（机械设计及理论专业论文）基于μcosⅡ的电子送经控制系统设计.pdf

摘要 摘要 电子送经系统作为剑杆织机重要组成部分近年来发展迅速，凭借其优异的性 能正逐渐取代机械式送经系统。目前，国外的电子送经技术已经比较成熟。然而， 由于种种原因，国内在这方面的研究仍处于起步阶段。因此，本文研究开发高性 能的电子送经系统，对于提高国内织机的自动化水平，增强其国际竞争力有着重 要意义。主要工作如下： 1 ) 通过分析比较国内外剑杆织机的电子送经系统的主要形式和发展水平， 并结合其发展方向提出了本课题的目的和任务。 2 ) 详细分析了织造过程中电子送经运动的动作过程，根据p l c 步进控制原 理，设计了工作中的各种状态，并总结出了其中的状态转换关系，采用有限状态 机的思想来构建软件程序，实现电子送经控制过程。 3 ) 分析比较了当前各种嵌入式微控制器，选取n x p 的l p c 2 2 1 4 ( a r m 7 ) 为 主控芯片搭建电子送经的硬件平台，设计了经纱张力a d 采样电路、p w m 输出 电路、e e p r o m 存储电路、串口通信电路、l e d 显示电路、蜂鸣器电路、外扩 r a m 电路、按键电路、电源电路、j t a g 电路等。 4 ) 设计并调试了基于上述硬件平台的t t c o s i i 驱动程序，包括1 2 c 驱动、 u a r t 驱动、s p i n 驱动等，为基于嵌入式实时操作系统的多任务设计奠定了基础。 5 ) 分析了c o s i i 嵌入式操作系统的功能和特点，并移植到主控芯片上， 基于此设计并调试了电子送经控制中的模块任务。 6 ) 进行了送经系统的硬件和软件调试，并解决了调试过程中遇到的主要问 题。 7 ) 总结了系统中存在的不足，并指出了改进的方向。 关键词：剑杆织机电子送经t t c o s - i i有限状态机嵌入式系统 i i i 摘要 a b s t r a c t t h ee l e c t r o n i cl e t - o f fs y s t e mt h a ti sa ni m p o r t a n tp a r to f r a p i e rl o o mh a sb e e nd e v e l o p i n g r a p i d l yi nr e c e n ty e a r s t r a d i t i o n a lm e c h a n i c a ll e t - o f fs y s t e m sa r eb e i n gs u b s t i t u t e db ye l e c t r o n i c l e t - o f f s y s t e m sd e p e n d i n go nt h i c ra d v a n t a g eo f p e r f o r m a n c e a tp r e s e n t ，e l e c t r o n i cl e t - o f fs y s t e m o v e r s e a sh a sb e e nd e v e l o p e dw e l l ，b u tf o rm a n y r e a s o n s ，t h en a t i o n a lr e s e a r c h i n gi nt h i sf i e l di s j u s to nt h eu n d e r w a yl e v e l s ot h ep u r p o s eo ft h i sp a p e ri st os t u d ya n de x p l o i te l e c t r o n i cl e t - o f f s y s t e mw i t hl l i g hp e r f o r m a n c e 。w h i c hi sv e r yi m p o r t a n tf o ri m p r o v i n gt h en a t i o n a lr a p i e rl o o m s a u t o m a t i o na n di n t e r n a t i o n a lc o m p e t i t i v e n e s s t h em a i nw o r k si n c l u d e ： 1 ) t h i sp a p e rb r i n g su pt h es u b j e c t sp u r p o s ea n dc o n t e n tb yc o m p a r i n gp r e s e n te l e c t r o n i c l e t - o f fs y s t e mi nd o m e s t i ca n di n t e r n a t i o n a lm a r k e t ，趾dc o m b i n i n gt h ed i r e c t i o no ft h er a p i e r l o o m sd e v e l o p m e n t 2 ) t h i sp a p e ra n a l y s e st h ee l e c t r o n i cl e t - o