用于花式紡紗機(jī)的多通道電機(jī)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

孫博文

（西安工程大學(xué)電子信息學(xué)院，西安710600）

1 引 言

步進(jìn)電機(jī)在現(xiàn)代控制系統(tǒng)中作為常見的開環(huán)電機(jī)，在紡織企業(yè)中通常充當(dāng)紡紗機(jī)的執(zhí)行元件。由于傳統(tǒng)紡紗機(jī)往往無法同時控制一條錠子上的所有電機(jī)，導(dǎo)致紡紗時易出現(xiàn)斷線、粗細(xì)不均等問題，影響生產(chǎn)效率。如何設(shè)計(jì)一套能夠自動控制多個電機(jī)同步運(yùn)行的紡紗機(jī)，當(dāng)前已受到國內(nèi)眾多行業(yè)專家的關(guān)注。文獻(xiàn)[1]以我國生產(chǎn)的CFY 型花式紗線機(jī)為例，提出了紡紗智能化的未來需求；文獻(xiàn)[2]系統(tǒng)分析了花式紡紗機(jī)的工作過程，初步闡明了花式紗線機(jī)生產(chǎn)復(fù)雜紗線的原理；文獻(xiàn)[3]提出了一套新式花式紡紗機(jī)的控制系統(tǒng)設(shè)想，首次將FPGA 作為控制芯片以實(shí)現(xiàn)多個電機(jī)的控制，其優(yōu)點(diǎn)在于FPGA 內(nèi)部資源適于配置控制邏輯；文獻(xiàn)[4]在上述基礎(chǔ)上研發(fā)出基于CAN 總線的紡紗機(jī)控制系統(tǒng)；文獻(xiàn)[5]對兩相電機(jī)進(jìn)行了研究并提出了通過修改脈沖頻率和電平控制電機(jī)速度和方向的方法；文獻(xiàn)[6]設(shè)計(jì)了以單片機(jī)和FPGA 為控制模塊的步進(jìn)電機(jī)控制系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了8 臺電機(jī)的同步控制，但速度調(diào)節(jié)的過程耗時較長；文獻(xiàn)[7]提出了使用一種S 型曲線控制電機(jī)速度并進(jìn)行了仿真；文獻(xiàn)[8]進(jìn)一步優(yōu)化了S型曲線以STM32 作為電機(jī)控制核心，縮短了電機(jī)到達(dá)所需頻率的時間并提高了仿真波形和實(shí)際速度變化波形的擬合度；文獻(xiàn)[9]提出了以ARM 和FPGA為核心的多通道步進(jìn)電機(jī)同步控制方案，具有較高的響應(yīng)速度和穩(wěn)定性。

上述文獻(xiàn)中提出的電機(jī)控制方法因?yàn)槌杀据^高，且沒有清晰明顯的人機(jī)交互界面，電機(jī)檔位切換消耗時間較長等原因，無法滿足紡紗企業(yè)的實(shí)際需求。故在此提出一種新式系統(tǒng)，僅使用FPGA 作為主控模塊，能夠控制多個電機(jī)的速度和方向等參數(shù)；采用S 曲線算法控制電機(jī)加減速過程，具有調(diào)節(jié)速度快、速度偏差值低、電機(jī)不失步的優(yōu)點(diǎn)。本系統(tǒng)使用Verilog 語言編寫相關(guān)程序，功能性仿真后將其燒寫入硬件進(jìn)行板級驗(yàn)證。若結(jié)果不合要求則可直接修改程序而不必更改硬件電路，大幅減少設(shè)計(jì)時間。

2 硬件設(shè)計(jì)

2.1 系統(tǒng)總體方案

系統(tǒng)將電機(jī)的頻率值、速度檔位、運(yùn)轉(zhuǎn)方向和當(dāng)前電機(jī)組信息顯示于LCD 屏幕，速度檔位切換、電機(jī)組切換由外部按鍵控制，并經(jīng)脈沖邊沿消抖處理。電機(jī)速度變化遵循S 型曲線算法，速度值由光電碼盤傳輸給FPGA。具體結(jié)構(gòu)見圖1。

