嵌入式毛巾織機送經卷取和起毛集成控制器的設計

王振中，周其洪，沈 瓊

(東華大學 紡織裝備教育部工程研究中心,上海 201620)

嵌入式毛巾織機送經卷取和起毛集成控制器的設計

王振中，周其洪，沈 瓊

(東華大學 紡織裝備教育部工程研究中心,上海 201620)

設計了基于ARM(advanced RISC machines)微控制器的送經卷取和起毛集成控制器.采用μC/OS-Ⅲ嵌入式實時操作系統(tǒng),基于CANopen從站協(xié)議,控制器通過CAN總線和主控制系統(tǒng)進行實時通信.開發(fā)了基于RBF(radial basis function)神經網絡整定的PID(proportion integration differentiation)張力控制算法,完成了天經軸、地經軸、卷取輥和起毛凸輪4個伺服電機的實時同步控制.調試運行結果表明,該送經卷取和起毛集成控制器可解決當前國內毛巾織機存在的緯密和張力控制不均等問題,滿足了毛巾織機的高速化、數(shù)字化和智能化等發(fā)展要求.

毛巾織機； ARM(advanced RISC machines)； 送經卷??； 起毛控制； μC/OS-Ⅲ

毛巾織機和普通織機不同,它多了一個天經軸[1],在織造過程中形成兩種張力和緯密差異較大的組織,其送經卷取控制和一般經軸的送經卷取控制有明顯區(qū)別.同時毛巾織物之所以有絢麗多彩的圖紋花案與其形成毛圈的起毛動作是密不可分的[2].目前，國外高檔毛巾織機普遍采用電子送經卷取和起毛,起毛高度和緯密可以自由設定和切換；國內毛巾織機主要存在毛圈品種受限、緯密不均勻、張力切換不穩(wěn)定、容易出現(xiàn)反毛等問題,目前還沒有集送經卷取和起毛一體的電子控制產品[3].為了適應毛巾織機的高速化、數(shù)字化和智能化等要求,設計了基于ARM(advanced RISC machines)微控制器、嵌入式實時操作系統(tǒng)μC/OS-Ⅲ的送經卷取和起毛集成控制器.

1 系統(tǒng)整體結構

毛巾織機的控制系統(tǒng)由主控制系統(tǒng)、送經卷取和起毛控制系統(tǒng)構成,整體結構如圖1所示[4].送經卷取和起毛控制系統(tǒng)主要實現(xiàn)的功能有：實時采集地經軸和天經軸的張力；實時檢測主軸編碼器的轉速和轉角；實時與主控制系統(tǒng)通信；實時顯示送經卷取和起毛過程中的工藝參數(shù)；精確控制天經軸、地經軸、卷取輥和起毛凸輪共4個伺服電機的動作.

圖1 毛巾織機控制系統(tǒng)整體結構Fig.1 The overall structure of control system of the towel loom

2 系統(tǒng)硬件設計

2.1 控制器芯片選型

本文采用以ARM Cortex-M3為核的意法半導體公司增強型32位大容量的STM32F103ZET6芯片,其最高工作頻率為72 MHz,具有112個快速I/O端口、3個12位的模數(shù)轉換器和11個定時器,其中高級定時器具有電機控制和增量編碼器輸入的通道[5]，能很好地滿足送經卷取和起毛集成控制要求.控制器的硬件結構如圖2所示，其中，靜態(tài)存儲器電路和掉電保護電路[6]是拓展的,作用分別為實時保存運行工藝參數(shù)及系統(tǒng)代碼、為靜態(tài)存儲器提供備用電源,保證重要數(shù)據(jù)不丟失.

圖2 送經卷取和起毛集成控制器硬件結構Fig.2 The hardware structure of controller integrated let-off,take-up and fuzzing

2.2 控制器部分外圍電路

2.2.1 CAN通信電路

本文的CAN收發(fā)器選用高速PCA82C250芯片.為了隔離干擾,前置兩片6N137高速光耦合隔離芯片.CAN電路如圖3所示.

2.2.2 主軸編碼器電路

為了抗干擾,編碼器輸出的A、B和Z三相脈沖信號經過光電隔離PS28014芯片,使用74HC14反相施密特觸發(fā)器,以保證輸出無抖動的脈沖.編碼器電路如圖4所示.

