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      活動(dòng)鏈接：2012年控制網(wǎng)技術(shù)專題---控制系統(tǒng)新時(shí)代   

    摘要：本文闡述了一種新穎、先進(jìn)的采用永磁同步伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)的劍桿織機(jī)控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)思路與方法。控制器采用ARM和CPLD的架構(gòu)，處理器采用基于Cortex-M3內(nèi)核的STM32芯片，硬件電路采用光藕隔離設(shè)計(jì)，主控板與各子模塊之間采用CAN通訊，使得整個(gè)系統(tǒng)處理速度快、可靠性高、可擴(kuò)展性強(qiáng)。該控制器與伺服系統(tǒng)及永磁同步伺服電機(jī)相結(jié)合，顯著提高了控制精度，使得布匹品質(zhì)大大提升。經(jīng)實(shí)驗(yàn)證明，整個(gè)系統(tǒng)具有低能耗、易控制、故障率低等優(yōu)點(diǎn)。

   關(guān)鍵詞：劍桿織機(jī)；控制系統(tǒng)；伺服系統(tǒng)；永磁同步電機(jī)；ARM；CPLD；CAN

   1 引言

   長(zhǎng)期以來(lái)，我國(guó)紡織機(jī)械行業(yè)原始創(chuàng)新能力薄弱，導(dǎo)致產(chǎn)品同質(zhì)化嚴(yán)重，國(guó)產(chǎn)高端紡機(jī)所占比例很小。劍桿織機(jī)作為一種被廣泛采用的成熟可靠的機(jī)種，其高端市場(chǎng)長(zhǎng)期被歐洲和日本品牌占有，如意大利奔達(dá)、比利時(shí)必佳樂(lè)、日本的豐田和津田駒等。加之當(dāng)前對(duì)節(jié)能降耗的需求高漲，永磁同步電機(jī)表現(xiàn)出良好的節(jié)能特性，因此開(kāi)發(fā)一款采用永磁同步伺服系統(tǒng)取代機(jī)械卷取和送經(jīng)以及異步電機(jī)驅(qū)動(dòng)的電控產(chǎn)品，不僅將極大促進(jìn)紡織裝備的技術(shù)提升與創(chuàng)新，也在一定程度上響應(yīng)了國(guó)家節(jié)能減排的政策。

    2 織機(jī)工作原理

   劍桿織機(jī)主要由開(kāi)口機(jī)構(gòu)、引緯機(jī)構(gòu)、打緯機(jī)構(gòu)、送經(jīng)機(jī)構(gòu)和卷取機(jī)構(gòu)組成。這些機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)構(gòu)成了劍桿織機(jī)的五大動(dòng)作：開(kāi)口、引緯、打緯、送經(jīng)和卷取，這五大運(yùn)動(dòng)都是以織機(jī)主軸轉(zhuǎn)動(dòng)一圈的時(shí)間為一個(gè)運(yùn)動(dòng)周期，經(jīng)紗和緯紗在該周期內(nèi)完成一次交織從而形成織物。織機(jī)織造原理如圖1所示。
  
                      

                                       圖1 織機(jī)動(dòng)作時(shí)序圖  

   3 控制系統(tǒng)總體功能設(shè)計(jì)

    劍桿織機(jī)控制系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)織機(jī)的整體運(yùn)動(dòng)控制，包括主控制器、主軸伺服驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)、電子卷送伺服系統(tǒng)、機(jī)外卷系統(tǒng)、選緯系統(tǒng)、探緯系統(tǒng)、多臂控制系統(tǒng)、人機(jī)界面系統(tǒng)、操作臺(tái)系統(tǒng)、斷經(jīng)檢測(cè)系統(tǒng)、油壓檢測(cè)系統(tǒng)。系統(tǒng)總體功能框圖如圖2所示。

     1>主控制器是整個(gè)系統(tǒng)的核心，通過(guò)CAN通訊和I/O信號(hào)控制和協(xié)調(diào)各子系統(tǒng)的動(dòng)作，從而組成一個(gè)有機(jī)體，實(shí)現(xiàn)織機(jī)的高效運(yùn)轉(zhuǎn)；

     2>主軸伺服驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)負(fù)責(zé)控制織機(jī)的主要機(jī)構(gòu)動(dòng)作，驅(qū)動(dòng)打緯、多臂和引緯機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)；
 
     3>電子卷送伺服系統(tǒng)控制織機(jī)的卷取和送經(jīng)機(jī)構(gòu)，取代了傳統(tǒng)機(jī)械式傳動(dòng)結(jié)構(gòu)；

    4> 機(jī)外卷系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)對(duì)已織造完成的織物的張力卷取控制；