f fs y s t e m sw o r kc o u r s ei nd e t a i l s ，a n dd e s i g n s t h es t a t e si nw o r k i n ga c c o r d i n gt ot h ep l cs t e p - c o n t r o lp r i n c i p l e ，a n ds u m m a r i z e st h et r a n s i t i o n r e l a t i o n ，a n dd e s i g n st h em a i nf r a m eo ft h ee n t i r es o f t w a r eb yu s i n gf i n i t e s t a t e - m a c h i n e 3 ) t h i sp a p e rc h o o s e st h en x p sl p c 2 21 4m c u 舔m a i nc o n t r o lu n i t et h r o u g hc o m p a r i n g p r e s e n ta l lk i n d so fe m b e d d e dm c u s ，a n dd e s i g n st h ea dc i r c u i tt os a m p l et h ew a r pt e n s i o n ， p w mc i r c u i t ，e e p r o mc i r c u i t ，u a r tc o m m u n i c a t i o n c i r c u i t ，l e dd i s p l a yc i r c u i t ，b u z z e rc i r c u i t ； e x t e r n a lr a m c i r c u i t ，b o t t o mc i r c u i t ，p o w e r - s u p p l yc i r c u i t ，j t a gc i r c u i ta n ds oo i l 4 ) t h i sp a p e rd e s i g n sa n dd e b u g st h ee l e c t r o n i cl e t o f fc i r c u i tm o d u l ed r i v e r sf o rp c o s - i i ， i n c l u d i n g1 2 cd r i v e r , u a r td r i v e r , s p id r i v e ra n ds oo n ，w h i c hi st h ef o u n d a t i o no ft a s k - d e s i g n b a s e do n c o s - i i 5 ) t h i sp a p e ra n a l y s e st h ef u n c t i o na n dc h a r a c t e r i s t i c so fi 上c o s i i ，a n dm i g r a t e si tt om a i n m c u ，a n dd e s i g n sa l lt h et a s kp r o g r a md u r i n ge l e c t r o n i cl e t - o f fw o r k i n gb a s e do np c o s - n 6 ) t h i sp a p e rd e b u g st h es o f t w a r eh a n dh a r d w a r eo ft h ee l e c t r o n i cl e t - o f fs y s t e m ，a n d s o l v e st h em a i np r o b l e m st h a to c c t h d u r i n gt h e p r o c e s s 7 ) t h i sp a p e rs u m m a r i z e st h ei n s u f f i c i e n c yo ft h i ss y s t e m ，a n dg i v e st h ed i r e c t i o nt o i m p r o v e k e y w o r d ：r a p i e rl o o m e l e c t r o n i cl e t - o f f i t c o s i i f m i t es t a t em a c h i n ee m b e d d e ds y s t e m i v 学号j 0 6 q 81 垒z 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取得的 研究成果。据我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其 他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得逝望盘堂或其他教育机 构的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献 均己在论文中作了明确的说明并表示谢意。 