基于 ZYNQ 的磁懸浮織針陣列控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

王意 劉越 彭益 李明 周向陽(yáng) 張成俊

摘要：為了滿(mǎn)足磁懸浮織針陣列系統(tǒng)在多路織針實(shí)時(shí)、高速控制方面的需求，基于單針磁懸浮織針控制的研究，利用PL（FPGA）和PS（ARM）等ZYNQ芯片內(nèi)部資源的靈活邏輯可操作性，設(shè)計(jì)了硬件邏輯相關(guān)的各功能模塊。同時(shí)，通過(guò)AXI總線(xiàn)協(xié)議設(shè)計(jì)了驅(qū)動(dòng)功能IP核，從而保證了PL端與PS端的高效協(xié)同工作，實(shí)現(xiàn)了對(duì)多路織針的實(shí)時(shí)、高速控制。還借助Vivado軟件進(jìn)行了硬件邏輯的編程和仿真，并搭建了樣機(jī)試驗(yàn)平臺(tái)對(duì)完整系統(tǒng)進(jìn)行了測(cè)試。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明：該系統(tǒng)能夠?qū)Χ嗦反艖腋】椺樳M(jìn)行同步、高速和穩(wěn)定的控制，驗(yàn)證了該系統(tǒng)的有效性和可行性。

關(guān)鍵詞：磁懸??；織針陣列；運(yùn)動(dòng)控制；ZYNQ；硬件邏輯

中圖分類(lèi)號(hào)：TS183.92 ???文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A ??文章編號(hào)：2097-2911-（2024）02-0073-11

Design of control system for magnetic levitation needle arraybased on ZYNQ

WANG Yia，LIU Yuea，PENG Yia，LIMinga，ZHOU Xiangyangab，ZHANG Chengjunab*

（a.School of Mechanical Engineering and Automation；b.Hubei Digital Textile Equipment Key Laboratory， Wuhan TextileUniversity， Wuhan 430073， China）

Abstract： In order to meet the demand for real-time， high-speed control of multiple knitting needles in the magnetic levitation needle array system， based on the study of single-needle magnetic levitation needle control， utilizes the flexible logic operability of the internal resources of the ZYNQ chips， such as the PL （FPGA） and the PS （ARM）， and designs the functional modules related to the hardware logic. At the same time， the driver function IP core is designed through the AXI bus protocol， which ensures the efficient cooperative work between the PL side and the PS side， and realizes the real-time and high-speed control of multiple knitting needles. It is programmed and simulated the hardware logic with the help of Vivado software， and built a prototype test platform to test the complete system. The experimental results show that the system is capable of synchronized， high-speed and stable control of multi-way magnetic levitation knitting needles， which verifies the effectiveness and feasibility of the system.

Keywords： magnetic suspension; needle array; motion control; ZYNQ; hardware logic

傳統(tǒng)橫機(jī)控制系統(tǒng)通常采用PC機(jī)搭配單片機(jī)或多單片機(jī)的方式。然而，隨著橫機(jī)結(jié)構(gòu)和編織工藝要求的不斷提高，系統(tǒng)所處理的數(shù)據(jù)量和任務(wù)量也大大增加，這使得傳統(tǒng)控制系統(tǒng)難以滿(mǎn)足實(shí)時(shí)傳輸和并行處理的需求。為了提高控制系統(tǒng)對(duì)復(fù)雜數(shù)據(jù)的處理性能和實(shí)時(shí)處理速度，業(yè)內(nèi)專(zhuān)家們提出了各種不同的高性能處理器與下位機(jī)組合的方式。比如，呂建飛等[1]設(shè)計(jì)了基于 ARM 和單片機(jī)的全自動(dòng)橫機(jī)控制系統(tǒng)，采用 ARM作為中央控制，通過(guò)并行總線(xiàn)將編織數(shù)據(jù)發(fā)送給單片機(jī)，由單片機(jī)控制各執(zhí)行機(jī)構(gòu)。汝吉東等[2]設(shè)計(jì)了ARM9和CPLD的高速橫機(jī)控制系統(tǒng)，利用ARM9作為主控模塊，通過(guò)GPIO模擬總線(xiàn)連接兩片 CPLD作為協(xié)處理器，由 CPLD負(fù)責(zé)各部件機(jī)構(gòu)的控制。顧涵等[3]設(shè)計(jì)了基于ARM 和 FPGA 的電腦橫機(jī)織針控制系統(tǒng)，通過(guò) ARM 和 FPGA 的組合，由ARM 將花型編譯數(shù)據(jù)通過(guò)并行總線(xiàn)傳輸給下位機(jī)FPGA[4]，然后由FPGA控制織針的驅(qū)動(dòng)。這些不同的系統(tǒng)相較于傳統(tǒng)橫機(jī)控制系統(tǒng)具有并行控制、可擴(kuò)展性強(qiáng)、運(yùn)算性能強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)。然而，這種架構(gòu)需要復(fù)雜的底層硬件，并且ARM與單片機(jī)、CPLD、FPGA之間的數(shù)據(jù)傳輸緩慢、不穩(wěn)定，因此不適用于磁懸浮織針陣列控制這種對(duì)實(shí)時(shí)性要求較高的場(chǎng)景。

