（计算机应用技术专业论文）基于dsp的全自动落筒生头装置设计与开发.pdf

摘要 转杯纺纱又称气流纺纱。在纺纱领域中，转杯纺纱是目前技术上最成熟、应 用面最广，经济效益十分显著的一种纺纱方法。而在我国，全自动纺纱机全是进 口设备，实现我国自主研发的全自动纺纱装置有重大的意义。本课题就是基于 d s p 开发板设计和研发了全自动落筒生头装置，实现了落筒生头动作的自动化。 本文首先介绍了全自动落简生头装置的基本功能和实现过程中涉及到的技 术知识。该装置选用了当前技术已经成熟的t i 公司的t m s 3 2 0 l f 2 4 0 7 a 丌发板 作为系统硬件开发平台，利用i o 功能模块采集传感器输入信号和输出动作控制 信号，对装置的状态进行实时监控，使用事件管理e v 模块输出p w m 脉冲到电 机驱动扳，对装置的运动部件进行精确控制，通过c a n 控制器模块实现了与上 位机p l c 的数据通信，完成了全自动装置和主机状态数据信息的交换。所有软 件都使用u s b 接口的仿真器在t id s p 集成开发环境c c s 2 0 下调试通过。本文 主要描述装置在接收到上位机任务指令后，能够按照时序精确地自动完成卸载满 卷装、放置空纸管并且生成预留尾纱的一系列动作，而且与清洁接头动作同步进 行，从而真j 下地实现纺纱工作的自动化。其中重点关注脉冲调制电路p w m 对电 机的控制和基于c a n 现场总线协议的数据通信。 全自动抽气式转杯纺纱机是中国纺机集团的研发项目，本课题是项目中的重 点开发部分。目前大部分项目有关实验已经完成，设备正处于调试试制阶段。 关键词：转杯纺；自动化；d s p ：c a n 现场总线 a b s t r a c t r o t o rs p i n n i n gi sa l s oc a l l e da i r f l o ws p i n n i n g i ns p i n n i n gf i e l d ，r o t o rs p i n n i n gi s c u r r e n t l yt e c h n i c a l l ym a t u r e d ，w i d e l yu s e da n ds i g n i f i c a n ti ne c o n o m i ce f f i c i e n c y s p i n n i n gm e t h o d a tt h es a m et i m e ，a u t o m a t i cs p i n n i n gm a c h i n e sa l li m p o r t e df r o m o t h e rc o u n t r i e s ，t h e r e f o r em a n u f a c t u r eo fa u t o m a t i cs p i n n i n gm a c h i n e so fo u ro w ni s o fg r e a ts i g n i f i c a n c e t h ep a p e ri n t r o d u c e st h ep l a no fa u t o m a t i ca p p a r a t u sw h i c hc a n r e a l i z ep a c k a g ed o f f e ra n dy a r ns t a r t i n gb a s e do nd s pp r i n t i n gc i r c u i tb o a r d f i r s t ，t h ea r t i c l ep r e s e n tt h eb a s i cf u n c t i o no fa u t o m a t i ca p p a r a t u sa n dt h e t e c h n i q u ek n o w l e d g ei n v o l v e di n t h er e a l i z i n gp r o c e s s t h i se q u i p m e n te m p l o y t m s 3 2 0 l f 2 4 0 7 ap r i n t i n gc i r c u i tb o a r dw h i c hf r o mt e x a si n s t r u m e n t si