五，重复步骤一至步骤四进行织针的三工位编织。
10.如权利要求8所述双环形磁铁阵列磁悬浮织针驱动装置控制方法，其特征在于，所述双环形磁铁阵列磁悬浮织针驱动装置控制方法还包括：
通过调节输入的电流大小和三相交流电的频率调节电磁力的大小和织针移动速度，通过增加移动构件的长度调整织针的轴向上升、下降位移行程范围。
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