織針驅(qū)動(dòng)技術(shù)作為針織設(shè)備的核心，其驅(qū)動(dòng)性能直接關(guān)系到織物的質(zhì)量。傳統(tǒng)的電腦橫機(jī)與電腦提花圓機(jī)是針織設(shè)備中比較具有代表性的設(shè)備，1971年，意大利 PROTTI 公司研制出世界上第一臺(tái)電腦橫機(jī)。隨著電子、計(jì)算機(jī)的高速發(fā)展，1990年邁耶西公司研發(fā)的電腦圓機(jī)在針織機(jī)械展會(huì)上進(jìn)行展出，隨后各先進(jìn)制造商相繼推出新型針織設(shè)備[5]。針織設(shè)備性能的改善也是國(guó)外學(xué)者的主要研究方向，如德國(guó) Groz-Beckert公司為解決發(fā)熱、能量損耗問(wèn)題，設(shè)計(jì)一種高性能圓機(jī)織針（Litespeed）[6]，通過(guò)改變織針的結(jié)構(gòu)，減少織針整體重量與摩擦的面積。德國(guó) Mayer & Cie公司研發(fā)無(wú)舌織針，從織針的結(jié)構(gòu)上進(jìn)行改善，以此降低織針與構(gòu)件的磨損，增加織針使用壽命[7]。

本文研究了一種基于ZYNQ的磁懸浮織針陣列控制系統(tǒng)，利用該產(chǎn)品將高性能ARM Cor- tex-A9系列處理器與 FPGA 緊密結(jié)合在芯片內(nèi)[8]，降低了硬件的開(kāi)發(fā)難度，并實(shí)現(xiàn)了高帶寬、低延遲的ARM與FPGA片內(nèi)總線(xiàn)通信[9]，同時(shí)通過(guò)無(wú)接觸驅(qū)動(dòng)的方法降低織針驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的能耗，實(shí)現(xiàn)多工位編織工藝，解決傳統(tǒng)的織針針踵與三角凸輪接觸傳動(dòng)來(lái)驅(qū)動(dòng)織針軸向運(yùn)動(dòng)的方式會(huì)產(chǎn)生摩擦發(fā)熱和振動(dòng)等問(wèn)題。與現(xiàn)有研究相比，本文將測(cè)量裝置、磁懸浮織針結(jié)構(gòu)和ZYNQ硬件邏輯系統(tǒng)三者相結(jié)合，構(gòu)成閉環(huán)控制系統(tǒng)，能夠更好實(shí)現(xiàn)磁懸浮織針的精準(zhǔn)控制。為實(shí)現(xiàn)高速、實(shí)時(shí)、并行的磁懸浮織針陣列控制，設(shè)計(jì)了一種基于ZYNQ的磁懸浮織針陣列控制系統(tǒng)，利用高性能的處理系統(tǒng)（PS）部分來(lái)靈活分配ZYNQ高速并行的FPGA部分（PL）的片內(nèi)資源，以實(shí)現(xiàn)對(duì)磁懸浮織針陣列的線(xiàn)性控制。通過(guò)仿真軟件對(duì)系統(tǒng)功能進(jìn)行了驗(yàn)證，并基于 Xilinx 的開(kāi)發(fā)板 XC7Z010進(jìn)行了功能性驗(yàn)證。