n c o r p o r a t e d a sd e v e l o p i n gp l a t f o r m ，u s i n gi om o d u l e ，c o l l e c ts e n s o ri n p u ts i g n a l s ，o u t p u tc o n t r o l s i g n a l sa n dm o n i t o rs t a t eo ft h ee q u i p m e n t e v e n tm a n a g e m e n tm o d u l eo u t p u tp w m p u l s et oc i r c u i tb o a r do fd r i v i n ge l e c t r o m o t o r a n dc o n t r o la c t i o np a r t se x a c t l y r e a l i z i n gd a t ac o m m u n i c a t i o nw i t hm a i n f r a m ep l ca n de x c h a n g i n gi n f o r m a t i o n b e t w e e nt h ea p p a r a t u sa n dm a i n f r a m ei sc o m p l e t e db yu s i n gc a nc o n t r o l l e rm o d u l e a l lt h ep r o c e d u r e sd e b u g g e ds u c c e s s f u l l yi ni n t e g r a t e dd e v e l o p m e n te n v i r o n m e n t c c s 2 0t h r o u g he m u l a t o rw h i c hh a sau s bi n t e r f a c e t h i sa r t i c l em a i n l yd e a l sw i t h t h ea p p a r a t u st h a tc o u l dr e a l i z eas e r i e so fm o t i o n si n c l u d i n ga u t o m a t i cp a c k a g e r e m o v a l ，a u t o m a t i cc a l lc h a n g i n gs y s t e ma n ds t a r t i n gy a mc r e a t i o nw h e ni t r e c e i v e s i n s t r u c t i o nf r o mm a i n f r a m e f u r t h e r m o r e ，a l lm o t i o n sk e e pi ns y n c h r o n i z a t i o nw i t h c l e a na n dp i e c em o t i o n s t h i sp a p e ri sm a i n l yr e l a t e dt oc o n t r o l l i n ge l e c t r o m o t o rb y u s eo fp u l s ew i d t hm o d u l a t i o nc i r c u i ta n dd a t ac o m m u n i c a t i o nb a s e do nc a n f i e l d b u s p r o t o c 0 1 a u t o m a t i ce x t r a c t i o nr o t o rs p i n n i n gm a c h i n ei st h ed e v e l o p m e n tp r o j e c to fc h i n a t e x t i l em a c h i n eg r o u p ，t h i sp a p e ri st h ei m p o r t a n tp a r to fw h i c h s of a r , am a j o r i t yo f e x p e r i m e n t s h a v e b