    5>選緯系統(tǒng)負(fù)責(zé)對(duì)選緯指的控制，實(shí)現(xiàn)緯紗的選擇；
 
    6>探緯系統(tǒng)負(fù)責(zé)檢測(cè)緯紗是否正常，異常狀態(tài)下及時(shí)報(bào)警停機(jī)；
 
    7>多臂控制系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)對(duì)織機(jī)開(kāi)口機(jī)構(gòu)的控制，最多可控制24片綜框；
 
    8>  人機(jī)界面系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)人機(jī)交互，方便操作人員進(jìn)行參數(shù)設(shè)定和查看；
 
    9>  操作臺(tái)系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)人工對(duì)織機(jī)操控，負(fù)責(zé)控制織機(jī)不同階段的動(dòng)作，主要由擋車工使用；
    
   10>  斷經(jīng)檢測(cè)系統(tǒng)負(fù)責(zé)檢測(cè)經(jīng)紗是否斷紗，異常狀態(tài)下及時(shí)報(bào)警停機(jī)。 
  

                      

                              圖2 控制系統(tǒng)總體功能框  

   4 控制系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)

   4.1 處理器選型設(shè)計(jì)

   本次設(shè)計(jì)對(duì)于處理器的選型主要考慮以下幾個(gè)應(yīng)用特性：

    1>通過(guò)矢量運(yùn)算實(shí)現(xiàn)對(duì)永磁同步電機(jī)的精確控制；

    2>各個(gè)控制模塊之間的通訊要求；

    3>高可靠性和控制成本的要求。

   系統(tǒng)采用基于32位ARM Cortex-M3內(nèi)核的STM32F103VBT6作為主控芯片，它擁有強(qiáng)大的計(jì)算能力，可實(shí)現(xiàn)矢量算法，具備專門用于電機(jī)控制的高級(jí)定時(shí)器、高速A/D和較低的CPU占用率，片內(nèi)資源非常豐富，例如RTC、GPIO、DMA控制器、USART接口、I2C接口、SPI接口和CAN總線接口，還包括20KBSRAM，128KB Flash以及一個(gè)USB2.0的全速外圍設(shè)備等。采用ALTERA公司的CPLD EPM240T100實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)內(nèi)部各種控制算法與時(shí)序邏輯控制，硬件電路為光藕隔離電路，使得整個(gè)系統(tǒng)處理速度快、可靠性高、可擴(kuò)展性強(qiáng)，完全滿足高速織機(jī)系統(tǒng)快速響應(yīng)性的要求。基于STM32的控制系統(tǒng)方案如圖3所示。
  
                       

                           圖3 基于STM32的控制系統(tǒng)方案  

   4.2 主控板設(shè)計(jì)

   主控板的所有外部I/O接口均采用光藕隔離設(shè)計(jì)，以增強(qiáng)系統(tǒng)的抗干擾性和可靠性。外部I/O電平為 24V，輸入與輸出均為高有效。存儲(chǔ)采用不小于8KB容量的EEPROM或Flash。采用USB接口，可方便地實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)拷貝與傳遞。多個(gè)CAN總線接口，能滿足與多個(gè)子系統(tǒng)之間的通訊需求。所有接口插頭均采用防呆設(shè)計(jì)。此外主控板還定義了主軸編碼器接口、卷取送經(jīng)伺服控制接口、機(jī)外卷伺服控制接口、機(jī)外卷主編碼器信號(hào)接口，這些接口均可兼容電平信號(hào)和差分信號(hào)。

   主控板采用CAN圖2 控制系統(tǒng)總體功能框圖總線與主軸伺服系統(tǒng)、電子卷取送經(jīng)系統(tǒng)、機(jī)外卷系統(tǒng)以及顯示面板通訊，從而實(shí)現(xiàn)主軸伺服和電子卷送伺服的驅(qū)動(dòng)控制。主控板具備增量式編碼器信號(hào)的輸入輸出接口，脈沖速率在51.2KHz以上，主軸伺服系統(tǒng)通過(guò)該接口獲取織機(jī)主軸編碼器信號(hào)，從而帶動(dòng)五大運(yùn)動(dòng)在一個(gè)周期內(nèi)實(shí)現(xiàn)循環(huán)動(dòng)作。

    4.3 系統(tǒng)電源設(shè)計(jì)

   系統(tǒng)電源設(shè)計(jì)輸入AC380V三相五線，通過(guò)保護(hù)開(kāi)關(guān)分別供給主軸伺服系統(tǒng)（AC380V）、電子卷送伺服系統(tǒng)（AC220V）、機(jī)外卷系統(tǒng)（AC220V）、油泵電機(jī)（AC380V）、吸風(fēng)電機(jī)（AC380V）、尋緯電機(jī)（AC380V）和主控板開(kāi)關(guān)電源（AC220V）。主控制器具備下電檢測(cè)功能，控制器在下電時(shí)會(huì)先得到下電信號(hào)，之后停機(jī)并保存數(shù)據(jù)。

