基于ARM和CPLD的二次變速送經(jīng)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

劉楊麗娟，袁建暢，沈丹峰

（西安工程大學(xué) 機(jī)電工程學(xué)院，西安 710048）

基于ARM和CPLD的二次變速送經(jīng)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

劉楊麗娟，袁建暢，沈丹峰

（西安工程大學(xué) 機(jī)電工程學(xué)院，西安 710048）

針對目前國內(nèi)織機(jī)電子送經(jīng)控制系統(tǒng)中經(jīng)紗張力控制不足的問題，提出了一種基于ARM和CPLD的二次變速送經(jīng)系統(tǒng).該系統(tǒng)采用32位嵌入式微處理器和CPLD硬件處理構(gòu)架對送經(jīng)裝置實(shí)施3重負(fù)反饋閉環(huán)控制，并采用PI控制算法進(jìn)行經(jīng)紗張力控制，使織機(jī)得以快速平穩(wěn)地運(yùn)行，從而織機(jī)斷經(jīng)率得以下降.

ARM；CPLD；二次變速送經(jīng)

送經(jīng)裝置是現(xiàn)代織機(jī)中的重要部件，它的作用是將卷繞在織軸上的經(jīng)紗按照織造要求送出，用于經(jīng)緯紗交織.經(jīng)紗張力在織造過程中會(huì)發(fā)生周期性的較大幅度的變化，造成經(jīng)紗的脆斷，因此，對送經(jīng)系統(tǒng)的研究有助于改善織機(jī)的可織造范圍.電子送經(jīng)控制系統(tǒng)是將傳感器檢測的經(jīng)紗張力變化信息加以集中、儲(chǔ)存和處理，并按一定程序發(fā)出各種指令，指揮和控制整個(gè)系統(tǒng)的運(yùn)行，目的在于保持織機(jī)經(jīng)紗張力的基本恒定.早期的電子送經(jīng)裝置的控制系統(tǒng)有模擬電路、模擬數(shù)字混合電路和數(shù)字電路3種型式.模擬電路速度快，但精度低，缺乏邏輯判斷功能及信息存儲(chǔ)功能，自動(dòng)化程度低.數(shù)字電路精度高、邏輯判斷功能強(qiáng)、參數(shù)設(shè)置比較方便.隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，織機(jī)電子送經(jīng)控制系統(tǒng)已向微機(jī)控制的數(shù)字電路發(fā)展.目前，國內(nèi)外的電子送經(jīng)控制系統(tǒng)都采用單片機(jī)控制[1].送經(jīng)速度的調(diào)整是送經(jīng)控制系統(tǒng)的核心，在早期的送經(jīng)系統(tǒng)中，由于織機(jī)速度較低，并且采用的是接近開關(guān)來檢測張力，張力的波動(dòng)檢測時(shí)間間隔較長，因此在采用PID控制方法時(shí)，實(shí)際控制精度并不高.在現(xiàn)代的噴氣織機(jī)中采用了張力傳感器后控制精度有了質(zhì)的提高，考慮到高速動(dòng)態(tài)調(diào)整，因此需要對送經(jīng)系統(tǒng)進(jìn)行建模.目前國際上采用較多的是PI控制方法，對一轉(zhuǎn)之內(nèi)的短片段張力不勻的調(diào)整采用比例控制，對一個(gè)組織循環(huán)內(nèi)的張力偏差采用積分控制.目前商業(yè)化的織機(jī)送經(jīng)系統(tǒng)采用的都是單次變速控制方式，其工作機(jī)理是織機(jī)主軸轉(zhuǎn)一轉(zhuǎn)送經(jīng)速度調(diào)整一次.眾所周知，織機(jī)主軸一轉(zhuǎn)以內(nèi)存在開口和打緯運(yùn)動(dòng)，在此過程中經(jīng)紗的張力是變化的.為了勻整張力，本文設(shè)計(jì)的系統(tǒng)采用二次變速送經(jīng)方式，使得經(jīng)紗張力的波動(dòng)范圍控制在較小的數(shù)值內(nèi).

