基于ARM和CPLD的全伺服剑杆织机控制系统的设计

anman

剑杆织机应用现状及原理
　　长期以来，我国纺织机械行业原始创新能力薄弱，导致产品同质化严重，国产高端纺机所占比例很小。剑杆织机作为一种被广泛采用的成熟可靠的机种，其高端市场长期被欧洲和日本品牌占有，如意大利奔达、比利时必佳乐、日本的丰田和津田驹等。加之当前对节能降耗的需求高涨的形势下，永磁同步电机表现出良好的节能特性，因此开发一款采用永磁同步伺服系统取代机械卷取和送经以及异步电机驱动的电控产品，不仅将极大促进纺织装备的技术提升与创新，也在一定程度上响应了国家节能减排的政策。
　　剑杆织机主要由开口机构、引纬机构、打纬机构、送经机构和卷取机构组成。这些机构的运动构成了剑杆织机的五大动作：开口、引纬、打纬、送经和卷取，这五大运动都是以织机主轴转动一圈的时间为一个运动周期，经纱和纬纱在该周期内完成一次交织从而形成织物。织机织造原理如图1所示:

图1织机动作时序图

控制系统总体功能设计
　　剑杆织机控制系统实现织机的整体运动控制，包括主控制器、主轴伺服驱动系统、电子卷送伺服系统、机外卷系统、选纬系统、探纬系统、多臂控制系统、人机界面系统、操作台系统、断经检测系统、油压检测系统。系统总体功能框图如图2所示。

图2控制系统总体功能框图

       主控制器是整个系统的核心，通过CAN通讯和I/O信号控制和协调各子系统的动作，从而组成一个有机体，实现织机的高效运转；
       主轴伺服驱动系统负责控制织机的主要机构动作，驱动打纬、多臂和引纬机构的运动；
       电子卷送伺服系统控制织机的卷取和送经机构，取代了传统机械式传动结构；
       机外卷系统实现对已织造完成的织物的张力卷取控制；　　　　　      
　　选纬系统负责对选纬指的控制，实现纬纱的选择；
       探纬系统负责检测纬纱是否正常，异常状态下及时报警停机；
       多臂控制系统实现对织机开口机构的控制，最多可控制24片综框；        
　　人机界面系统实现人机交互，方便操作人员地进行参数设定和查看；
        操作台系统实现人工对织机操控，负责控制织机不同阶段的动作，主要由挡车工使用；
       断经检测系统负责检测经纱是否断纱，异常状态下及时报警停机。

控制系统的硬件设计
1、处理器选型设计
本次设计对于处理器的选型主要考虑以下几个应用特性：
       通过矢量运算实现对永磁同步电机的精确控制；
      各个控制模块之间的通讯要求；
       高可靠性和控制成本的要求。
　　系统采用基于32位ARM Cortex-M3内核的STM32F103VBT6作为主控芯片，它拥有强大的计算能力，可实现矢量算法，具备专门用于电机控制的高级定时器、高速A/D和较低的CPU占用率，片内资源非常丰富，例如RTC、GPIO、DMA控制器、USART接口、I2C接口、SPI接口和CAN总线接口，还包括20 KB SRAM，128 KB Flash以及一个USB2.0的全速外围设备等。采用ALTERA公司的CPLD EPM240T100实现系统内部各种控制算法与时序逻辑控制，硬件电路为光藕隔离电路，使得整个系统处理速度快、可靠性高、可扩展性强，完全满足高速织机系统快速响应性的要求。基于STM32的控制系统方案如图3所示。

图3基于STM32的控制系统方案

2、主控板设计
　　主控板的所有外部I/O接口均采用光藕隔离设计，以增强系统的抗干扰性和可靠性。外部I/O电平为 24V，输入与输出均为高有效。存储采用不小于8KB容量的EEPROM或Flash。采用USB接口，可方便地实现数据拷贝与传递。多个CAN总线接口，能满足与多个子系统之间的通讯需求。所有接口插头均采用防呆设计。此外主控板还定义了主轴编码器接口、卷取送经伺服控制接口、机外卷伺服控制接口、机外卷主编码器信号接口，这些接口均可兼容电平信号和差分信号。

　　主控板采用CAN总线与主轴伺服系统、电子卷取送经系统、机外卷系统以及显示面板通讯，从而实现主轴伺服和电子卷送伺服的驱动控制。主控板具备增量式编码器信号的输入输出接口，脉冲速率在51.2KHz以上，主轴伺服系统通过该接口获取织机主轴编码器信号，从而带动五大运动在一个周期内实现循环动作。

3、系统电源设计
　　系统电源设计输入AC380V三相五线，通过保护开关分别供给主轴伺服系统（AC380V）、电子卷送伺服系统（AC220V）、机外卷系统（AC220V）、油泵电机（AC380V）、吸风电机（AC380V）、寻纬电机（AC380V）和主控板开关电源（AC220V）。主控制器具备下电检测功能，控制器在下电时会先得到下电信号，之后停机并保存数据。

4、总体硬件设计输出
　　经过一系列模块化设计之后，我们将电箱、系统电源、控制器主控板、人机界面等硬件模块组合起来，就得到了如图4所示的总体硬件设计框图。

图4总体硬件设计框图

控制系统的软件设计
1、控制器软件设计
　　根据操作台按钮信号和外围故障保护信号，控制系统将运行在不同状态，并通过I/O信号协调外部各子系统，以保持与主轴伺服电机运转的实时响应。外部I/O信号包括启动/停止、正/反向寻纬、正/反向慢速、慢速/高速四个输出信号。系统状态分为停机状态、慢速状态、寻纬状态、启动运行状态。

　　我们采用量子状态机进行事件管理，将织机控制器软件实现的功能分为8个活动对象，按在状态机中的优先级分为：花形、控制器、MODBUS、CAN接收、错误、按键、CAN通讯发送数据、EEPROM和相应的中断，各活动对象之间通过消息进行通讯，由控制器主逻辑程序负责总体的协调与控制。

2、人机界面软件设计
　　人机界面能方便操作员设置和查看各个子系统的参数，触摸按钮输入，故障界面可单独显示，能对历史故障和当前故障列表查询。HMI界面划分操作等级，针对不同级别的人员开放不同的使用权限，安全性高，保密性强，能有效降低人为对系统的误操作，操作等级划分如下：
      挡车工：可查看普通参数、运行参数、生产管理参数等；
       机修工：可查看普通参数、运行参数、生产管理参数等；可设置运行参数、管理参数、设备参数等；
       设计人员：可设置内部参数、监控内部状态、可恢复出厂设置等。

图５控制系统人机界面

结束语
　　基于ARM和CPLD的架构，采用Cortex-M3内核的STM32芯片，硬件电路采用光藕隔离设计，主控板与各子模块之间采用CAN通讯，软件采用量子状态机进行事件管理，使得织机控制系统的可扩展性、维护性和容错性明显提升。卷取、送经、主轴传动均采用伺服系统，显著提高了控制精度，使得布匹品质大大提升，同时还克服了传统机械传动结构的缺点，使得安装维护方便、节能效果明显。目前装有该控制系统的剑杆织机达到550rpm以上的转速。