1磁懸浮織針陣列驅(qū)動(dòng)結(jié)構(gòu)

磁懸浮織針陣列驅(qū)動(dòng)結(jié)構(gòu)分為上下兩部分。上部由永磁織針（永磁體與織針一體化）、頂部端蓋、直線(xiàn)軸承、硅鋼、永磁鐵和底部端蓋構(gòu)成；下部由鐵芯、電磁線(xiàn)圈和機(jī)頭等組成。其結(jié)構(gòu)如圖1所示。根據(jù)編織需求，通過(guò)向線(xiàn)圈陣列通入方向和大小不同的電流，線(xiàn)圈中通入的電流以及磁懸浮織針的高度和速度會(huì)共同構(gòu)成了一組相互耦合的數(shù)據(jù)信號(hào)[10]，其電流使得線(xiàn)圈產(chǎn)生方向和大小不同的空間磁場(chǎng)?？椺樢揽烤€(xiàn)圈產(chǎn)生的空間磁場(chǎng)[11]，與自身連接的永磁體相互作用，從而實(shí)現(xiàn)軸向高速往復(fù)運(yùn)動(dòng)，并通過(guò)不同的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)完成相應(yīng)的編織動(dòng)作[12]。

2系統(tǒng)硬件電路總體設(shè)計(jì)

磁懸浮織針陣列控制系統(tǒng)主要包括控制模塊、磁懸浮織針陣列、電機(jī)模塊、電磁驅(qū)動(dòng)模塊、位移傳感器模塊和編碼器模塊。整個(gè)控制系統(tǒng)的總體框圖如圖2所示。系統(tǒng)主要由 ZYNQ 芯片內(nèi)部的 FPGA 與ARM 負(fù)責(zé)控制，電機(jī)模塊驅(qū)動(dòng)機(jī)頭運(yùn)動(dòng)，編碼器模塊記錄機(jī)頭位置，電磁驅(qū)動(dòng)模塊負(fù)責(zé)磁懸浮織針陣列的驅(qū)動(dòng)，位移傳感器模塊負(fù)責(zé)織針運(yùn)動(dòng)高度反饋?？刂颇K根據(jù)系統(tǒng)要求對(duì)電機(jī)模塊和電磁驅(qū)動(dòng)模塊進(jìn)行驅(qū)動(dòng)控制，同時(shí)通過(guò)編碼器和位移傳感器模塊進(jìn)行反饋，形成完整的閉環(huán)控制系統(tǒng)。

2.1電磁線(xiàn)圈驅(qū)動(dòng)模塊設(shè)計(jì)

在磁懸浮織針陣列控制系統(tǒng)中，織針的驅(qū)動(dòng)依賴(lài)于電磁線(xiàn)圈的磁場(chǎng)作用。系統(tǒng)主要通過(guò)控制器加電流型功率放大的方式控制線(xiàn)圈中的電流，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)磁場(chǎng)的控制。鑒于ZYNQ控制芯片輸出信號(hào)的負(fù)載能力較弱，無(wú)法直接驅(qū)動(dòng)電磁線(xiàn)圈[13]。因此，本文采用驅(qū)動(dòng)電路與PWM開(kāi)關(guān)型功率放大電路相結(jié)合的方式來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)電磁線(xiàn)圈的電流控制。在該模塊中，ZYNQ 的 PL 端充當(dāng)控制器，輸出功率驅(qū)動(dòng)電路所需的信號(hào)[14]。具體地，本模塊利用PL端的BANK34/35部分引腳分別與5組 LIN_A、HIN_A、LIN_B、HIN_B 相連接，同時(shí)功率放大電路A、B的輸出端與電磁線(xiàn)圈相連，以輸出與控制信號(hào)對(duì)應(yīng)的電流，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)5個(gè)電磁線(xiàn)圈的電流控制[15]，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)磁懸浮織針的驅(qū)動(dòng)。該驅(qū)動(dòng)框圖如圖3所示。