   4.4 總體硬件設(shè)計(jì)輸出

   經(jīng)過(guò)一系列模塊化設(shè)計(jì)之后，我們將電箱、系統(tǒng)電源、控制器主控板、人機(jī)界面等硬件模塊組合起來(lái)，就得到了如圖4所示的總體硬件設(shè)計(jì)框圖。
  
                      
                                       圖4 總體硬件設(shè)計(jì)框圖  
 
   5 控制系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)

   5.1 控制器軟件設(shè)計(jì)

   根據(jù)操作臺(tái)按鈕信號(hào)和外圍故障保護(hù)信號(hào)，控制系統(tǒng)將運(yùn)行在不同狀態(tài)，并通過(guò)I/O信號(hào)協(xié)調(diào)外部各子系統(tǒng)，以保持與主軸伺服電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)的實(shí)時(shí)響應(yīng)。外部I/O信號(hào)包括啟動(dòng)/停止、正/反向?qū)ぞ暋⒄?反向慢速、慢速/高速四個(gè)輸出信號(hào)。系統(tǒng)狀態(tài)分為停機(jī)狀態(tài)、慢速狀態(tài)、尋緯狀態(tài)、啟動(dòng)運(yùn)行狀態(tài)。系統(tǒng)狀態(tài)圖如圖5所示。
      
                 
                           圖5   系統(tǒng)狀態(tài)圖

   采用量子狀態(tài)機(jī)進(jìn)行事件管理，將織機(jī)控制器軟件實(shí)現(xiàn)的功能分為8個(gè)活動(dòng)對(duì)象，按在狀態(tài)機(jī)中的優(yōu)先級(jí)分為：花形、控制器、MODBUS、CAN接收、錯(cuò)誤、按鍵、CAN通訊發(fā)送數(shù)據(jù)、EEPROM和相應(yīng)的中斷，各活動(dòng)對(duì)象之間通過(guò)消息進(jìn)行通訊，由控制器主邏輯程序負(fù)責(zé)總體的協(xié)調(diào)與控制。

   5.2 人機(jī)界面軟件設(shè)計(jì)

   人機(jī)界面能方便操作員設(shè)置和查看各個(gè)子系統(tǒng)的參數(shù)，觸摸按鈕輸入，故障界面可單獨(dú)顯示，能對(duì)歷史故障和當(dāng)前故障列表查詢。HMI界面劃分操作等級(jí)，針對(duì)不同級(jí)別的人員開(kāi)放不同的使用權(quán)限，安全性高、保密性強(qiáng)，能有效降低人為對(duì)系統(tǒng)的誤操作，操作等級(jí)劃分如下：

    1>擋車工：可查看普通參數(shù)、運(yùn)行參數(shù)、生產(chǎn)管理參數(shù)等；

    2>機(jī)修工：可查看普通參數(shù)、運(yùn)行參數(shù)、生產(chǎn)管理參數(shù)等。可設(shè)置運(yùn)行參數(shù)、管理參數(shù)、設(shè)備參數(shù)等；

    3>設(shè)計(jì)人員：可設(shè)置內(nèi)部參數(shù)、監(jiān)控內(nèi)部狀態(tài)、可恢復(fù)出廠設(shè)置等。
    
   6 結(jié)束語(yǔ)

   基于ARM和CPLD的架構(gòu)，采用Cortex-M3內(nèi)核的STM32芯片，硬件電路采用光藕隔離設(shè)計(jì)，主控板與各子模塊之間采用CAN通訊，軟件采用量子狀態(tài)機(jī)進(jìn)行事件管理，使得織機(jī)控制系統(tǒng)的可擴(kuò)展性、維護(hù)性和容錯(cuò)性明顯提升。卷取、送經(jīng)、主軸傳動(dòng)均采用伺服系統(tǒng)，顯著提高了控制精度，使得布匹品質(zhì)大大提升；同時(shí)還克服了傳統(tǒng)機(jī)械傳動(dòng)結(jié)構(gòu)的缺點(diǎn)，使得安裝維護(hù)方便、節(jié)能效果明顯。目前裝有該控制系統(tǒng)的劍桿織機(jī)達(dá)到550rpm以上的轉(zhuǎn)速。

   參考文獻(xiàn)

   [1](美)Miro Samek Ph.D.嵌入式系統(tǒng)的微模塊化程序設(shè)計(jì)-實(shí)用狀態(tài)圖C/C++實(shí)現(xiàn)[M].北京:北京航空航天大學(xué)出版社,2004.

     [2]應(yīng)騰云.基于多處理器的劍桿織機(jī)控制系統(tǒng)[D].浙江:浙江大學(xué),2010.

    黃碩存（1985-） 

   男，江西人，工程碩士研究生，現(xiàn)就職于上海御能動(dòng)力科技有限公司，研究方向?yàn)楣I(yè)自動(dòng)化。 

   摘自《自動(dòng)化博覽》2012年第二期