学位论文作者签名：刹刚签字眺伽略年夕月，日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解逝望盘堂有关保留、使用学位论文的规定， 有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘，允许论文被查阅和 借阅。本人授权逝 江盘堂可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库 进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编学位论文。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权书) 学位论文作者签名： 割刚 导师签名： 签字日期：知。8 年7 月 1 日 签字日期：斯 8 车尹月 日 学位论文作者毕业后去向： 工作单位： 通讯地址： 电话： 邮编： 第i 章绪论 1 1 剑杆织机 1 1 1 剑杆织机的特点 第1 章绪论 剑杆织机具有品种适应性广、小批量、多品种生产的高度灵活性、产品质量 可靠、噪声低等优势。其入纬率一般可达到6 0 0 9 0 0 m m i n 。有的机型能达到 1 2 0 0 m m i n 。对原纱的适应性比喷气织机好，围为它用剑头夹纬纱引纬，不需对 纯棉纱进行蒸纱定捻处理。 h 1 1 2 剑杆织机的发展趋势 从当前各国开发的新型剑杆织机分析其趋势可归纳如下： 1 ) 高产优质，提高劳动生产率，降低生产成本。 2 ) 扩大品种适应性，提高翻改花色品种能力，小批量多品种，适应市场需 求变化。 3 ) 广泛利用自控技术，用于收集，储存，显示生产数据，控制生产过程， 监测生产质量提高自动化程度。 4 ) 适应工厂现代化管理，降低劳动强度，减少人为因素的生产误差。 1 1 3 剑杆织机采用的新技术 当前业界内采用的主要新技术有： 1 ) 采用较小和较轻材质的剑杆体s u l z e r p i c a n o l 、v a m a t e x 和s o m e t 等公司 采用较小剑杆头，并用碳素纤维制成剑杆头、剑带和导剑轮，减小梭口动程尤 其是v a m a t e x 公司的p t o o l e e s 型的梭口高度减小为2 2 2 4 m m ，从而减少经纱 张力为提高车速和入纬率创造条件。 第1 章绪论 2 ) 发展新型传动系统 d o m i e r 公司在h 织机上采用电子启动控制机器可快速启动达到预定的车 速。p i c a n o l 公司的g t m 织机采用电磁离台器，提高启动和停车的安全性。 3 ) 自动切换纱尾的储纬器p i c a n o l 公司的g t m 上装有4 个i r o 储纬器 l a s e r 。当断纬时，通过e l t e x 纬纱监测器，储纬器就将尾纱自动切换到另一 个备用的储纬器上，机器可不停车。 4 ) 无导向器剑带 s u t z e r 公司g 6 1 0 0 机采用。优点是对下层经纱无钩攀，经纱和导向器间不产 生摩擦减少断经和油污。v a n l a t e x 公司的p 1 0 0 1 e e s 型采用单边导轨，将剑带、 剑头托起，位于棱口中间，与上下层经纱不发生摩擦。 5 ) 纬密无级变换 s o m c t 公司和v a m a c e x 公司采用，s o m c t 从2 5 - - - - 7 8 根c t n ，v a r m a t e x 为3 8 4 根c m 。 6 ) 普遍采用微机，监测和显示运行情况和各项工艺参数，开发电子多臂电 子提花能快速变换织物组织。结合电子迭经、电子卷取减少开车横档、保持经纱 张力恒定。 7 ) 采用折入边，织物达到有梭织机织物要求。 1 2 国外剑杆织机 当前国外很多著名公司都陆续推出了具有特色的剑杆织机。比利时的p i c a n o l 公司陆续推出了g t m 型、g 聊a 型、删一a s 型、g t x 型和g a m m a 型剑杆 织机；瑞士s u l z e r r u t i 公司陆续推出了g 6 1 0 0 型毛巾剑杆织机和g 6 2 0 0 型剑杆 织机；德国d o m i e r 公司推出了h ，和h t n 两大类剑杆织机；意大利 n l a o v o p i g n o n e 公司推出的s m i t 织机包括t p 5 0 0 型、t p 5 0 0 i i 型、t p 6 0 0 型和 f a s t 型。意大利v a m a t e x 公司推出了c 4 0 1 s 型和p 1 0 0 1 e e s 型剑杆织机；意 大利s o m c t 公司推出了t h e m a 1 l e 型和t h e m a s u p e r e x c e l 机型；日本 t o y o t a ( 丰田) 公司推出了l t l 0 2 型和b r 7 0 0 型机型；日本i s h i k a w a ( 石川) 公司 2 第l 章绪论 推出了i s l 7 2 5 型和i s l l 0 0 1 i i 型机型等【1 1 。 