根據(jù)功率驅(qū)動(dòng)電路的驅(qū)動(dòng)要求[16]，PL端需要輸出5組PWM信號(hào)以分別控制5個(gè)電磁線(xiàn)圈，每一組PWM信號(hào)由4路PWM信號(hào)組成。因此，本文設(shè)計(jì)了 PWM 信號(hào)發(fā)生器，在 PL 端實(shí)現(xiàn)了20路PWM信號(hào)的輸出功能。研究中使用了頻率為20KHz的PWM信號(hào)對(duì)電磁線(xiàn)圈進(jìn)行控制，根據(jù) IR2103S 芯片的信號(hào)邏輯，每一組 PWM 信號(hào)發(fā)生器需要輸出兩對(duì)互補(bǔ)的PWM信號(hào)，通過(guò)同時(shí)改變這兩對(duì)互補(bǔ)PWM波的占空比，以實(shí)現(xiàn)對(duì)電磁驅(qū)動(dòng)電路中電流大小和方向的控制[17]。

2.2電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊設(shè)計(jì)

在磁懸浮織針陣列控制系統(tǒng)中，裝備有電磁線(xiàn)圈陣列的機(jī)頭由步進(jìn)電機(jī)傳動(dòng)，而電機(jī)則由步進(jìn)驅(qū)動(dòng)器驅(qū)動(dòng)。ZYNQ芯片的PL端負(fù)責(zé)向步進(jìn)驅(qū)動(dòng)器發(fā)送脈沖與電平信號(hào)，以控制電機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)角度和轉(zhuǎn)動(dòng)方向，而在電機(jī)高速啟動(dòng)和停止時(shí)，可能會(huì)導(dǎo)致電機(jī)抖動(dòng)和堵轉(zhuǎn)的現(xiàn)象[18]。因此，在電機(jī)啟動(dòng)和停止時(shí)，需要控制脈沖信號(hào)頻率的均勻改變，以確保電機(jī)實(shí)現(xiàn)平穩(wěn)的加減速過(guò)程。

電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊的設(shè)計(jì)可分為定時(shí)計(jì)數(shù)模塊、加減速使能模塊、加減速變化模塊、脈沖輸出模塊及脈沖計(jì)數(shù)模塊。其中，定時(shí)計(jì)數(shù)模塊負(fù)責(zé)計(jì)算加減速的時(shí)間；加減速使能模塊用于比較當(dāng)前脈沖數(shù)與加速階段脈沖數(shù)以及減速階段的脈沖數(shù)，并在滿(mǎn)足對(duì)應(yīng)條件時(shí)發(fā)出加減速使能信號(hào)；加減速變化模塊在接收使能信號(hào)后開(kāi)始逐級(jí)加速或減速；脈沖輸出模塊產(chǎn)生與當(dāng)前速度對(duì)應(yīng)的脈沖信號(hào)；脈沖計(jì)數(shù)模塊記錄已輸出的脈沖個(gè)數(shù)。經(jīng)過(guò)上述模塊的硬件邏輯設(shè)計(jì)后，可以通過(guò)狀態(tài)機(jī)實(shí)現(xiàn)各狀態(tài)間的轉(zhuǎn)換，這一過(guò)程通常分為空閑、加速、勻速和減速四個(gè)階段，設(shè)計(jì)的有限狀態(tài)機(jī)如圖4所示。

2.3電機(jī)編碼器接口設(shè)計(jì)