1 系統(tǒng)工作原理

電子送經(jīng)系統(tǒng)一般包括經(jīng)紗張力感應(yīng)系統(tǒng)、控制系統(tǒng)和經(jīng)軸驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)3部分.織機(jī)在運(yùn)行過程中，經(jīng)紗張力在主軸一轉(zhuǎn)內(nèi)變化較大，滿開時(shí)張力最大，閉合時(shí)張力最小.本文提出：在主軸一轉(zhuǎn)以內(nèi)，對轉(zhuǎn)速進(jìn)行二次調(diào)整，使得織機(jī)在從滿開到閉合的180°內(nèi)送經(jīng)速度減小，從而減緩過大的經(jīng)紗張力變化；使得織機(jī)在從閉合到滿開的180°內(nèi)增大送經(jīng)速度，從而減小經(jīng)紗張力峰值.圖1為系統(tǒng)原理圖.本系統(tǒng)采用32位嵌入式微處理器，聯(lián)用CPLD硬件處理構(gòu)架對送經(jīng)裝置實(shí)施閉環(huán)控制[2]，保證能夠較快地實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)處理，使織機(jī)得以快速平穩(wěn)地運(yùn)行.

該送經(jīng)機(jī)構(gòu)控制系統(tǒng)，采用了3重負(fù)反饋閉環(huán)控制：①第1反饋環(huán)為伺服電機(jī)速度控制，將送經(jīng)控制板輸出的伺服電機(jī)轉(zhuǎn)速與測速發(fā)電機(jī)測得的電機(jī)實(shí)際轉(zhuǎn)速進(jìn)行比較，根據(jù)其差值信號(hào)經(jīng)伺服放大器調(diào)整電機(jī)的轉(zhuǎn)速偏差，確保伺服電機(jī)按照設(shè)定的轉(zhuǎn)速運(yùn)轉(zhuǎn).②第2反饋環(huán)為送經(jīng)量控制，由軸編碼器檢測伺服電機(jī)的實(shí)際回轉(zhuǎn)角度，經(jīng)送經(jīng)量換算后，折合成實(shí)際的送經(jīng)量值（由計(jì)算機(jī)根據(jù)電機(jī)轉(zhuǎn)角和織軸當(dāng)前直徑及傳動(dòng)比折算），與根據(jù)織物密度計(jì)算所得的給定送經(jīng)量進(jìn)行比較，根據(jù)偏差控制送經(jīng)電機(jī)的啟停.③第3反饋環(huán)為經(jīng)紗張力控制，經(jīng)紗張力傳感器輸出與后梁載荷相對應(yīng)的信號(hào)，并與預(yù)先設(shè)定的張力給定值進(jìn)行比較，根據(jù)張力偏差調(diào)節(jié)送經(jīng)電機(jī)的啟?；蜣D(zhuǎn)速，保持經(jīng)紗張力恒定.

2 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

2.1 I/O口的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換部分設(shè)計(jì)

采用CPLD作為高速響應(yīng)的邏輯器件，作為中斷信號(hào)擴(kuò)展并進(jìn)行I/O口的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換，并且實(shí)現(xiàn)液晶顯示功能.本文選用Altera公司的CPLDEPM3128A，該器件具有2 500個(gè)可用門、128個(gè)宏單元和96個(gè)用戶I/O引腳，采用3.3 V CMOS工藝，具有5 V容限輸入.應(yīng)用QuartusⅡ開發(fā)平臺(tái)，在圖形編輯器中完成所需設(shè)計(jì).CPLD控制電路圖如圖2所示.

織機(jī)的主軸0°信號(hào)、運(yùn)轉(zhuǎn)信號(hào)、慢動(dòng)正轉(zhuǎn)、逆轉(zhuǎn)、停車等外部信號(hào)通過CPLD，以中斷方式傳遞給ARM.如果上述信號(hào)同時(shí)發(fā)生，則采取優(yōu)先編碼方式，確保停車信號(hào)優(yōu)先處理.由于CPLD富裕較多端口，因此內(nèi)部集成了液晶顯示處理模塊.仿真圖如圖3所示.