1 3 国内剑杆织机 1 3 1 国内剑杆织机状况 据不完全统计，截止2 0 0 6 年底，我国拥有各类织机约1 9 0 万台，其中有梭 织机1 0 9 5 万台，无梭织机8 0 万台。在无梭织机中简易剑杆g a 7 4 系列4 2 万 台，各类大剑杆1 2 万台。近十年来，我国织造行业无梭化进程发展迅速随着 人们生活水平的不断提高和产业的不断升级，人们对纺织成品档次的追求已远远 超过对量的追求。织造行业对无梭织机的需求发生了很大的转变，从量的扩张转 变为质的追求，近几年高档无梭织机进口量猛增充分说明这一点。 在无梭织机中，剑杆织机是织制中小批量、品种翻改频繁的花色织物通用又 最可靠的织机。杆织机入纬率比不过喷气，但品种的适应性优于喷气，投资成本 和运行费用低于喷气和片梭，深受中国用户的欢迎。我国从上个世纪8 0 年代开 始大量引进剑杆织机，至今已拥有1 1 个国家2 5 家厂商7 0 余种不同型号的剑杆 织机8 万台拥有简易剑杆g a 7 4 系列4 2 万台，国产中低档剑杆4 万台。在这 4 万台剑杆中，中低档产品占绝大多数。近几年进口的高档剑杆总计不超过2 万 台，国产的高档剑杆更是寥寥无几。然而市场对高档剑杆的需求却是与日俱增， 这给织机生产厂商提出了要求，更让他们看到了发展的希望【2 】。 1 3 2 国内剑杆织机的技术水平 根据一般分类原则，国产剑杆织机分为四类，如表1 1 ： 表1 1 国产剑杆织机分类 车速( r r a i n ) 产品适应范围质量保证功能 参考价格( 万台) 高档 4 5 0 5 5 0 广有 2 5 3 2 中高档 3 0 0 - 4 5 0 较广有 1 3 2 2 中档 2 2 0 3 0 0 专用部分有 5 1 0 中低档2 2 0 以下 窄 无 2 2 3 5 国产的高档剑杆织机主要指外商独资企业在国内生产的机型如：上海意达 3 第l 章绪论 的k 8 8 ，苏州毕加诺的g t x p 1 u s ，织机实用速度5 0 0 r m i n 左右，展示速度可 达6 0 0 r m i n ，机电一体化水平高，代表了国外2 0 世纪9 0 年代后期的技术水平。 除此三家外。上海太平洋的p g 6 0 0 ，上海中机的f a s t 型剑杆织机总体水平也较 高可归入高档织机行列。纵观国内外高档剑杆织机的技术水平，博采众家之长， 自主开发拥有完全自主知识产权的真正国产高档剑杆织机，刻不容缓【3 1 。 1 4 电子送经系统 织机的送经机构可以分为机械式送经和电子式送经两种。机械式送经机构由 于在传动件接点的摩擦、间隙、构件的运动惯性等因素，调节系统的动态响应比 较缓慢，经纱张力补偿不及时，调节难于准确。随着织机转速的不断提高，机械 式送经机构的不足之处日益明显，逐渐被电子式送经系统取代【4 1 。 电子式送经系统可以分为连续式送经和间歇式送经。由于间歇式电子送经机 构其经纱张力自动控制主要是通过控制送经电机正向启动时间的长短来实现的， 其原型为传统织机所采用的简单的电子送经控制形式，无法满足高速剑杆织机转 速的要求。并且长时间停车后，重新开车会导致开车痕影响织物质量，无法满足 对经纱张力均匀性要求较高的织物，因此现在织机主要采用连续式送经机构 5 t 。 电子送经系统结构简单，品种适应范围广，调节灵敏，操作方便，具有如下特点： 1 ) 有利于实现织机的智能化，提高其自动化程度，响应速度较快。 2 ) 对张力的控制精度高，可减少传动件的数量和传动链的累积误差，有利 于保持织造过程中的经纱张力恒定，提高织物布面质量。 3 ) 经纱动态张力变化平缓，波动量小。有利于经纱张力的调节自动化，增 大了送经量的调节范围，有利于扩大织机的品种适应性。 4 ) 利用微机控制技术及时的对织机的机械工作状态以及经纱张力等工艺参 数进行检测和调整，大大的提高了织机的转速，减少了经纱的断头率，有利于提 高织造效率。 5 ) 应用范围广。电子送经装置可以应用在剑杆织机、喷气织机、喷水织机 等多种织机上【6 1 。 4 第1 章绪论 电子送经系统一般由张力检测系统、送经控制系统和电机驱动系统三部分组 成1 7 1 。根据使用的驱动电机不同，当前常用的电子送经系统主要有以下几种：直 流电机伺服系统、交流电机伺服系统、步进电机系统和直流无刷电机系统【8 】【9 1 。 这几种控制系统有如下特点： 1 ) 直流伺服电机：机械特性较硬，现行调试范围大，易于控制，效率高。 比较适合用作送经电机。但是，直流伺服电机引纬有电刷的存在，长时间运转将 产生磨损，需要经常维护，在低速时，电刷合换向器易产生死角，电刷产生电火 花将干扰控制部分正常工作，并且直流放大器体积较大【l o l 。 2 ) 交流伺服电机：由于没有电刷合换向器，比较适宜在对电磁干扰有要求 的电子控制系统中，低速性能好。为了弥补其机械特性软、线性调速区小的缺点， 一般都使用测试装置，形成速度反馈，构成闭环控制系统，保证送经的线性特性。 本文便是采用交流伺服电机作为电子送经系统的驱动。 3 ) 步进电机系统：输入脉冲与步进电机的角位移量有严格的对应关系，步 距误差不会累积；转速只与控制脉冲的频率有关，在负载功能范围内不会因电流、 电压、负载的大小和环境条件的波动而发生变化；在一定的频率范围内，能按脉 冲的要求快速启动、停止和翻转；具有自锁功能，定位精度高f l l l 。 