2.2.3 經紗張力采集電路

本文的經紗張力測試裝置輸出電壓量程為10 V.A/D(模數(shù))轉換電路分兩部分,前半部分使用運算放大器TL084，用其隔離張力傳感器固有的輸入阻抗；后半部分采用運算放大器LM258實現(xiàn)測量值的轉換,以滿足控制器3.3 V輸入的要求.A/D轉換電路如圖5所示.

圖3 CAN通信電路Fig.3 The CAN communication circuit

圖4 編碼器電路Fig.4 The encoder circuit

圖5 A/D轉換電路Fig.5 The A/D converted circuit

3 軟件設計與實現(xiàn)

3.1 操作系統(tǒng)介紹

為了提高系統(tǒng)實時響應能力,本文采用Micriμm公司第三代μC/OS-Ⅲ嵌入式實時操作系統(tǒng),其體積較小、源代碼公開免費,是一種可裁剪、可固化和可剝奪型的多任務內核，最大優(yōu)點是允許無限多個任務運行于同一優(yōu)先級上和相同優(yōu)先級的任務按時間片輪轉調度[7].因此,該操作系統(tǒng)能滿足送經卷取和起毛控制的多任務和高實時性要求.

3.2 內核移植

本文移植內核的版本為V 3.02,使用的固件庫版本為V 3.5,編譯軟件是RealView MDK 4.12,需要修改一些代碼[8].

3.2.1 配置處理器的固件庫文件

修改startup_stm32f10x_hd.s啟動文件,將文件夾中出現(xiàn)的PendSV_Handler的地方全部替換成OS_CPU_PendSV_Handler.

修改stm32f10x_it.c中斷源文件,把原有的PendSV_Handler空函數(shù)注釋掉,編寫SysTick中斷服務函數(shù).

3.2.2 修改1個CPU文件

將CPU_A.ASM文件中的PUBLIC指令改為EXPORT.

3.2.3 修改3個內核文件

OS_CPU.H頭文件聲明注釋掉OS_CPU_SysTickHandler()函數(shù)的聲明和OS_CPU_SysTickInit()函數(shù)的聲明,使用ST庫函數(shù)提供的SysTick中斷函數(shù).

OS_CPU_AAS.M將原來的PUBLIC指令改為EXPORT.

OS_CPU_C.C源文件中注釋掉函數(shù)OS_CPU_SysTickHandler()和時鐘初始化函數(shù)OS_CPU_SysTickInit().

3.2.4 創(chuàng)建板級支持包

編寫includes.h頭文件和板級支持包(BSP)相關文件,包括BSP_Init()、SysTick_Init()函數(shù)和BSP.h頭文件；創(chuàng)建任務包括編寫app.c、app.h和main文件.

3.3 任務劃分和實現(xiàn)

將系統(tǒng)劃分為12個任務,如表1所示.

表1 任務劃分Table 1 Tasks partition

3.3.1 天經軸和地經軸電機控制

天經軸和地經軸經紗張力是時變性、非線性和多擾動的,本文采用基于RBF(radial basis function)神經網絡整定的PID(proportion integration differentiation)控制算法,計算得到相應的送經補償量,向天經經軸和地經經軸伺服驅動器發(fā)出相應頻率和數(shù)量的脈沖來調節(jié)轉速,置相應端口高低電平控制伺服電機的轉向,以保證經紗張力的動態(tài)穩(wěn)定.

本文首先由main函數(shù)調用BSP.Init()函數(shù)進行板級初始化,再調用系統(tǒng)函數(shù)OSIint()初始化μC/OS-Ⅲ系統(tǒng),最后調用函數(shù)OSTaskCreat().先創(chuàng)建初始任務Task_Start,在初始任務中創(chuàng)建其他11個任務,系統(tǒng)函數(shù)OSStart()使系統(tǒng)開始任務管理.圖6為系統(tǒng)軟件任務執(zhí)行流程圖.

3.3.2 CAN通信

本文采用CANopen協(xié)議通信模型中的主從模型, 將主控制系統(tǒng)設定為主站,送經卷取和起毛控制系統(tǒng)設定為從站.首先需將CANopen嵌入到μC/OS-Ⅲ系統(tǒng)中,主站向從站發(fā)送所需的工藝參數(shù),從站向主站反饋運行狀態(tài).CAN通信任務流程如圖7所示.