2.2 中心處理器的設(shè)計(jì)

采用高性能的微處理器 ARM7作為處理器. ARM7TDMI-S是一個(gè)通用的高性能、低功耗的32位微處理器，其結(jié)構(gòu)是基于精簡指令集計(jì)算機(jī)（RISC）原理而設(shè)計(jì)的，指令集和相關(guān)的譯碼機(jī)制比復(fù)雜指令集計(jì)算機(jī)要簡單得多，使用一個(gè)小的、廉價(jià)的處理器核就可實(shí)現(xiàn)很高的指令吞吐量和實(shí)時(shí)的中斷響應(yīng).由于使用了流水線技術(shù)，處理和存儲(chǔ)系統(tǒng)的所有部分都可連續(xù)工作.通常在執(zhí)行一條指令的同時(shí)對下一條指令進(jìn)行譯碼，并將第3條指令從存儲(chǔ)器中取出.管腳可以動(dòng)態(tài)配置為輸入或輸出.寄存器可以同時(shí)對任意個(gè)輸出口進(jìn)行置位或清零.輸出寄存器的值以及管腳的當(dāng)前狀態(tài)都可以讀出.

3 控制算法

采用PID控制器是最早發(fā)展起來的控制策略之一，但控制精度不高.目前PI算法日趨成熟[3]，因?yàn)檫@種控制具有簡單的控制結(jié)構(gòu)，在實(shí)際應(yīng)用中又較易于整定，所以它在工業(yè)過程控制中有著最廣泛的應(yīng)用.PI控制易于實(shí)現(xiàn)，參數(shù)調(diào)節(jié)方便，可以滿足經(jīng)紗張力控制的要求，因此在經(jīng)紗張力控制中選擇PI算法.

為保證送經(jīng)長度一致，通過對主軸編碼器的0°信號(hào)計(jì)數(shù)得到在不同卷徑條件下的伺服電機(jī)轉(zhuǎn)速n（r/ min）為：

式中：N1、N2為增益；X′1為當(dāng)前一轉(zhuǎn)的修正張力偏差和；Y為組織循環(huán)數(shù)的張力偏差和；N0為送經(jīng)電機(jī)轉(zhuǎn)速（r/min）.

式中：i為送經(jīng)減速比；X3為主軸轉(zhuǎn)速（r/min）；C為卷徑（m）；K為機(jī)上緯密（根/cm）.

將該控制算法應(yīng)用于電子送經(jīng)控制系統(tǒng)中，得到卷徑為0.4 m時(shí)的Matlab/Simulink仿真圖[4-5]，圖4為PI控制算法中積分時(shí)間常數(shù)分別為0.4、0.3和0.2時(shí)的仿真圖.

由圖4（a）可知，積分時(shí)間常數(shù)取0.4時(shí)，張力波動(dòng)范圍較大，調(diào)整時(shí)間為8 ms，不利于控制經(jīng)紗張力；圖4（b）顯示積分時(shí)間常數(shù)取0.3時(shí)，張力波動(dòng)范圍減小，調(diào)整時(shí)間減小到6 ms；圖4（c）顯示，積分時(shí)間常數(shù)取0.2時(shí)，張力變化平穩(wěn)，且調(diào)整時(shí)間減小到4 ms以內(nèi)，能夠較好緩解經(jīng)紗張力變化.可見，當(dāng)積分時(shí)間常數(shù)取值減小時(shí)，能夠達(dá)到較好的控制效果.