4 ) 直流无刷电机：采用电子换向装置代替了机械换向装置，既克服了一般 直流电机由于机械换向带来的缺点，又保持了其调速方便的特点，因而得到了广 泛的应用【1 2 】【1 3 1 。 1 5 嵌入式系统简述 嵌入式系统定义：嵌入式系统是以应用为中心，以计算机技术为基础，并且 软硬件可裁剪，适用于应用系统对功能、可靠性、成本、体积、功耗有严格要求 的专用计算机系统。它一般由嵌入式微处理器、外围硬件设备、嵌入式操作系统 以及用户的应用程序等四个部分组成，用于实现对其他设备的控制、监视或管理 等功能【1 钔。 嵌入式系统包括硬件和软件两部分。硬件包括处理器微处理器、存储器及 第1 章绪论 外设器件和i o 端口、图形控制器等。软件部分包括操作系统软件( 要求实时和 多任务操作) 和应用程序编程。有时设计人员把这两种软件组合在一起。应用程 序控制着系统的运作和行为；而操作系统控制着应用程序编程与硬件的交互作 用。 嵌入式系统的核心是嵌入式微处理器。嵌入式微处理器一般就具备以下4 个 特点： 1 ) 对实时多任务有很强的支持能力，能完成多任务并且有较短的中断响应 时间，从而使内部的代码和实时内核心的执行时间减少到最低限度。 2 ) 具有功能很强的存储区保护功能。这是由于嵌入式系统的软件结构已模 块化，而为了避免在软件模块之间出现错误的交叉作用，需要设计强大的存储区 保护功能，同时也有利于软件诊断。 3 ) 可扩展的处理器结构，以能最迅速地开展出满足应的最高性能的嵌入式 微处理器。 4 ) 嵌入式微处理器必须功耗很低，尤其是用于便携式的无线及移动的计算 和通信设备中靠电池供电的嵌入式系统更是如此，如需要功耗只有m w 甚至川 级。 虽然8 位控制器仍占据着低端嵌入式产品市场，但是随着人们对速度和功能 的要求不断提高，随着半导体的生产制造成本不断下降，随着全球i c 的市场竞 争日趋激烈，毫无疑问，嵌入式微控制器必将迎来以a r m 为核心代表的3 2 位 高性能微控制器的新时代。 1 6 本课题的研究目的和主要工作 经过多年的研究和积累，实验室已经具备比较完善的以p l c 为核心的电子 送经控制系统。本课题基于此选用l p c 2 2 1 4 ( a r m 7 ) ，致力于开发出以3 2 位嵌入 式控制器为核心的低成本、高性能的电子送经控制系统，力求从硬件和软件上替 代原有系统，为提高国内电子送经系统的水平，增强其国际竞争力做出贡献。在 本课题中，作者做了如下工作： 6 第l 章绪论 1 ) 详细分析了织机工作过程中电子送经的细节，根据p l c 步进控制原理， 总结出了其中的状态转换关系。 2 ) 设计了系统工作过程中的各种状态，采用有限状态机的思想来构建程序， 实现电子送经的控制过程。 3 ) 分析比较了当前各种嵌入式微控制器，选取n x p 的l p c 2 2 1 4 ( a r m 7 ) 为 主控芯片构建电子送经控制系统的硬件平台，设计了经纱张力a d 采样电路、 p w m 输出电路、e e p r o m 存储电路、串口通信电路、l e d 显示电路、蜂鸣器 电路、外扩r a m 电路、按键电路、电源电路、j t a g 电路等。 4 ) 设计并调试了基于上述电路模块的t t c o s i i 驱动程序，包括1 2 c 驱动、 u a r t 驱动s p i h 驱动等，为基于嵌入式实时操作系统的多任务设计奠定了基础。 5 ) 分析t p c o s i i 嵌入式操作系统的功能和特点，并移植到主控芯片上， 基于此设计并调试了送经过程中的模块任务。 6 ) 进行了送经系统的硬件和软件调试，并解决了调试过程中遇到的主要问 题。 7 第2 章经纱张力控制 2 1 经纱张力 第2 章经纱张力控制 经纱张力作为影响电子送经的重要因素之一，对成布的质量有着至关重要的 影响。在多个织造周期中，平综时保持较为稳定的经纱张力，则纬密均匀，可避 免稀疏不一。随着织造的进行，开口运动、打纬运动和送经卷取运动的不断反复 进行，对单位长度的经纱来说，其受到的拉伸作用往往达到几千次。在这些因素 的作用下，经纱的浆膜收到破坏，纱线产生毛羽，结构变得松散。这样，经纱就 容易产生断头【1 5 1 。 2 2 经纱张力分类 2 2 1 经纱静态张力 经纱静态张力指的是经纱上机时候的张力，是织造工艺的重要参数。织造正 常工作中必须有适当的静态张力，它不仅是开清梭口的重要条件，也是打紧纬纱， 均匀经纱张力以形成良好织物结构的重要条件。 如果上机张力太小，则打纬困难，纬纱难于相对经纱向前运动，而会使纬纱 带着经纱一起前进，不仅没有达到打纬目的，还使得钢筘后面的经纱张力骤增， 从而容易产生经纱断头。当钢筘后退时，经纱与纬纱也会一起后退，从而无法得 到预期的纬向紧度。此外，上机张力太小，会造成开口不清，影响引纬，容易造 成跳花织疵。上机张力太小还会使得织物中纱线排列不匀整、布面不丰满、条影 显著。如果上机张力太大，纱线容易疲劳，伸长量太大而容易断裂，同样会造成 布面条影和不匀整、不丰满等现象。上机张力对织物的物理机械性能也有很大的 影响，在一般情况，上机张力大，则经织缩率小，纬织缩率大，布长增加而布幅 减小，经密增加而纬密减小，布面匀整而纹路不清晰，耐摩性和经向强度都有所 增加。