e e n c o m p l e t e d a n dt h e e q u i p m e n t i si nt h e p h a s e o f t r i a l m a n u f a c t u r e k e y w o r d s ：r o t o rs p i n n i n g ；a u t o m a t i c ；d s p ( d i g i t a ls i g n a lp r o c e s s o r ) ；c a nf i e l db u s 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和取得的 研究成果，除了文中特别加以标注和致谢之处外，论文中不包含其他人已经发表 或撰写过的研究成果，也不包含为获得丞洼王些太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了谢意。 学位论文作者签名：勰恩 签字同期加孑年月雄同 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解云洼王些太堂有关保留、使用学位论文的规定。 特授权云洼王些太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，并采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编以供查阅和借阅。同意学 校向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权说明) 学位论文作者签名：元& 霉 导师签名： 签字同期：捌年月抛日签字同期：扣扩年7 月以 学位论文的主要创新点 一、以人工落筒生头动作的分析为基础，参考德国赐莱福公司 a u t o c o r 0 3 6 0 型和瑞士立达公司r 4 0 型全自动转杯纺纱机，得出基于 d s p 设计和开发全自动落筒生头装置的可行性结论。 二、选用t i 公司用于工业控制的t m s 3 2 0 l f 2 4 0 7 a 芯片作为核心， 搭建硬件开发平台，使用阿沃德公司运行稳定的步进电机和欧姆龙公 司高精度的传感器作为外部设备，不仅保证了动作的实时性和正确 性，而且降低了研发成本。 三、将程序细分为系统初始化、c a n 通信、电机控制、落筒动作 和生头动作等几个模块，使用c c s 集成开发环境和d s p 中断系统的技 术支持，使得装置在保证落筒生头动作准确性的基础上，完成与接头 动作的协调同步运行。 第一章绪论 l 。1 课题来源和背景 第一章绪论 转杯纺纱是迄今最成熟、最成功的新型纺纱技术，是自由端纺纱的一种形式， 它是通过高速旋转的转杯及杯内负压完成纤维的输送、凝聚、并合、加捻成纱的 一种纺纱方法【1 1 。转杯纺纱在国际上的标准称呼是r o t o rs p i n n i n g ，翻译为转杯 纺纱。我国在二十世纪八十年代制订的国家标准g b 6 0 0 2 7 _ 8 7 中，正式命名为 转杯纺纱。 从1 9 6 5 年捷克制造第一台转杯纺纱机起，国际先进纺纱设备制造商不断创 新，提高纺纱性能，目前进一步向高速、高产、大卷装、全自动化方向发展。转 杯纺纱机有抽气式和自排风式两种，1 9 6 7 年至1 9 9 5 年欧美发达国家抽气式型转 杯纺纱机的转杯速度在7 8 万转分，东欧、俄罗斯等国家自排风式转杯纺纱机 的转杯转速在4 5 7 万转分【2 3 1 。上世纪7 0 年代8 0 年代捷克的b d 系列、德国 r u 系列、a u t o c o r o 系列、瑞士m 1 1 、r 1 、英国8 8 7 系列、日本b s 、h s 系列 等先进转杯纺纱机开始进口我国，目前国外先进的转杯纺纱机大都采用抽气式， 抽气式有利于高速，成纱质量优于自排风，转杯速度从3 万转分发展到1 5 万转 分，必须靠电子机械手接头才能完成，目前德国苏拉纺织系统有限公司、瑞士 立达公司、意大利萨维奥公司转杯纺纱机均配备了半自动接头装置或全自动接头 装置，使纺纱速度得以迅速提高。还采用机械无接触轴承，如磁悬浮轴承、气动 轴承等，更提高了转杯速度。另外，国际最新全自动转杯纺纱机还具有定长、清 纱、上蜡，全机微电脑自动控制，有连续检测纺纱质量和各种疵点的功能。 