根據(jù)系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案，ZYNQ 芯片的 PL 端通過(guò)接收編碼器傳送數(shù)據(jù)來(lái)確定機(jī)頭的位置。本系統(tǒng)使用分辨率為2000 P/R的光電旋轉(zhuǎn)增量式編碼器進(jìn)行機(jī)頭位移測(cè)量。在編碼器工作時(shí)，會(huì)輸出A相、B相、Z相三路差分方波信號(hào)[19]?？刂菩酒邮詹⑻幚磉@三路信號(hào)即可得到位移數(shù)據(jù)。利用A相與B相脈沖的相對(duì)位置可以判斷轉(zhuǎn)動(dòng)方向，即當(dāng)A相脈沖信號(hào)超前于B相90度相位時(shí)，編碼器為正轉(zhuǎn)；反之則為反轉(zhuǎn)。此外，當(dāng)編碼器完成一圈轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，A相或B相將輸出10000個(gè)脈沖信號(hào)，而Z相則會(huì)輸出一個(gè)信號(hào)。

本文選取A 相和B 相的脈沖信號(hào)進(jìn)行機(jī)頭位置計(jì)算，并通過(guò)PL端硬件邏輯設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)對(duì)編碼器數(shù)據(jù)的接收。主要包括脈沖信號(hào)的去抖動(dòng)處理[20]、根據(jù)設(shè)定條件判斷編碼器的正反轉(zhuǎn)以及使用計(jì)數(shù)器對(duì)輸入的脈沖信號(hào)進(jìn)行計(jì)數(shù)處理。硬件邏輯設(shè)計(jì)原理圖如圖5所示。

2.4位移傳感器接口設(shè)計(jì)

為了確?？椺樀倪\(yùn)動(dòng)高度達(dá)到預(yù)定要求，本研究使用激光位移傳感器來(lái)測(cè)定織針的高度變化，激光位移傳感器通過(guò)計(jì)算激光反射時(shí)間來(lái)測(cè)量位移，然后以模擬電壓的形式輸出位移數(shù)據(jù)（范圍為-5 V至+5 V）[21]。主控模塊可以通過(guò)接收模擬信號(hào)讀取測(cè)量數(shù)據(jù)。由于ZYNQ芯片的 PL 端無(wú)法直接處理模擬信號(hào)，因此需要使用高速AD芯片將模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)[22]。在此過(guò)程中，PL 端首先需要為 AD 芯片提供時(shí)鐘信號(hào)。通過(guò)官方提供的IP核，可以將系統(tǒng)時(shí)鐘分頻或倍頻為AD芯片所需的時(shí)鐘頻率，然后將芯片接入時(shí)鐘信號(hào)以對(duì)模擬信號(hào)進(jìn)行處理，最后，PL 端設(shè)置輸入接口以接收數(shù)字信號(hào)。該過(guò)程的頂層模塊原理圖如圖6所示。

2.5磁懸浮織針陣列控制狀態(tài)機(jī)設(shè)計(jì)

由于控制系統(tǒng)中的控制模塊較多，因此在串口模塊中引入了狀態(tài)機(jī)的設(shè)計(jì)，設(shè)計(jì)上采用了獨(dú)熱碼的編碼方式[23]，該方式只需對(duì)寄存器中的單個(gè)位進(jìn)行譯碼，可以在一定程度上簡(jiǎn)化譯碼邏輯的過(guò)程，從而提高系統(tǒng)的運(yùn)行速度。同時(shí)，采用了組合邏輯后增加一級(jí)寄存器的方式來(lái)有效地濾去組合邏輯輸出的毛刺[24]?？刂茽顟B(tài)轉(zhuǎn)換圖如圖7所示，系統(tǒng)狀態(tài)機(jī)主要分為空閑、數(shù)據(jù)接收、協(xié)議解析、電磁驅(qū)動(dòng)、數(shù)據(jù)采集、誤差修正這6個(gè)主要狀態(tài)。狀態(tài)轉(zhuǎn)換流程如下：a）狀態(tài)機(jī)首先處于空閑狀態(tài)，等待接收指令。一旦接收到指令，將跳轉(zhuǎn)到數(shù)據(jù)接收狀態(tài)；如果未接收到指令數(shù)據(jù)，狀態(tài)保持不變。b）接收到指令數(shù)據(jù)后，將數(shù)據(jù)送入相應(yīng)緩存模塊，接收完畢后進(jìn)入?yún)f(xié)議解析狀態(tài)。c）數(shù)據(jù)解析完畢后，根據(jù)對(duì)應(yīng)數(shù)據(jù)發(fā)送電磁和電機(jī)驅(qū)動(dòng)信號(hào)，進(jìn)入電磁驅(qū)動(dòng)狀態(tài)，對(duì)織針進(jìn)行驅(qū)動(dòng)。d）磁懸浮織針接收到驅(qū)動(dòng)信號(hào)后，進(jìn)入數(shù)據(jù)采集狀態(tài)，位移傳感模塊與編碼器模塊對(duì)織針和機(jī)頭的位移數(shù)據(jù)進(jìn)行采集。e）位移數(shù)據(jù)采集完畢后，進(jìn)入誤差修正狀態(tài)，將采集的位移數(shù)據(jù)與設(shè)定值對(duì)比，并進(jìn)行相應(yīng)補(bǔ)償，最后回到空閑狀態(tài)，等待下一次數(shù)據(jù)的接收。

