高速喷气织机控制系统设计与实现_沈宬筱.pdf
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1、第 51 卷 第 6 期2023 年 6 月Cotton Textile Technology高速喷气织机控制系统设计与实现沈宬筱 李慧敏 何勇(东华大学,上海,201620)摘要:针对国内喷气织机在幅宽和入纬率等性能上的不足,设计开发了一套基于 ARM+FPGA 的高速喷气织机控制系统,使用 FMC(可变存储控制器)并行总线完成两者间数据的传输。根据喷气织机控制系统的功能,利用模块化思想,将整个硬件控制系统分为主控子系统、引纬控制子系统、离合与制动子系统、输入与输出子系统、人机交互子系统和电源子系统,并分别对各子系统进行了设计和制作。根据喷气织机引纬运动时序织造工艺,设计了以引纬控制寄存器和
2、内部存储模块为核心的 FPGA 内部硬件电路。基于 FreeRTOS实时操作系统,利用 Mealy型有限状态机模型,结合主轴时序控制策略,完成了高速织造软件框架设计。最后,在搭建的硬件控制系统模拟试验平台上,对该系统进行测试。结果表明,该控制系统具有稳定性强、运行速度快、抗干扰能力强的特点,能够满足喷气织机公称筘幅 540 cm的高速生产需求。关键词:喷气织机;引纬控制;模块化;电磁阀驱动;嵌入式实时操作系统中图分类号:TS103.7 文献标志码:A 文章编号:1000-7415(2023)06-0061-07Design and implementation of control syste
3、m for high-speed air-jet loomSHEN Chengxiao LI Huimin HE Yong(Donghua University,Shanghai,201620,China)Abstract Aiming at shortcomings of domestic air-jet looms in terms of width and weft insertion rate,a high-speed air-jet loom control system based on ARM+FPGA was designed and developed.The FMC(Fle
4、xible Memory Controller)parallel bus was used to complete the data transmission between the two.According to the function of air-jet loom control system,the whole hardware control system was divided into main control subsystem,weft insertion control subsystem,clutch and brake subsystem,input and out
5、put subsystem,human-computer interaction subsystem and power supply subsystem by using the modular idea.According to the timing weaving process of air-jet loom weft insertion movement,FPGA internal hardware circuit with weft insertion control register and internal storage module as the core was desi
6、gned.Based on FreeRTOS real-time operating system,high-speed weaving software framework was designed by using the Mealy finite state machine model and the spindle timing control strategy.Finally,the system was tested on the hardware control system simulation experimental platform.The results showed
7、that the control system had the characteristics of stronger stability,faster running speed and stronger anti-interference ability,which can meet high-speed production demand of 540 cm nominal reed width of air-jet loom.Key Words air-jet loom,weft insertion control,modularization,solenoid valve drive
8、,embedded real-time operating system喷气织机采用空气引纬方式,最大的特点就是车速快和生产效率高,适用于宽幅织物的织造。随着传感器和控制技术的发展,喷气织机技术不断成熟,优越性不断体现,并在车速、入纬率、稳定性和织物适应性等方面不断提升13。我国喷气织机起步较晚,与日本、德国、意大利等国的喷气织机相比,性能上依旧存在不足45。我国专家学者针对国外喷气织机控制系统进行研究,并对如何有效提升喷气织机性能展开了深入的探索。目前喷气织机的控制系统一般由主控和引纬控制两部分组成。喷气织机的主控控制器常见的选择有 PLC、DSP和单片机。PLC 和 DSP有较强的可靠性,