国外采用抽气式转杯纺机，最高纺纱速度可达1 5 万r m i n ，最大引纱速度为 3 0 0 m m i n ，每台最多3 6 0 锭位，且设备自动化程度高、适纺支数范围广，并有保 证纺纱质量的各种监控装置，故成纱质量优良。这类纺机多数采用全自动清洁与 落筒接头装置，并有电脑对转杯纺机的信息进行收集和处理，完成在线检测和控 制，自动化程度较高【4 5 】。如闻名于世的德国赐莱福( s c h l a f l a o r s t ) 公司，将自动落 筒接头技术与转杯纺纱技术结合起来，形成a u t o c o r o 全自动转杯纺纱机的系列， 其中的c o r o m a t 就是一个具有自动接头、自动卷装落筒和自动形成尾纱功能的智 能机器人。瑞士立达公司的r 4 0 型全自动转杯纺纱机同样具有自动接头、自动 清洁纺杯、自动落纱、自动输送筒管等功能，纺杯速度已达到1 5 万转分，出纱 速度达到2 0 0 米分以上，是一般环锭细纱机出纱速度的6 倍一l o 倍，两种转杯 第一章绪论 纺纱机的全自动接头装置采用先进的检测技术，保证了所有接头的质量 7 】。 在我国，转杯纺机多为自排风型，少数为半自动抽气式，纺杯速度分别为5 9 万r m i n ，引纱速度最高为1 5 0 m r a i n ，大都以人工接头为主，少数配备半自动 接头，只能纺中粗支纱。全国在积极引进国外转杯纺先进技术与装备的同时，国 内众多的纺机制造厂，在消化吸收国外先进技术的基础上开发了半自动转杯纺 机，这种半自动纺机纺杯速度可达最高1 0 万r m i n e 引。实践表明，当纺杯速度超 过6 万r r a i n 时，人工接头就非常困难，接头质量也非常差，半自动接头成为必 须具备的手段。它利用机械和电气手段控制喂棉、沉纱、引纱、卷绕的时间差及 种纱长度，通过按钮来完成接头的瞬间连续动作。而接头前的准备工作如抬起筒 子架，找纱头、清洁转杯，确定种纱长度等都是由挡车工操作完成的。但这种方 式不仅接头质量不高，卷装落筒生头效率也非常低，工人工作量没有明显减少， 纺机的自动化程度不能得到充分发挥，做不到物尽其用。国内转杯纺机设备水平 虽比过去有所提高，但与国外几种先进机型水平相比，在机电和自动化程度方面 仍存在不少差距，至今没有实现全自动。这必然会影响国内转杯纺机缺乏与国际 先进转杯纺机的竞争力，更重要的是还直接制约了国产设备对转杯纺纱新技术应 用领域的扩大【9 1 0 1 。 目前，我国的转杯纺只占环锭纺的2 ，较世界水平( 欧洲为2 5 ) 还有较大 的差距：技术方面，局限于粗支纱的加工，无法纺较细的纱支，因此，自动抽气 式转杯纺在我国有较大的发展空间。随着转杯转速的提高，转杯直径需要相应缩 小。再进一步提高转速，缩小转杯直径，就受到棉纤维长度的限制。因而在近十 多年来，世界转杯纺纱的最高转速一直停留在1 5 万r m i n 这个水平【1 1 1 。全自动 转杯纺纱机提高生产效率就主要是从扩大机台的设备头数和提高自动化、连续 化、智能化水平着手。本课题研究的主要目的就是实现纺机运转过程中落筒生头 装置的智能化，使生产连续化，以提高生产效率。 到目前为止，国内虽有多家公司在进行全自动接头落筒生头装置的研发，但 没有一个成型产品进入市场。课题的研发成果将实现国产全自动抽气式转杯纺机 的梦想，会极大地推进我国纺织工业技术的进步，提高劳动生产率，从而增强我 国纺织品在国际市场上的竞争力，把我国从一个纺织大国转变成为一个纺织强 国。 2 第一章绪论 1 2 与课题相关的国内外研究综述 1 2 1d s p 在自动控制领域中的应用 随着信息技术革命的深入和计算机技术的飞速发展，数字信号处理技术已经 逐渐发展成为一门关键的技术学科。d s p 芯片，即数字信号处理器，是专门为快 速实现各种数字信号处理算法而设计的、具有特殊结构的微处理器，其处理速度 已高达2 0 0 0 m i p s ，比最快的c p u 还快1 0 5 0 倍【1 2 1 。目前，在微电子技术发展的带 动下，d s p 芯片的发展日新月异，d s p 的功能日益强大，性能价格比不断上升， 开发手段不断改进。在当今的数字化时代背景下，d s p 已成为通信、计算机、消 费类电子产品等领域的基础器件。同时d s p 已成为集成电路中发展最快的电子产 品，并成为电子产品更新换代的决定因素。