4 程序設(shè)計(jì)

電子送經(jīng)控制系統(tǒng)的軟件系統(tǒng)主要包括如下幾個(gè)功能模塊[6]：①系統(tǒng)初始化子程序，主要工作是完成系統(tǒng)各個(gè)模塊的初始化工作；②手動(dòng)操作子程序，在織機(jī)停車的情況下執(zhí)行一些手動(dòng)操作，主要有松紗、緊紗、點(diǎn)動(dòng)及開車前張力自調(diào)整功能和補(bǔ)償操作；③正常織造子程序，是電子送經(jīng)控制器軟件系統(tǒng)的核心功能，在織造過程中通過實(shí)時(shí)控制送經(jīng)量來控制經(jīng)紗張力恒定.圖5為程序設(shè)計(jì)圖.

5 結(jié)束語

送經(jīng)控制系統(tǒng)采用二次送經(jīng)方式，能夠緩解經(jīng)紗張力的變化，使織機(jī)得以快速平穩(wěn)地運(yùn)行.采用32位工業(yè)控制ARM微處理器LPC2119和CPLDEPM3128A對送經(jīng)裝置實(shí)施3重負(fù)反饋閉環(huán)控制，實(shí)現(xiàn)二次變速送經(jīng)控制系統(tǒng)，具有處理速度快、實(shí)時(shí)性好和張力控制精確的優(yōu)點(diǎn).采用PI控制算法，可以滿足經(jīng)紗張力控制的要求.運(yùn)用本方案的電子送經(jīng)控制系統(tǒng)在實(shí)驗(yàn)中已經(jīng)體現(xiàn)出很好的實(shí)時(shí)性，對張力變化較為敏感.但考慮到實(shí)際織造現(xiàn)場環(huán)境復(fù)雜，干擾因素較多，因此在實(shí)際使用中，需要對增益參數(shù)作出不同調(diào)整，以滿足不同環(huán)境的要求.

[1]楊建成，周國慶.紡織機(jī)械原理與現(xiàn)代設(shè)計(jì)方法[M].北京：海洋出版社，2006：286-300.

[2]沈丹峰，葉國銘.津田駒Ⅳ型電控箱主控板剖析 [J].絲綢，2008（6）：33-35.

[3]沈丹峰，葉國銘.電子送經(jīng)控制系統(tǒng)的數(shù)學(xué)分析[J].紡織學(xué)報(bào)，2006，27（9）：32-35.

[4]袁建暢．機(jī)械式送經(jīng)機(jī)構(gòu)的系統(tǒng)辨識(shí)與動(dòng)態(tài)分析 [J]．紡織機(jī)械，2001（5）：37-40．

[5]沈丹峰，葉國銘.電子送經(jīng)控制系統(tǒng)的PID參數(shù)整定方法的研究[J].機(jī)械工程與自動(dòng)化，2008（2）：134-135.

[6]吳冬鳳.基于ADuC824的織機(jī)電子送經(jīng)卷取的控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J].天津工業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào)，2007，26（6）：55-58.

Design of twice variable let-off system based on ARM and CPLD

LIU YANG Li-juan，YUAN Jian-chang，SHEN Dan-feng
（College of Mechatronic Engineering，Xi′an Polytechnic University，Xi′an 710048，China）

As the insufficiency and shortcoming of tension control in current electronic let-off system of inland loom，the

twice variable let-off system is proposed based on the ARM and CPLD.This system uses 32 bit embedded microprocessors and CPLD hardware processing framework to implement the threefold closed-loop negative feed back control for let-off device，and uses PI algorithm to control the tension of warp yarns in order to make the loom operate smooth.The loom warp-lacking rate will decrease by using this system.

ARM；CPLD；twice variable let-off system

book=4,ebook=151

TS103.131

A

1671－024X（2010）04－0074－04

2010-04-19 基金項(xiàng)目：陜西省教育廳專項(xiàng)科碩計(jì)劃項(xiàng)目（09JK456）；西安工程大學(xué)校管項(xiàng)目（BS0906）

劉楊麗娟（1983—），女，碩士研究生.

袁建暢（1954—），男，教授．E-mail：yuanjianchang@yahoo.com.cn