圖1 系統(tǒng)總體方案

2.2 硬件功能需求

花式紡紗機(jī)錠子結(jié)構(gòu)如圖2 所示。每臺花式紡紗機(jī)均有多條錠子，單錠子包含兩到三個喂入羅拉對應(yīng)不同色彩，一臺分梳輥，一個小針筒以及一個卷繞輥。

其中，M1、M2、M3 這一組為喂入羅拉低速電機(jī)，每個電機(jī)工作5 秒，依次輪流將原紗喂入，工作頻率分50Hz、75Hz、100Hz 三個檔位。

圖2 花式紡紗機(jī)錠子結(jié)構(gòu)

M4 為分梳輥電機(jī)，其作用為將原紗攪碎以供吹入小針筒。該電機(jī)頻率為喂入羅拉的1.0 至2.5 倍，以0.1 倍作為倍數(shù)增減步長。

M5 為小針筒電機(jī)，通過其內(nèi)部的細(xì)針織成網(wǎng)格袋子裝載自分梳輥吹下的碎紗。該電機(jī)的工作頻率被分為150Hz、200Hz、250Hz、300Hz、350Hz、400Hz 六個檔位。

M6 為卷繞輥電機(jī)，在其驅(qū)動下，成品紗卷被繞成圓柱桶狀定型。電機(jī)頻率為小針筒的1.0 至2.5倍，以0.1 倍作為倍數(shù)增減步長。

E1～E6 分別為安裝在六個電機(jī)上的光電編碼器，將光電條紋信號轉(zhuǎn)化為波形信號送回FPGA 以計(jì)算出電機(jī)轉(zhuǎn)速。

系統(tǒng)將M1～M4 歸類為低速組，M5 和M6 設(shè)置為高速組。通過7 個外接按鍵控制電機(jī)運(yùn)行。組切換按鍵（switch）可以切換高、低速組；加速（spdup）、減速（spddn）按鍵控制電機(jī)檔位；增倍（up）和減倍（down）按鍵控制倍數(shù)步長增減；方向（dir）按鍵控制電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)方向；復(fù)位（rst）按鍵將系統(tǒng)初始化。上述除組切換和初始化按鍵以外的所有按鍵均只能控制當(dāng)前電機(jī)組的相關(guān)參數(shù)，未切換的電機(jī)組各項(xiàng)參數(shù)保持原先狀態(tài)。高速組電機(jī)的速度變化遵循S 形速度曲線；低速組則為線性。

2.3 FPGA 與各模塊的連接

多通道步進(jìn)電機(jī)控制系統(tǒng)的硬件部分主要包括FPGA、按鍵輸入模塊、屏幕顯示模塊、電機(jī)和驅(qū)動器模塊及增量式光電碼盤等。FPGA 與各模塊的連接見圖3。

長琿高鐵開通后，以延吉、琿春為主，周邊小城市為輔，形成一小時都市圈，旅游資源得到整合，吸引力更強(qiáng)。高鐵促進(jìn)城市積極建設(shè)公共交通，將高鐵站作為重要旅游客流樞紐，實(shí)現(xiàn)快速換乘?，q春市應(yīng)在高鐵站建設(shè)防川景區(qū)公交專線，實(shí)現(xiàn)高鐵+公交，使得游客與景區(qū)無縫銜接，縮短游客與景區(qū)心理距離，增強(qiáng)旅游舒適度。

圖3 模塊連接示意圖

FPGA 采用Altera 公司生產(chǎn)的EP4CE10F17C8型，與按鍵模塊用到GPIO0.38、GPIO0.12、GPIO0.8、GPIO0.6、GPIO0.4、GPIO0.2、GPIO0.0 七個端口，分別代表復(fù)位、組切換、增倍、減倍、加速和減速信號。