3.3.3 起毛電機控制

起毛電機主要改變鋼筘的打緯動程,電機根據(jù)毛高和主軸轉角的變化轉動不同的角度.事先需規(guī)定電機的起始零度和轉向的正負.圖8為起毛凸輪電機控制流程圖.

圖6 系統(tǒng)軟件任務執(zhí)行流程圖Fig.6 The flowchart of system software tasks execution

圖7 CAN通信流程圖Fig.7 The flowchart of CAN communication

圖8 起毛電機控制流程圖 Fig.8 The flowchart of fuzzing cam motor control

4 結 語

本文針對當前毛巾織機送經卷取和起毛存在的問題和發(fā)展趨勢,設計了基于ARM微控制器和嵌入式實時操作系統(tǒng)μC/OS-Ⅲ的送經卷取和起毛集成控制器.從硬件和軟件兩個方面詳細介紹了整個系統(tǒng)的設計方法,調試運行的結果表明,該控制系統(tǒng)響應速度快、控制精度高、實時性好,系統(tǒng)運行穩(wěn)定可靠,具有很好的移植性和抗干擾性，能夠滿足高檔毛巾織機送經卷取和起毛控制要求,具有廣闊的市場前景.

[1] 劉永亭.用PLC實現(xiàn)毛巾織機天經系統(tǒng)控制[J].電氣時代,2008(4):21.

[2] 洪海滄.近期國產無梭織機的技術進步與展望[J].棉紡織技術,2014(2):2631.

[3] BAVRLE Y S. Interactive and experiential design in Smart textile products and applications[J].Pers Liquit Comput, 2004, 8(3):274281.

[4] 李廣.基于Windows CE的毛巾織機電子送經和卷取控制系統(tǒng)[D].杭州:浙江理工大學機械與自動控制學院,2009:1112.

[5] 孫書鷹,陳志佳,寇超.新一代嵌入式微處理器STM32F103開發(fā)與應用[J].微計算機應用,2010,31(12):5963.

[6] 陳革,孫志宏,林申.織機電子送經和卷取控制系統(tǒng)的研制[J].東華大學學報(自然科學版),2003,29(3):5154.

[7] 宮輝,龔光華,黃土琛.從μC/OS-II到μC/OS-Ⅲ的各種改進[J].單片機與嵌入式系統(tǒng)應用,2012(10):7981.

[8] 劉爭林.基于μC/OS-Ⅲ的材料特性測試溫控系統(tǒng)[D].長沙:中南大學信息科學與工程學院,2012:5256.

Design of Embedded Controller Integrated Let-Off,Take-Up and Fuzzing of the Towel Loom

WANGZhen-zhong,ZHOUQi-hong,SHENQiong

(Engineering Research Center of Advanced Textile Machinery,Ministry of Education,Donghua University, Shanghai 201620, China)

A controller based on ARM (advanced RISC machines)integrated let-off, take-up and fuzzing was designed. Embedded real-time operating system μC/OS-Ⅲ was taken.On the μC/OS-Ⅲ platform,CAN bus based on CAN open slave protocol was applied in real-time communicating with the main control system. A tuning algorithm of PID(proportion integration differentiation) parameters based on RBF(radial basis function) neural network about tension control was developed, meanwhile the real-time synchronization control of four servo motors of upper warp beam, under warp beam, take-up roller and fuzzing cam was finished. The debugging operation results show the integrated controller can solve the issues such as uneven control of weft density and tension existed in the domestic towel loom, and meet the requirements of development of the towel loom such as high-speed, digitization and intelligence.

towel loom； ARM(advanced RISC machines)； let-off and take-up； fuzzing control； μC/OS-Ⅲ

16710444 (2016)060869-06

20150930

上海市自然科學基金資助項目(16ZR1401800)

王振中(1989—)，男，江西撫州人，碩士研究生，研究方向為紡織機械機電一體化控制. E-mail: 804688170@qq.com 周其洪(聯(lián)系人)，男，副教授，E-mail: zhouqihong@dhu.edu.cn

TS 103.7

A