上机张力小则结果相反【l6 1 。 第2 章经纱张力控制 从织物内在力学性能来看，不宜采用较大的上机张力，当上机张力增加时， 织物的厚度、重量、强力以及经纬向密度的变化较小，但经向织缩和断裂伸长的 减小却较大。研究表明，经向断裂和支持面大的，往往其服用牢度较大。采用较 小的上机张力时，织物的经向断裂功较大；同时采用适当较小的上机张力后，经 纬纱的屈曲波高之比接近于1 ，经纬纱同时显露于织物表面，增加了支持面，克 服了上机张力较大时纬纱屈曲较多，经纱在织物表面显露较少，因而支持面较小 的缺点【1 7 1 。 由以上分析可知，上机张力应根据织物的品种和织机类型等具体情况确定。 例如，在织造总经数较多的紧密织物时，为了开清梭口和打紧纬纱，可适当增加 上机张力；当织造稀薄织物时，上机张力要适当减小，以利于减少经纱断头率。 剑杆织机梭口高度小而引纬速度高，对于梭口清晰度要求较高，所以上机张力应 该较大。 2 2 2 经纱动态张力 经纱动态张力受开口、打纬、送经、卷取等因素的影响【1 酊。 1 ) 开i = 1 过程中，经纱产生拉伸，使张力发生变化，导致后梁位置的相应变 化。由于后梁系统自身的质量及绕支点摆动的转动惯量，它的运动与开口或打纬 之间总是存在一定的滞后现象。显然，经纱的动态张力不仅取决于开口的作用， 而且与后梁的频率响应密切相关。与后梁系统的固有频率相比，当开口的运动频 率较低时，后梁的摆动与开口或打纬运动之间的相位差就小，其结果必然导致较 小的经纱动态张力；反之，当开口的运动频率较大时，经纱将承受较大的动态张 力。 2 ) 打纬过程中，在钢筘把纬纱推向织口的过程中，由于经纬纱相互交织而 发生弯曲、摩擦，产生了阻碍钢筘前进的阻力。同时，经纱张力随梭口的开放而 增加。经纬纱的共同运动和纬纱的单独运动是交替发生的。在打纬过程的前一段 时间内，以纬纱的相对运动即单独运动为主，在后一段时间内，则以经纬纱的共 同运动为主。当纬纱相对于经纱运动时，经纱发生松弛，而当经纱和纬纱共同运 9 第2 章经纱张力控制 动时，经纱伸长变形。 3 ) 送经和卷取过程中，送经电机根据预先设定的纬密，每打一纬，送经电 机送出一定的经纱，以保证织造过程中张力的波动在允许的范围内。随着织造过 程的进行，织轴的半径不断变小，送经电机相应的调整转速，以适应于张力调节。 而卷取电机则根据纬密以恒定转速运动【1 9 】【2 们。 2 3 经纱张力控制算法 如前所述，不同的织物在织造过程中所需的静态张力和允许的动态张力范围 是不同的。借鉴实验室的p l c 电子送经控制程序，本文采用如下方法进行控制： 1 ) 针对具体的织物以及纺织要求，在织造运动开始前对电子送经系统设定 适当静态张力；允许的最大张力、最小张力以及允许的波动范围。 2 ) 在织造过程中，避开打纬和梭口打开至最大期间的织机工作圆角范围， 在设定角度进行a d 连续采样，并通过算术平均，获得当前工作周期经纱张力 有效值。 3 ) 比较当前张力与预设张力，p w m 输出控制送经电机。 1 0 第3 章电子送经运动过程分析 第3 章电子送经运动过程分析 3 1 织物形成的原理 织物是在织机上制成的，这个工艺过程称为织造，绝大多数的机织物是由互 成直角的两个纱线系统交织形成的，沿织物长度方向( 纵向) 排列的是经纱，沿 宽度方向( 横向) 排列的是纬纱，经纬纱相互之间上下浮沉、曲折交错而形成平 挺的织物【2 1 1 ，如图3 1 ： w a m b e a m h 捌l d t o s 图3 1 织物原理图 各根经纱以一定的张力平行地从织轴w a r p b e a m 上引出，绕过后梁，通过分 绞棒，穿过综丝h e d d l e s 的综眼而抵达开口区；穿有相同升降规律经纱的综丝则 挂装在同一综框h a r n e s s 上，当综框分别朝上下运动时，全部经纱就被分开为两 片，形成菱形的梭口；引纬器s h u t t l e 带引纬纱穿越梭口，引入纬纱；当综框再 次交替上下时，就形成了经纬纱的交错；接着由梳齿状的筘r e e d 将夹在经纱片 中的纬纱打向织口，形成织物；织成的织物经胸梁被卷取辊c l o t hr o l l 引离织口， 并卷成布卷c l o t h 。 3 2 工作原理 织造时必须有三个基本工作件，完成三个基本运动：开口机件完成开口运动， 第3 章电子送经运动过程分析 用引纬器作引纬运动，再用筘进行打纬运动，此外为了维持织造过程的连续进行， 还需要两个辅助运动，即送经运动和卷取运动，统称为织机的五大运动。结合本 文目的，现只介绍送经运动概况。 送经运动：送经运动是在织造过程中，送经装置以一定的速率将经纱从织轴 上退绕下来，不断补充到织造区域；与此同时，通过张力监测装置，还要使经纱 在整个织造过程中保持均匀的张力。送经机构按控制方式可分为机械送经结构和 电子送经机构。 较典型的连续式机械送经装置的基本结构是含有能作变速传动环节的减速 轮系，可以按照经纱张力的变化调整速比，保持经纱张力的稳定；并且在轮系中 安排一对蜗杆蜗轮副，依靠它们的自锁作用，防止经纱张力产生多余送经。该机 构的张力调节装置比较复杂，由于传动件连接点的摩擦、间隙、构件的运动惯性 等因素，调节系统的动态响应较迟缓，经纱张力补偿不很及时，调节难以精确。 