2.6磁懸浮織針陣列硬件系統(tǒng)設(shè)計(jì)

硬件系統(tǒng)的設(shè)計(jì)主要通過(guò)編寫(xiě)頂層文件實(shí)現(xiàn)各模塊端口的互聯(lián)[25]。本硬件系統(tǒng)的頂層原理圖如圖8所示，系統(tǒng)輸入主要包括編碼器AB 相信號(hào)、時(shí)鐘信號(hào)、位移傳感器數(shù)字信號(hào)、上位機(jī)串口數(shù)據(jù)；輸出信號(hào)包括驅(qū)動(dòng)時(shí)鐘信號(hào)、電機(jī)驅(qū)動(dòng)器脈沖信號(hào)以及電磁線(xiàn)圈的PWM驅(qū)動(dòng)信號(hào)。

3測(cè)試結(jié)果與分析

為驗(yàn)證織針陣列控制系統(tǒng)是否達(dá)到預(yù)期結(jié)果，本研究使用Vivado內(nèi)置的 Simulation工具對(duì)各模塊以及硬件邏輯系統(tǒng)進(jìn)行仿真實(shí)驗(yàn)。首先對(duì)電磁線(xiàn)圈驅(qū)動(dòng)模塊進(jìn)行仿真驗(yàn)證，其仿真圖示如圖9所示。在仿真圖中，q1～q5、w 1～w5、 e1～e5、r 1～r5分別代表 PWM 輸出引腳，x 表示PWM信號(hào)的占空比數(shù)值，而count等信號(hào)則表示計(jì)數(shù)器時(shí)長(zhǎng)等參數(shù)。需要指出的是，PWM信號(hào)的頻率為20 KHz，其占空比根據(jù)設(shè)置的數(shù)據(jù)依次進(jìn)行變化，從而說(shuō)明設(shè)計(jì)的PWM信號(hào)發(fā)生器輸出的信號(hào)滿(mǎn)足驅(qū)動(dòng)電路的要求。

為驗(yàn)證磁懸浮織針控制系統(tǒng)是否正常工作，本研究通過(guò)頂層模塊實(shí)現(xiàn)了ZYNQ芯片的PL端與PS端的互聯(lián)。為充分發(fā)揮ZYNQ芯片的片內(nèi)通信優(yōu)勢(shì)，本研究將PL端的硬件邏輯系統(tǒng)封裝到一個(gè)帶有AXI總線(xiàn)的IP核中。在整個(gè)設(shè)計(jì)過(guò)程中， PL端通過(guò)AXI總線(xiàn)傳輸位移數(shù)據(jù)至PS端。具體操作包括在Block Design圖形界面中將已封裝好的自定義IP核與PS端的官方IP核添加至指定頁(yè)面，并建立PL端與PS端的布局連線(xiàn)，綜合執(zhí)行通過(guò)后生成 FPGA 的比特流文件，并將其導(dǎo)入到 SDK軟件中，最后將PS端程序一起下載進(jìn)ZYNQ 芯片中。Block Design設(shè)計(jì)頁(yè)面如圖10所示。