在国外，d s p 芯片已经被广泛地应用 于当今技术革命的各个领域；在我国，d s p 技术也正以极快的速度被应用在通信、 电子系统、信号处理系统、自动控制、雷达、军事、航空航天、医疗、家用电器、 电力系统等许多领域中，而且新的应用领域在不断地被发掘，因此基于d s p 技术 的开发应用正成为数字时代的应用技术潮流。 d s p 发展历程大致分为三个阶段：7 0 年代理论先行，8 0 年代产品普及，9 0 年 代突飞猛进。在d s p 出现之前，数字信号处理只能依靠m p u 来完成，直至l j 7 0 年代， 才有人提出了d s p 的理论和算法基础。随着大规模集成电路技术的发展，1 9 8 2 年 世界上诞生了首枚d s p 芯片。这种d s p 器件采用微米工艺n m o s 技术制作而成， 虽功耗和尺寸稍大，但运算速度却比m p u 快了几十倍，尤其在语音合成和编码 解码器中得到了广泛应用。d s p 芯片的问世是个里程碑，它标志着d s p 应用系统 由大型系统向小型化迈进了一大步。至8 0 年代中期，随着c m o s 技术的进步与发 展，第二代基于c m o s 工艺的d s p 芯片应运而生，其存储容量和运算速度都得到 成倍提高，成为语音处理、图像硬件处理技术的基础。8 0 年代后期，第三代d s p 芯片问世，运算速度进一步提高，其应用于范围逐步扩大到通信、计算机领域。 9 0 年代d s p 发展最快，相继出现了第四代和第五代d s p 器件。现在的d s p 属于第 五代产品，它与第四代相比，系统集成度更高，将d s p 芯核及外围元件综合集成 在单一芯片上。这种集成度极高的d s p 芯片不仅在通信、计算机领域大显身手， 而且逐渐渗透到人们日常消费领域。经过2 0 多年的发展，d s p 产品的应用已扩大 到人们的学习、工作和生活的各个方面，并逐渐成为电子产品更新换代的决定因 素 1 3 - 1 4 】。 自d s p 出现以来，电机控制就是d s p 主要应用领域之一。特别是随着控制理 论的发展和高性能控制的需求，一般的单片或多片微处理器不能满足复杂而先进 3 第一章绪论 的控制算法时，更使得d s p 成为这种应用场合的首选器件。传统的电机控制是采 用运算放大器、电阻、电容等模拟的和无源的器件来实现的。而采用高性能和低 成本的d s p 和微控制器( m c 的数字式控制器正在以很快的速度取代模拟控制 器。以d s p 为基础的电机控制器材有很多的优点，例如实时产生平滑的参考信号、 可以在单片d s p 内集成存储器和多个处理器，使用更先进的算法从而减少传感器 和系统的成本，对无刷电机和感应电机作向量控制，功率开关反相控制和产生高 分辨率的脉冲宽度调制输出，使用神经网络和模糊逻辑等现代智能方法的多变量 和复杂系统的控制等。采用电机专用d s p 为核心的全数字电机控制系统，系统硬 件得到极大的简化，提高了系统的可靠性，减小了体积，降低了成本。 在电机控制系统中采用电机专用d s p ，强大的处理能力不但可以使面向电机 控制的控制算法，如矢量控制、直接转矩控制数字化实现，而且也有条件完成现 代控制理论或智能控制理论的一些复杂算法，如自适应控制、神经网络等。同时 增加面向电机控制的外设，使硬件结构和控制得到简化。这些控制器不但具有高 速信号处理和数字控制功能所必需的体系结构特点，而且有为电机控制应用提供 单片解决方案所必需的外围设型1 5 】。如t m s 3 2 0 l f 2 4 0 xd s p 不但有3 2 位累加器， 3 2 k f l a s hr o m ，2 5 k 字节的r a m ，是强大的数字处理器，还有两个事件管理器 e v a 、e v b ，各有8 路p w m 输出引脚，可编程死区控制单元，3 个捕捉单元等用 于电机控制的独特资源。 据报道，目前全球每销售一枚手机用d s p 芯片，就有l o 枚应用在电机控制领 域。而在中国，手机、d v d 等数字消费产品是应用d s p 的主要方向，应用于电机 控制的研究刚刚起步，集中在一些院校和研究所，还没有实用化的产品。但是随 着国家的发展，d s p 必然会得到广泛的应用。 1 2 2c a n 总线的研究现状 在计算机数据传输领域内，长期以来使用r s 2 3 2 和c c i t t v 2 4 通信标准， 尽管它们被广泛地使用，但却是一种低数据速率和点对点的数据传输标准，无能 力支持更高层次的计算机之间的功能操作。