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      活動鏈接：2012年控制網技術專題---控制系統新時代   

    摘要：本文闡述了一種新穎、先進的采用永磁同步伺服電機驅動的劍桿織機控制系統的設計思路與方法。控制器采用ARM和CPLD的架構，處理器采用基于Cortex-M3內核的STM32芯片，硬件電路采用光藕隔離設計，主控板與各子模塊之間采用CAN通訊，使得整個系統處理速度快、可靠性高、可擴展性強。該控制器與伺服系統及永磁同步伺服電機相結合，顯著提高了控制精度，使得布匹品質大大提升。經實驗證明，整個系統具有低能耗、易控制、故障率低等優點。

   關鍵詞：劍桿織機；控制系統；伺服系統；永磁同步電機；ARM；CPLD；CAN

   1 引言

   長期以來，我國紡織機械行業原始創新能力薄弱，導致產品同質化嚴重，國產高端紡機所占比例很小。劍桿織機作為一種被廣泛采用的成熟可靠的機種，其高端市場長期被歐洲和日本品牌占有，如意大利奔達、比利時必佳樂、日本的豐田和津田駒等。加之當前對節能降耗的需求高漲，永磁同步電機表現出良好的節能特性，因此開發一款采用永磁同步伺服系統取代機械卷取和送經以及異步電機驅動的電控產品，不僅將極大促進紡織裝備的技術提升與創新，也在一定程度上響應了國家節能減排的政策。

    2 織機工作原理

   劍桿織機主要由開口機構、引緯機構、打緯機構、送經機構和卷取機構組成。這些機構的運動構成了劍桿織機的五大動作：開口、引緯、打緯、送經和卷取，這五大運動都是以織機主軸轉動一圈的時間為一個運動周期，經紗和緯紗在該周期內完成一次交織從而形成織物。織機織造原理如圖1所示。
  
                      

                                       圖1 織機動作時序圖  

   3 控制系統總體功能設計

    劍桿織機控制系統實現織機的整體運動控制，包括主控制器、主軸伺服驅動系統、電子卷送伺服系統、機外卷系統、選緯系統、探緯系統、多臂控制系統、人機界面系統、操作臺系統、斷經檢測系統、油壓檢測系統。系統總體功能框圖如圖2所示。

     1>主控制器是整個系統的核心，通過CAN通訊和I/O信號控制和協調各子系統的動作，從而組成一個有機體，實現織機的高效運轉；

     2>主軸伺服驅動系統負責控制織機的主要機構動作，驅動打緯、多臂和引緯機構的運動；
 
     3>電子卷送伺服系統控制織機的卷取和送經機構，取代了傳統機械式傳動結構；

    4> 機外卷系統實現對已織造完成的織物的張力卷取控制；

    5>選緯系統負責對選緯指的控制，實現緯紗的選擇；
 
    6>探緯系統負責檢測緯紗是否正常，異常狀態下及時報警停機；
 
    7>多臂控制系統實現對織機開口機構的控制，最多可控制24片綜框；
 
    8>  人機界面系統實現人機交互，方便操作人員進行參數設定和查看；
 
    9>  操作臺系統實現人工對織機操控，負責控制織機不同階段的動作，主要由擋車工使用；
    
   10>  斷經檢測系統負責檢測經紗是否斷紗，異常狀態下及時報警停機。 
  

                      

                              圖2 控制系統總體功能框  

   4 控制系統的硬件設計

   4.1 處理器選型設計

   本次設計對于處理器的選型主要考慮以下幾個應用特性：

    1>通過矢量運算實現對永磁同步電機的精確控制；

    2>各個控制模塊之間的通訊要求；

    3>高可靠性和控制成本的要求。

   系統采用基于32位ARM Cortex-M3內核的STM32F103VBT6作為主控芯片，它擁有強大的計算能力，可實現矢量算法，具備專門用于電機控制的高級定時器、高速A/D和較低的CPU占用率，片內資源非常豐富，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USB2.0的全速外圍設備等。采用ALTERA公司的CPLD EPM240T100實現系統內部各種控制算法與時序邏輯控制，硬件電路為光藕隔離電路，使得整個系統處理速度快、可靠性高、可擴展性強，完全滿足高速織機系統快速響應性的要求。基于STM32的控制系統方案如圖3所示。
  
                       