电子送经装置一般是运用非电量电测的方法采集经纱张力信号，以电子或微 机技术对信号加以处理后，对单独的送经电动机进行控制、调节，驱动织轴送出 经纱，并维持经纱张力的恒定。和机械送经装置相比，它有结构简化、反应灵敏、 调节精确、操作方便、易于联动、可以实现微机集中控制等特点，充分体现了机 电一体化的优势【2 2 1 。 3 3 工作状态分析 电子送经作为织机的重要组成部分，与织机的工作过程有着密切联系。在织 造过程中，电子送经的当前状态取决于此时的织机工作状态。当织机的工作状态 发生变化时，要求送经系统作出相应的动作；当送经系统完成动作响应后，便告 知织机，以便进行下一步动作。 由此可知，电子送经的工作过程受制于织机的状态，并且反作用于织机。通 过这种配合关系实现织造运动的正确运行。为了明确织造过程中电子送经系统的 动作细节，必须首先分析织机的工作过程。本文采用“有限状态机的思想，将 织机的工作过程划分为一系列的离散工作状态口3 】【2 4 】，进行u m l 建模。在任何时 1 2 第3 章电子送经运动过程分析 刻，系统必处于且唯一处于某一确定工作状态。当织机在某一工作状态下运行时， 接收外部信号。织机在当前工作状态中，根据所接收的信号，或者进行处理输出 不发生工作状态转移，或者通知主程序将要发生工作状态转移，并在当前工作状 态返回将要转移到的目标工作状态。通过对织机工作过程进行深入分析，将其分 为1 5 个主要工作状态，分别对应于控制程序的1 5 个状态处理机，并总结出了其 中的转换关系。 1 5 个织机工作状态分别为：停车状态、快车准备状态、快车状态、点动状态、 回转状态、经停状态、手停状态、纬停状态、纬离故障状态、慢离故障状态、编 码器故障状态、找纬状态、满卷状态、油压过低状态和制动角过大状态。限于篇 幅，本文在此只给出几个典型的状态转换图。 停车状态：织机上电的初始工作状态。该工作状态可以转移到点动状态、回 转状态和找纬状态( 箭头上的数字代表着相应控制程序中的转换信号位置) ， 如图3 2 ： 图3 2 停车状态 快车状态：快车状态由快车准备状态进入，可转移到纬停状态、手停状态、 经停状态( 发送消息给电子送经系统) 、油压过低状态、纬离故障状态、高压制动 状态、编码器故障状态和满卷状态，如图3 3 ： 第3 章电子送经运动过程分析 图3 3 快车状态 经停状态：在电子送经过程中，经停状态分为两部分。进入经停状态后，先 转移到经停1 状态，在根据输入信号转移处理，最后转移到停车状态或者慢离故 障状态，如图3 4 ： 图3 4 经停状态 完整的织机工作状态转换图如图3 5 ： 1 4 第3 章电子送经运动过程分析 图3 5 织机工作状态转换图 第4 章电子送经系统硬件设计 第4 章电子送经系统硬件设计 4 1 硬件设计原则 系统的扩展和配置应遵循以下原则： 1 ) 尽可能选择典型电路，并符合器件的常规用法。为硬件系统的标准化、 模块化打下良好的基础。 2 _ ) 系统扩展与外围设备的配置水平应充分满足应用系统的功能要求，并留 有适当余地，以便进行二次开发。 3 ) 硬件结构应结合应用软件方案一并考虑。硬件结构与软件方案会产生相 互影响，考虑的原则是：软件能实现的功能尽可能由软件实殃，以简化硬件结构。 但必须注意，由软件实现的硬件功能，一般响应时间比硬件实现长，且占用c p u 时间。 钔系统中的相关器件要尽可能做到性能匹配。如选用c m o s 芯片单片机构 成低功耗系统时，系统中所有芯片都应尽可能选择低功耗产品。 5 ) 可靠性及抗干扰设计是硬件设计必不可少的一部分，它包括芯片、器件 选择、去耦滤波、印刷电路板布线、通道隔离等。 6 ) 单片机外围电路较多时，必须考虑其驱动能力。驱动能力不足时，系统 工作不可靠，可通过增设线驱动器增强驱动能力或减少芯片功耗来降低总线负 载。 7 ) 尽量朝“单片”方向设计硬件系统。系统器件越多，器件之间相互干扰也 越强，功耗也增大，也不可避免地降低了系统的稳定性【2 5 】。 4 2 硬件系统的抗干扰 4 2 1 干扰因素 抗干扰是硬件系统的一个重要方面，影响系统可靠安全运行的因素主要来自 1 6 第4 章电子送经系统硬件设计 系统内部和外部的各种电气干扰，并受系统结构设计、元器件选择、安装、制造 工艺影响。这些都构成硬件系统的干扰因素，常会导致系统运行失常。形成干扰 的基本要素有三个： 1 ) 干扰源：指产生干扰的元件、设备或信号，用数学语言描述如下：d u d t ， d i d t 大的地方就是干扰源。如继电器、可控硅、电机、高频时钟等都可能成为干 扰源。 2 ) 传播路径：指干扰从干扰源传播到敏感器件的通路或媒介。典型的干扰 传播路径是通过导线的传导和空间的辐射。 3 ) 敏感器件：指容易被干扰的对象。如：a d 、d a 变换器，m c u ，数字 i c ， 弱信号放大器等。 4 2 2 常用抗干扰的方法 针对形成干扰的三要素，采取的抗干扰主要有以下手段： 1 ) 抑制干扰源：尽可能的减小干扰源的d u d t ，d i d t 。这是抗干扰设计中最 优先考虑和最重要的原则，常常会起到事半功倍的效果。减小干扰源的d u d t 主 要是通过在干扰源两端并联电容来实现。减小干扰源的d i d t 则是在干扰源回路 串联电感或电阻以及增加续流二极管来实现。 