圖中每個驅(qū)動器與FPGA 均用到了兩個端口信號，其中GPIO0.32、GPIO0.28、GPIO0.24、GPIO0.20、GPIO0.16、GPIO0.12 對應(yīng)1～6 臺驅(qū)動器的脈沖信號端口（PUL1～PUL6），而GPIO0.34、GPIO0.30、GPIO0.26、GPIO0.22、GPIO0.18、GPIO0.14 則對應(yīng)其方向信號端口（DIR1～DIR6）。由各光電碼盤引出的EB1～EB6將方波信號傳遞給FPGA，連接在FPGA 的GPIO0.31、GPIO0.29、GPIO0.27、GPIO0.25、GPIO0.23、GPIO0.21 端口。FPGA 通過讀取當(dāng)前步數(shù)、速度分頻值等數(shù)據(jù)計(jì)算出電機(jī)當(dāng)前速度。

LCD 模塊連接到通用顯示擴(kuò)展接口GPIO2.0～GPIO2.36，該5.0 英寸LCD 分辨率為480×800，支持16 位顏色輸入，最多可顯示65536 種不同顏色。

FPGA 與各模塊之間的引腳配置見表1。

表1 硬件引腳分配

2.4 電機(jī)與驅(qū)動器的連接

本系統(tǒng)選用雷賽42HS03 型步進(jìn)電機(jī)，額定電流1.0A，相電阻4.6Ω，相數(shù)2，步距角1.8°，工作方式有兩相四拍、兩相八拍和雙四拍三種?？紤]到企業(yè)實(shí)際需求，這里采用轉(zhuǎn)動力矩和精度較高的兩相八拍方式。

電機(jī)驅(qū)動器選用集成了光電碼盤的HB808C 混合型伺服驅(qū)動器，其SVPWM 閉環(huán)控制技術(shù)能保證驅(qū)動器在電機(jī)高頻轉(zhuǎn)動下自動增加電流使其不丟步。驅(qū)動器脈沖響應(yīng)頻率可達(dá)75kHz,工作電壓24V，輸入端擁有光耦隔離電路防止FPGA 芯片被擊穿。電機(jī)與驅(qū)動器采用共陽極接法，端口電壓為5V。

以單獨(dú)使用一個驅(qū)動器的情況為例，HB808C的輸入端口包含脈沖端（PUL-）、方向端（DIR-）和光電碼盤信號輸入端（EB+）。將FPGA 的IO.A～I(xiàn)O.C引腳與上述端口一一對應(yīng)，驅(qū)動器的A+、A-、B+、B-輸出口與電機(jī)的四根引線連接。步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動示意如圖4 所示。

圖4 FPGA 控制步進(jìn)電機(jī)示意圖

2.5 光電碼盤工作原理

光電碼盤與電機(jī)之間以同孔徑聯(lián)軸器相連，被轉(zhuǎn)動的電機(jī)帶動沿絲杠移動時時會產(chǎn)生明暗相間的摩爾條紋，經(jīng)光電轉(zhuǎn)換和比較電路作用后產(chǎn)生A、B兩個相位差為90°的脈沖方波信號，如圖5 和圖6所示。圖5 中A 相超前，表明此時設(shè)定電機(jī)正轉(zhuǎn)，圖6 中A 相滯后，方向則與圖5 相反。

圖5 正轉(zhuǎn)時碼盤相位波形

圖6 反轉(zhuǎn)時碼盤相位波形

3 軟件設(shè)計(jì)

3.1 時鐘分頻設(shè)計(jì)

仿真得到的波形如圖7 所示。將不同頻率檔位以freq1～4 顯示，分別設(shè)置為400Hz、200Hz、100Hz和50Hz，能夠清楚看出波形之間的倍數(shù)關(guān)系。

圖7 分頻模塊波形仿真

3.2 電機(jī)速度變化控制

步進(jìn)電機(jī)作為進(jìn)給運(yùn)動控制，在工作頻率大于啟動頻率時若要停止，脈沖頻率需逐步下降；同理當(dāng)所需頻率在最高值或高于啟動頻率時，若要是工作頻率大于啟動頻率，其脈沖頻率需逐步上升[11]。S 型曲線平滑性好，運(yùn)動精度高，在起步時能以較小啟動頻率升頻，停止時以較小加速度實(shí)現(xiàn)降頻[12]。此處只研究加速過程的兩個階段，即加加速和減加速，減速過程和加速過程相互對立。S 型曲線算法流程如圖8 所示。加減速S 型曲線種類繁多，為獲得最好效果，系統(tǒng)采用的是Sigmoid 函數(shù)，基本模型為：