随着微处理器与计算机功能的增强和 价格的降低，计算机网络得到高速发展，而处于生产过程底层的测控自动化系统 仍采用一对一连线，用电压、电流的模拟信号进行测量和控制，难以实现设备和 设备之间、系统与外界之间的信息交换，使自动化系统成为“信息孤岛”。同时， 在复杂或大规模的应用( 如工业现场或生产自动化领域) 中需采用传统星型拓扑 结构，那么安装成本和介质造价都将非常高昂；采用流行的环型或总线型拓扑结 构，虽然可以减少电缆长度，但是增加的相关硬件和软件又使其系统造价与星型 系统相差无几。要实现整个企业的信息集成和综合自动化，就必须设计出种能 4 第一章绪论 在工业现场运行的、性能可靠的、造价低廉的通信系统，形成现场的底层网络， 完成现场自动化设备之间的多点数字通信。所以在最低层次上的确需要设计出一 种造价低廉而又能经受工业现场环境的通信系统，现场总线( f i e l db u s ) 就是这种 实际需要的驱动下应运而生的【1 6 1 。 现场总线是指开放式、国际标准化、数字化、相互交换操作的双向传送、连 接智能仪表和控制系统的通信网络。用统一的开放式的现场总线标准可实现各家 产品的相互兼容和交换，使过程控制和工业现场的控制实现自动化和网络化。目 前现场总线的标准有五种：c a n ( 控制局域网络) 、l o n w o r k s ( 局域操作网 络) 、p r o f i b u s ( 过程现场总线) 、h a r t ( 可寻址远程传感器数据通信) 、f f ( 现场总线基金会) 。现场总线标准是在i s o 开放式互连模型o s i 七层协议基础 上，增加了第8 层用户层，而去掉了3 6 层【l 卜1 8 j 。例如f f 的s p 5 0 的物理层规定了 信息如何从一个仪表传送到另一个仪表( 采用曼彻斯特编码) ；用户层规定了2 9 个 标准功能模块等。 c a n 全称为“c o n t r o l l e ra r e an e t w o r k , 即控制器局域网，是国际上应用最广 泛的现场总线之一【1 9 1 。是由德国b o s c h 公司于八十年代为汽车中出现的越来越多 的控制器而提出来的一种现场总线标准，由于其优越的性能和较高的可靠性而越 来越受到了人们的重视。它现在不仅用在汽车当中，也用于其它的工业控制领域 中，甚至用于家电领域。目前世界上大约有十五个大的半导体制造商开发了五十 余种的基于c a n 协议的芯片，截止至1 1 9 9 9 年全世界总共装有1 5 亿个c a n 节点。 目前在汽车设计领域中，c a n 几乎成为了一种必须采用的技术手段。19 9 3 年， c a n 已经成为国际标准i s o l l 8 9 8 ( 高速应用) 和i s 0 1 1 5 1 9 ( 低速应用) 。 生产c a n 模块集成器件的半导体厂商主要聚焦于汽车工业。从1 9 9 0 年中期 起，l n f m e o n 公司和m o t o r o l a 公司已向欧洲的客车厂商提供了大量的c a n 控制 器。作为下一阶段，从1 9 9 0 年后期起，远东的半导体厂商也开始提供c a n 控制 器。1 9 9 4 年，n e c 推出了传说中的c a n 芯片7 2 0 0 5 ，但是，这一步太早了当 时这个器件并不能投入使用【2 0 屯1 1 。 从1 9 9 2 年起，m e r c e d e s b e n z ( 奔驰) 开始在他们的高级客车中使用c a n 技 术。第一步使用电子控制器通过c a n 对发动机进行管理；第二步使用控制器接收 人们的操作信号。这就使用了2 个物理上独立的c a n 总线系统，它们通过网关连 接。其他的客车厂商也纷纷赶来斯图加特学习，在他们的客车上也使用2 套c a n 总线系统。现在继v o l v o 、s a a b 、v o l k s w a g e n 、b m w 之后，r e n a u l t 和f i a t 也开始 在他们的汽车上使用c a n 总线 2 2 1 。 c a n 总线自诞生以来，以其独特的设计思想，优良的性能和较高的可靠性越 来越受到了工业界的青睐。c a n 国际标准的制定，更加推动了它的发展与应用。 第一章绪论 在国外，尤其是美国及欧洲，c a n 已被广泛的应用于汽车、火车、轮船、机器人、 智能楼宇、机械制造、数控机床、医疗器械、农用机械、液压传动、传感器、自 动化仪表等领域。