2 ) 切断干扰传播路径：按干扰的传播路径可分为传导干扰和辐射干扰两类。 所谓传导干扰是指通过导线传播到敏感器件的干扰。高频干扰噪声和有用信号的 频带不同，可以通过在导线上增加滤波器的方法切断高频干扰噪声的传播，有时 也可加隔离光耦来解决。特别要处理电源噪声。所谓辐射干扰是指通过空间辐射 传播到敏感器件的干扰。一般的解决方法是增加干扰源与敏感器件的距离，用地 线把它们隔离和在敏感器件上加屏蔽罩。 3 ) 提高敏感器件的抗干扰性能：是指从敏感器件这边考虑尽量减少对干扰 噪声的拾取，以及从不正常状态尽快恢复的方法。 1 7 第4 章电子送经系统硬件设计 4 3 硬件系统总体设计 4 3 1 系统硬件结构 由前述可知，电子送经系统的硬件执行部分主要包括 1 ) a d 采样输入：通过张力传感器，采样获取经纱张力值。 2 ) 控制处理：主控制器根据当前织机的状态，对a d 采样所得的经纱张力 值进行处理。一方面p w m 输出控制送经电机，另一方面与织机进行信 息交互。 3 ) p w m 输出：根据采取的张力值，通过计算，p w m 输出控制送经电机的 转速。 考虑到系统的整体要求和系统软件的升级，在硬件上留有丰富的资源， 本文设计硬件系统如图4 1 ，该系统包括1 1 个模块，下面详细介绍主要模块 的详细设计过程【2 6 】【2 7 】【2 引。 图4 1 系统硬件结构图 1 8 第4 章电子送经系统硬件设计 4 3 2 主控制器l p c 2 2 1 4 嵌入式处理器发展迅速，功能越来越强，种类也越来越繁多，如m i p s ， p o w c r p c ，x 8 6 ，a r m ，p i c 等，但这些嵌入式处理器受到价格以及兼容性等因 素要求的限制，应用状况有所不同。m i p s 和p o w c r p c 处理器市场定位较高，对 于成本敏感的应用并不合适；而x 8 6 系列处理器要与8 0 8 6 、2 8 6 、3 8 6 等保持兼 容性，使用相同的指令集，从而限制了c p u 系统性能的提高；当今嵌入式领域 中使用最为广泛的是基于a r m 体系结构的嵌入式处理器，其占据了8 0 以上的 3 2 位嵌入式处理器市场份额，从发展之初至今，a r m 公司已经推出a r m 7 ， a r m 9 ，a r m 9 e ，a r m l 0 ，s e e u r e c o r e 以及i n t e t 的s t r o n ga r m 和x s c a l e 等一 系列的产品【2 9 】【3 们。 本文根据系统要求，通过对片上资源和价格的比较，选用n x p 的l p c 2 2 0 0 系列的m c u 【捌，如图4 2 ： i 荐曩 。宠鲢毓镰薯。i 。“”率蠹接口獭 。自譬 5-；- _工信 加窘 l 豆e p i i o 疆爰矗。封装il 曩孛 羹弩 嗍：鬣 v v d tu a r tt 2 c8 p l8 8 pc a n 囊 宅电压电压 删f l a o h定时蛰 l h - 事平 i l p c 2 2 1 01 6 k ， ，| ， ， 226 0 低 1 83 34 8 8 58 - c i v l0 b i tl q f p l4 4 i l l 托2 2 2 06 4 k ， ， 21111 6 0 低 183 34 0 - - 8 5 8 - c h ，1 阻b l t l q f p l4 4 t f b g a l4 4 l p c 2 2 1 21 6 k1 2 8 k ， ， o ， 226 0 一 低1 83 3- 4 0 - 8 58 - c i v lo - b i t l q f p l 4 4 l _ p c 2 2 1 毒；16 k2 5 6 k ，jj ， 2126 0 i ，! 低1 ，83 34 0 , - - 8 5 8 - c h 10 - b i tl o f p l 4 4 l 1 c 2 2 9 0 1 6 k ， ， ， ， 212 26 0 ；羹 1 83 3 4 p v 8 5 8 - c h ，1o - b i tl q f p l 4 4 一_ 一 l p c 2 2 0 216 k2 5 6 k ， ，j 2 1 226 018 ：3 3 4 0 n 8 58 - c i v l0 - b i t ：l o f p l4 4 t p c z z 1 6 k2 5 6 k ， ， 2 246 0 低1 ，a3 3- 4 0 。12 58 - c i v lo - i o i tl q f p l 4 4 图4 2l p c 2 2 0 0 系列产品图 考虑到以后系统的扩展和芯片的价格，选用片内f l a s h 较大，由于本系统 无需c a n 控制器，故决定选用l p c 2 2 1 4 作为主控芯片。l p c 2 2 1 4 是基于一个支 持实时仿真和跟踪的1 6 3 2 位a r m 7 t d m i s 刑c p u ，并带有2 5 6 k 字节( 1 【b ) 嵌入 的高速f l a s h 存储器。1 2 8 位宽度的存储器接口和独特的加速结构使3 2 位代码 能够在最大时钟速率下运行。对代码规模有严格控制的应用可使用16 位t h u m b 模式将代码规模降低