ZYNQ芯片下載程序后系統(tǒng)開(kāi)始工作，將運(yùn)動(dòng)織針的位移數(shù)據(jù)發(fā)送至上位機(jī)的對(duì)應(yīng)軟件中，并繪制位移曲線(xiàn)。在圖11中展示了位移數(shù)據(jù)的波形圖，其中藍(lán)色直線(xiàn)代表目標(biāo)值，紅色曲線(xiàn)則表示實(shí)際位移量。目標(biāo)值與實(shí)際值存在誤差是因?yàn)榭椺樑c管壁之間的摩擦力較大，有一定幾率出現(xiàn)織針卡頓的情況，同時(shí)線(xiàn)圈可能存在漏磁等問(wèn)題，且織針的運(yùn)動(dòng)高度越高，漏磁現(xiàn)象會(huì)越嚴(yán)重。本文將PID算法引入系統(tǒng)調(diào)節(jié)中，讀取位移數(shù)據(jù)后，將目標(biāo)值與實(shí)際值進(jìn)行差值計(jì)算，經(jīng)過(guò)三次計(jì)算后，由差值推導(dǎo)出增量值，隨后將增量值輸出至PL端，PL端輸出對(duì)應(yīng)的PWM信號(hào)，輸出之后再次讀取位移數(shù)據(jù)，重復(fù)上述步驟，所以在多次改變目標(biāo)值的大小后，可以觀察到位移曲線(xiàn)與目標(biāo)值基本符合，且響應(yīng)速度滿(mǎn)足要求。這表明算法功能基本滿(mǎn)足預(yù)期需求。

在磁懸浮織針陣列實(shí)際編織時(shí)，為保證編織過(guò)程的正常進(jìn)行，需要使機(jī)頭的運(yùn)動(dòng)速度與磁懸浮織針的響應(yīng)速度相匹配。因此進(jìn)行了磁懸浮織針運(yùn)動(dòng)頻率測(cè)算的實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)中使用了直流電源、磁懸浮織針陣列驅(qū)動(dòng)結(jié)構(gòu)、ZYNQ控制板以及串口觸摸屏等設(shè)備。在實(shí)驗(yàn)過(guò)程中，控制板通過(guò)調(diào)節(jié)電磁線(xiàn)圈的電流信號(hào)來(lái)驅(qū)動(dòng)織針進(jìn)行軸向往返運(yùn)動(dòng)，而串口觸摸屏則可以調(diào)節(jié)電磁線(xiàn)圈中的電流大小和變化頻率。本實(shí)驗(yàn)所使用的方波脈沖寬度為50μs，PWM 信號(hào)的頻率為20 KHz，PL端需輸出5組PWM信號(hào)，每組PWM信號(hào)由4路 PWM 信號(hào)組成，實(shí)現(xiàn)20路 PWM 信號(hào)的輸出功能。在本實(shí)驗(yàn)中，向線(xiàn)圈中通入1.3 A 和0.75 A的電流，分別測(cè)試織針在不同頻率下的運(yùn)動(dòng)高度，實(shí)驗(yàn)結(jié)果如表1所示，當(dāng)電流大小為1.3 A且頻率高于8 Hz時(shí)，織針運(yùn)動(dòng)高度開(kāi)始遞減，織針達(dá)到成圈高度20 mm 的最大頻率為12 Hz；而當(dāng)電流大小為0.75 A時(shí)，頻率高于6 Hz時(shí)織針運(yùn)動(dòng)高度開(kāi)始遞減，織針達(dá)到集圈高度12 mm的最大頻率為10 Hz。

本實(shí)驗(yàn)中的針距設(shè)置為1.2 cm，為了滿(mǎn)足成圈和集圈過(guò)程中織針都達(dá)到高度要求，頻率選為10 Hz，則機(jī)頭上5個(gè)線(xiàn)圈完成一枚織針針動(dòng)作所用的時(shí)間為0.1 s 。整個(gè)編織動(dòng)作分5步完成，步進(jìn)軌跡圖如圖12所示。當(dāng)織針進(jìn)行成圈動(dòng)作時(shí)，由機(jī)頭上的前3個(gè)線(xiàn)圈依次將織針驅(qū)動(dòng)到20 mm的高度，第4號(hào)線(xiàn)圈保持20mm的高度，第5號(hào)線(xiàn)圈產(chǎn)生吸引力將織針吸至原點(diǎn)。當(dāng)織針進(jìn)行集圈動(dòng)作時(shí)，由機(jī)頭上的前2個(gè)線(xiàn)圈依次將織針驅(qū)動(dòng)到12mm的高度，第3號(hào)和4號(hào)線(xiàn)圈保持12 mm的高度，最后一個(gè)線(xiàn)圈同樣將織針吸回至原點(diǎn)。