                           圖3 基于STM32的控制系統方案  

   4.2 主控板設計

   主控板的所有外部I/O接口均采用光藕隔離設計，以增強系統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。存儲采用不小于8KB容量的EEPROM或Flash。采用USB接口，可方便地實現數據拷貝與傳遞。多個CAN總線接口，能滿足與多個子系統之間的通訊需求。所有接口插頭均采用防呆設計。此外主控板還定義了主軸編碼器接口、卷取送經伺服控制接口、機外卷伺服控制接口、機外卷主編碼器信號接口，這些接口均可兼容電平信號和差分信號。

   主控板采用CAN圖2 控制系統總體功能框圖總線與主軸伺服系統、電子卷取送經系統、機外卷系統以及顯示面板通訊，從而實現主軸伺服和電子卷送伺服的驅動控制。主控板具備增量式編碼器信號的輸入輸出接口，脈沖速率在51.2KHz以上，主軸伺服系統通過該接口獲取織機主軸編碼器信號，從而帶動五大運動在一個周期內實現循環動作。

    4.3 系統電源設計

   系統電源設計輸入AC380V三相五線，通過保護開關分別供給主軸伺服系統（AC380V）、電子卷送伺服系統（AC220V）、機外卷系統（AC220V）、油泵電機（AC380V）、吸風電機（AC380V）、尋緯電機（AC380V）和主控板開關電源（AC220V）。主控制器具備下電檢測功能，控制器在下電時會先得到下電信號，之后停機并保存數據。

   4.4 總體硬件設計輸出

   經過一系列模塊化設計之后，我們將電箱、系統電源、控制器主控板、人機界面等硬件模塊組合起來，就得到了如圖4所示的總體硬件設計框圖。
  
                      
                                       圖4 總體硬件設計框圖  
 
   5 控制系統的軟件設計

   5.1 控制器軟件設計

   根據操作臺按鈕信號和外圍故障保護信號，控制系統將運行在不同狀態，并通過I/O信號協調外部各子系統，以保持與主軸伺服電機運轉的實時響應。外部I/O信號包括啟動/停止、正/反向尋緯、正/反向慢速、慢速/高速四個輸出信號。系統狀態分為停機狀態、慢速狀態、尋緯狀態、啟動運行狀態。系統狀態圖如圖5所示。
      
                 
                           圖5   系統狀態圖

   采用量子狀態機進行事件管理，將織機控制器軟件實現的功能分為8個活動對象，按在狀態機中的優先級分為：花形、控制器、MODBUS、CAN接收、錯誤、按鍵、CAN通訊發送數據、EEPROM和相應的中斷，各活動對象之間通過消息進行通訊，由控制器主邏輯程序負責總體的協調與控制。

   5.2 人機界面軟件設計

   人機界面能方便操作員設置和查看各個子系統的參數，觸摸按鈕輸入，故障界面可單獨顯示，能對歷史故障和當前故障列表查詢。HMI界面劃分操作等級，針對不同級別的人員開放不同的使用權限，安全性高、保密性強，能有效降低人為對系統的誤操作，操作等級劃分如下：

    1>擋車工：可查看普通參數、運行參數、生產管理參數等；

    2>機修工：可查看普通參數、運行參數、生產管理參數等。可設置運行參數、管理參數、設備參數等；

    3>設計人員：可設置內部參數、監控內部狀態、可恢復出廠設置等。
    
   6 結束語

   基于ARM和CPLD的架構，采用Cortex-M3內核的STM32芯片，硬件電路采用光藕隔離設計，主控板與各子模塊之間采用CAN通訊，軟件采用量子狀態機進行事件管理，使得織機控制系統的可擴展性、維護性和容錯性明顯提升。卷取、送經、主軸傳動均采用伺服系統，顯著提高了控制精度，使得布匹品質大大提升；同時還克服了傳統機械傳動結構的缺點，使得安裝維護方便、節能效果明顯。目前裝有該控制系統的劍桿織機達到550rpm以上的轉速。

   參考文獻

   [1](美)Miro Samek Ph.D.嵌入式系統的微模塊化程序設計-實用狀態圖C/C++實現[M].北京:北京航空航天大學出版社,2004.

     [2]應騰云.基于多處理器的劍桿織機控制系統[D].浙江:浙江大學,2010.

    黃碩存（1985-） 

   男，江西人，工程碩士研究生，現就職于上海御能動力科技有限公司，研究方向為工業自動化。 

   摘自《自動化博覽》2012年第二期