圖8 S 型曲線算法流程

將該函數(shù)經(jīng)平移拉伸變換可得到：

考慮到電機(jī)加減速時初速度不為零，一般從某頻率值開始變化，改進(jìn)后的函數(shù)方程為：

式中，F(xiàn)current表示當(dāng)前電機(jī)頻率，F(xiàn)L為上一檔位頻率值，F(xiàn)H為規(guī)定的頻率上限, Num 為頻率取樣點(diǎn)數(shù)，F(xiàn)為傾斜強(qiáng)度，該數(shù)值反應(yīng)曲線中間段加速度大小。不同傾斜強(qiáng)度下的速度曲線狀態(tài)如圖9 所示。

圖9 不同F(xiàn) 值下的速度曲線

由圖9 看出，傾斜強(qiáng)度F 越大，速度曲線越陡，加速過程越快。系統(tǒng)F 值取為3.5，此時曲線變化平滑，并可快速達(dá)到指定頻率。F 值過高會使電機(jī)在高頻工作下力矩下降從而失步，造成工作風(fēng)險。

目前大部分的曲線擬合均采用離散查表法[13]。將速度變化過程離散為若干點(diǎn)存儲起來，采樣點(diǎn)越多則相對精度越大，但會占用更多內(nèi)存空間。本系統(tǒng)選用1000 個頻率采樣點(diǎn)，足以滿足需求。圖10 展示了高速電機(jī)速度從各個檔位上升到最高檔位的變化曲線，圖中無論當(dāng)前檔位和最高檔位頻率差值大小，均能保證在1000ms 內(nèi)調(diào)節(jié)至指定頻率，同時保證曲線平滑。

圖10 高速電機(jī)速度變化曲線

4 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

系統(tǒng)將所有電機(jī)狀態(tài)在LCD 上顯示，其區(qū)域顯示內(nèi)容如表2 所示。

表2 LCD 屏幕位置顯示實(shí)例

通過軟件仿真和板級驗(yàn)證，電機(jī)實(shí)際運(yùn)行時平穩(wěn)性較好，無噪聲，力矩充足，完全滿足實(shí)際需要。圖11 為系統(tǒng)運(yùn)行時液晶屏實(shí)拍畫面。

圖11 顯示屏實(shí)拍界面

5 結(jié) 束 語

在介紹了新式花式紡紗機(jī)的功能需求的基礎(chǔ)上，針對傳統(tǒng)紡紗機(jī)對多個運(yùn)轉(zhuǎn)部件無法同步控制造成產(chǎn)品品控降低的問題，新設(shè)計(jì)了基于FPGA 多通道步進(jìn)電機(jī)控制系統(tǒng)，通過光電編碼器傳輸?shù)拿}沖數(shù)反應(yīng)的速度計(jì)算實(shí)時轉(zhuǎn)速。通過分析影響電機(jī)轉(zhuǎn)速快慢的因素以及步進(jìn)電機(jī)加減速的物理特征，提出了使用S 曲線算法實(shí)現(xiàn)速度自動調(diào)節(jié)的功能，并通過MATLAB 軟件對選用函數(shù)設(shè)置不同參數(shù)進(jìn)行觀察，發(fā)現(xiàn)在不同的頻率差值下采用S 曲線算法達(dá)到穩(wěn)定的時間均十分快捷，響應(yīng)速度令人滿意，適用于各大紡織企業(yè)，提升了市場競爭力。系統(tǒng)大部分程序由Verilog 語言編寫，移植性良好，整體系統(tǒng)穩(wěn)定簡便，具有一定的商業(yè)推廣價值。