機(jī)頭的最大運(yùn)動(dòng)速度為0.6 m/s，計(jì)算公式如下：

式中：N 為機(jī)頭上的線(xiàn)圈數(shù)，d 為針距，T 為所有線(xiàn)圈完成一枚織針針動(dòng)作所用的時(shí)間。

完成對(duì)磁懸浮織針陣列控制系統(tǒng)功能模塊的仿真實(shí)驗(yàn)后，本研究搭建了實(shí)驗(yàn)平臺(tái)對(duì)整個(gè)系統(tǒng)進(jìn)行測(cè)試。該實(shí)驗(yàn)平臺(tái)主要由ZYNQ控制板、電源、磁懸浮織針陣列驅(qū)動(dòng)結(jié)構(gòu)、紅外位移傳感器、機(jī)頭、編碼器、觸摸控制器和示波器組成。在實(shí)驗(yàn)中，控制板發(fā)出主要控制信號(hào)后，步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器和控制板上的電磁驅(qū)動(dòng)模塊分別實(shí)現(xiàn)了機(jī)頭與織針的驅(qū)動(dòng)。系統(tǒng)根據(jù)編碼器反饋的機(jī)頭位置對(duì)織針進(jìn)行連續(xù)驅(qū)動(dòng)，而位移傳感器則負(fù)責(zé)傳輸織針的位移高度。整個(gè)系統(tǒng)依次對(duì)所有磁懸浮織針進(jìn)行逐一控制。

磁懸浮織針陣列試驗(yàn)圖如圖13所示。在該試驗(yàn)中，機(jī)頭以0.6 m/s的速度移動(dòng)時(shí)，電磁線(xiàn)圈依次對(duì)每一枚織針進(jìn)行驅(qū)動(dòng)，使其依次運(yùn)動(dòng)到成圈、集圈高度再返回原點(diǎn)。示波器測(cè)得控制板輸出的PWM信號(hào)較穩(wěn)定，織針運(yùn)動(dòng)高度符合預(yù)期結(jié)果?？傮w而言，控制系統(tǒng)的效果與預(yù)期基本一致，驗(yàn)證了控制系統(tǒng)的可行性。

4結(jié)論

本研究設(shè)計(jì)了一種以ZYNQ開(kāi)發(fā)板為核心的磁懸浮織針陣列控制系統(tǒng)。針對(duì)驅(qū)動(dòng)磁懸浮織針陣列的多路控制，進(jìn)行了系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)、 FPGA內(nèi)部結(jié)構(gòu)、軟件開(kāi)發(fā)及仿真的設(shè)計(jì)。通過(guò) Simulation仿真模擬，確定了控制系統(tǒng)的各項(xiàng)參數(shù)后，搭建了完整的系統(tǒng)試驗(yàn)平臺(tái)，并對(duì)磁懸浮織針陣列進(jìn)行了控制實(shí)驗(yàn)。在10 Hz 的運(yùn)動(dòng)頻率下重復(fù)進(jìn)行多次編織動(dòng)作實(shí)驗(yàn)，結(jié)果表明機(jī)頭均能夠按照預(yù)期要求的速度進(jìn)行運(yùn)動(dòng)，且磁懸浮織針均可上升至指定高度后再被吸下。因此，本文中的機(jī)頭與磁懸浮織針在實(shí)驗(yàn)過(guò)程中均表現(xiàn)穩(wěn)定，驗(yàn)證了本設(shè)計(jì)的控制系統(tǒng)具有較好的控制效果。

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