9、但两者成本较高。而单片机灵活性高,有更好的可移植性,配合实时操作系统,可以更高效地完成复作者简介:沈宬筱(1998),男,在读硕士研究生;李慧敏,通信作者,副教授,收稿日期:2023-01-03】【61第 51 卷 第 6 期2023 年 6 月Cotton Textile Technology杂的任务,性价比更高。因此,本研究使用 ARM作为主控控制器。对于引纬控制,常见方案则有硬件延时电路、单片机和 FPGA 等。硬件延时电路复杂,功能单一,在 PCB 上占用空间较大,不适合宽幅喷气织机引纬。而单片机和 FPGA 则由于其灵活性、性价比高而得到关注。国内的吴岱玮等69完成了基于 ARM 的
10、引纬控制系统的设计和优化,但速度过慢。为了提高引纬速度,于瑞红等1011设计了基于 FPGA 设计的引纬控制系模块。左宇翔12利用 LPC2136 芯片和 FPGA 实现高速引纬,但其研究对象为窄幅喷气织机,无法满足 宽 幅 织 造 需 求。王 藩 等13提 出 了 一 种 基 于ARM 和 CPLD 的喷气织机控制系统,CPLD 协助ARM,以提高处理器运行速度,但其研究对象也是幅宽 190 cm 的窄幅喷气织机,且 ARM 和 FPGA 通讯使用 CAN 通讯无法满足宽幅引纬的高速需求。通过以上分析,针对我国喷气织机硬件控制系统的不足,设计开发了一种基于 ARM+FPGA的高速宽幅喷气织机
11、硬件控制系统,使用 FMC并行总线完成两者间数据的传输,提高传输速度。本系统结合 FreeRTOS 实时操作系统,设计主轴时序控制策略,提高喷气织机的实时控制能力和系统的稳定性。为提高控制系统的运行速度,利用 FPGA 的并行运行能力,设计引纬控制寄存器,实现引纬数据的管理和控制。1 控制系统设计方案根据喷气织机五大运动,梳理各类信号,其中主要包括电子多臂控制信号、主轴控制信号、送经控制信号、卷取控制信号、张力检测信号、断经检测信号、断纬检测信号、频闪仪信号、喷嘴控制信号、通讯信号等。并根据信号关系确定喷气织机控 制 系 统 的 ARM+FPGA 总 体 架 构,如 图 1所示。该控制系统架构
12、结合 ARM 和 FPGA 的优势,不仅有较强的事务管理能力,且可以高速并行处理数据。ARM 作为控制系统的核心,负责协调五大运动、织机运行工艺参数处理和保存、传感器数据接受和处理、电机控制、人机交互实现等多项工作。FPGA 作为系统辅助控制器,主要负责角度检测、引纬喷气阀的控制等。ARM 和 FPGA通过 FMC 总线进行数据交换,两者相互协作能够处理复杂的高速喷气织机控制问题。2 控制系统硬件设计根据喷气织机的织造原理和信号种类,将控制系统硬件部分分为六个子系统:主控子系统、引纬控制子系统、输入与输出子系统、离合与制动子系统、电源子系统和人机交互子系统。对硬件控制系统进行合理的划分,不仅可
13、以对各类运动信号进行分类,便于硬件使用,还可以将不同电压的信号进行隔离,起到抗干扰作用。喷气织机控制系统总体设计方案如图 2所示。2.1主控子系统主控子系统负责对输入信号进行分析与处理,协调织造运动,对喷气织机运行状态进行监控。主控使用 STM32F439 芯片,最高工作频率可达 180 MHz。主控子系统需要有足够的执行空间和存储花纹织造数据的内存空间。考虑到喷气织机控制系统所需的控制算法需要足够的内存空间,采用1 M 的 SRAM 存储芯片。为满足操作系统的共享内存和每个任务的申请内存(至少需要 6 M 的存储空间),采用 8 M 的 SDRAM 存储芯片。织机织造过程中需要存储 10 M
14、 左右的织物织造花纹图 1喷气织机控制系统总体架构框图图 2喷气织机硬件控制系统总体设计方案】【62第 51 卷 第 6 期2023 年 6 月Cotton Textile Technology参数,以及预留 4 M 的代码存储空间,设计中外扩16 M 的 Nor Flash。最后,通过 FMC 总线,完成对外部存储器的读写。为满足主轴、卷取、送经和人机交互等外部设备的控制需求,确定了 CAN、RS232、RS485 等多种通讯方式。此外,为增加通讯接口,在通信模块中使用 XR68C681串口管理模块,将并行总线,扩展成一组四线的 RS485和一组 RS232。2.2引纬控制子系统引纬控制子系
15、统负责完成宽幅织机的引纬运动。根据喷气织机的幅宽,确定其所需要控制的电 磁 阀 数 量,并 选 用 具 有 161 个 I/O 口 的EP3C16Q240C8N 作为引纬控制芯片,满足多信号输入与输出的要求。结合主控子系统的控制信号,利用 FPGA 的时序控制和并行处理能力,在极短时间内,可完成多个任务包括编码器角度计算、引纬参数设定等。引纬控制子系统的硬件设计方案如图 3所示。在图 3 中,电磁阀驱动模块通过驱动二位二通电磁阀驱动开启喷嘴。针对引纬运动高时序控制的需求,设计了高低压电磁阀驱动电路,减少了电磁阀的开启时间,并可保护电磁阀不被烧坏,其中高压开启信号的电压是 48 V,低压保持驱动
16、的电压是 9 V。2.3输入与输出子系统输入与输出子系统负责接收传感器的信号,并驱动相应的执行机构。控制系统可定时利用并行总线,检测每个模块的输入信号。输入信号包括停止信号、提花纬密控制、频闪仪信号、绝对编码器信号等。其中对绝对编码器信号,利用比较器生成主轴角度中断,以此提高控制系统对主轴角度的响应速度和控制系统的实时性。输出信号包括选色信号、综平控制、信号灯控制、储纬器张力控制等。输出信号可根据主轴角度时序响应输出,完成织造动作。2.4离合与制动子系统离合与制动子系统负责输出大电流、高电压的控制信号。该子系统主要可实现倒车齿式离合、慢速离合、主电机离合的驱动。其中慢速离合和高压制动使用 20
17、0 V 直流供电,齿式离合和低压 制 动 使 用 24 V 直 流 供 电。其 驱 动 电 路 的MOSFET 功率器件,需要选择散热器来保证其正常的工作状态。其中散热器热阻公式可用式(1)表示。RS-A=l1.16KsLbn+1-0.152(usL)-0.1 L0.25.12us0.8A(1)式中:Ks表示散热器金属材料导热系数,铝的导热系数为 204.18 W/(K m);us表示散热器风速,无散热器的情况下约为 0.3 m/s;b 表示齿宽;n 表示散热器齿数;l表示齿高;L 表示散热器长。由以上公式选择一款高 45 mm、宽 30 mm 的铝型材散热器。2.5其他子系统(1)人机交互子
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