目前，支持c a n 协议的有i n t e l ，m o t o r o l a ，p h i l i p s ，s i e m e n s ， n e c ，h o n e y w e l l 等百余家的国际著名大公司。在广泛的工业领域，c a n 总线可 作为现场设备级的通信总线，并且与其它的总线相比，具有很高的可靠性和性能 价格比。例如，瑞士一家公司开发的轴控制系统a c s e 就带有c a n 接口。该系统 可作为工业控制网络中的一个从站，用于控制机床、机器人等。一方面通过c a n 总线与上位机通信；另一方面可以通过c a n 总线对数字式伺服电机进行控制【2 3 1 。 在国内，北京华控技术公司基于c a n 协议开发了s d s 智能分布式系统，该系 统内最多可以配置4 台计算机，6 0 个r s m 智能模块。北京和利时系统工程公司开 发的h s 2 0 0 0 系统的内部网络就是应用c a n 总线。c a n 总线技术被引入至i j h s 2 0 0 0 系统之后，使得主控模块和v o 模块的冗余和带电插拔功能变得很容易实现，大 大提高了系统的可靠性和可维护性【2 4 2 5 1 。 在理论和实验研究方面，国外的一些学者主要针对c a n 总线的数据链路层做 了实时性方面的一些理论上的研究和改进。在国内，一些高等院校，科研单位也 进行了一些实验上的研究工作，其中包括天津大学，东北大学、北京航空航天大 学7 0 6 教研室、中国微计算机学会单片机公共实验室、上海自动化研究所等单位。 这些研究主要是探索c a n 总线在楼宇自动化、机器人控制、过程控制等领域的应 用，还有一部分研究c a n 协议，因为应用层没有一个统一的协议标准，因此这一 部分研究工作有非常实际的价值，许多研究机构针对不同的协议作一些改进工 作，以使得c a n 总线能够成为一个实时性和开放性很好的协议。这些研究工作无 疑将大大推动c a n 总线在工业控制中的应用。 1 2 3 步进电动机的使用 步进电机也叫步进器，它利用电磁学原理，将电能转换为机械能，人们早在 2 0 世纪2 0 年代就开始使用这种电机。随着嵌入式系统( 例如打印机、磁盘驱动器、 玩具、雨刷、震动寻呼机、机械手臂和录像机等) 的日益流行，步进电机的使用 也开始猛增。步进电机作为执行元件，是机电一体化的关键产品之一，广泛应用 在各种自动化控制系统中。随着微电子和计算机技术的发展，步进电机的需求量 与日俱增，在各个国民经济领域都有应用【2 6 1 。 步进电机是一种将电脉冲转化为角位移的执行机构。当步进驱动器接收到一 个脉冲信号，它就驱动步进电机按设定的方向转动一个固定的角度( 称为“步距 角”) ，它的旋转是以固定的角度一步一步运行的。可以通过控制脉冲个数来控制 角位移量，从而达到准确定位的目的；同时可以通过控制脉冲频率来控制电机转 6 第一章绪论 动的速度和加速度，从而达到调速的目的。步进电机可以作为一种控制用的特种 电机，利用其没有积累误差( 精度为l o o ) 的特点，广泛应用于各种开环控制。 步进电机依其构造上的差异可分为三大类： ( 1 ) 可变磁阻式( v r 型) ：转子以软铁加工成齿状，当定子线圈不加激磁电压时， 保持转矩为零，故其转子惯性小、响应性佳，但其容许负荷惯性并不大。其步进角 通常为1 5 0 。 ( 2 ) 永久磁铁式( p m 型) ：转子由永久磁铁构成，其磁化方向为辐向磁化，无 激磁时有保持转矩。依转子材质区分，其步进角有4 5 0 、9 0 0 及7 5 0 、1 1 2 5 0 、1 5 0 、 1 8 0 等几种。 ( 3 ) 混和式( h b 型) ：转子由轴向磁化的磁铁制成，磁极做成复极的形式，其 乃兼采可变磁阻式步进电机及永久磁铁式步进电机的优点，精确度高、转矩大、 步进角度小【2 7 1 。 目前市场上所使用的工业用步进电机，以混和式( 皿型) 最为普遍。 步进电机的一些基本参数： ( 1 ) 相数：是指电机内部的线圈组数，目前常用的有二相、三相、四相、五 相步进电机。电机相数不同，其步距角也不同，一般二相电机的步距角为 0 9 0 1 8 0 、三相的为0 7 5 0 1 5 0 、五相的为o 3 6 。o 。7 2 0 。在没有细分驱动器时， 用户主要靠选择不同相数的步进电机来满足自己步距角的要求。如果使用细分驱 动器，则相数将变得没有意义，用户只需在驱动器上改变细分数，就可以改变 步距角。 ( 2 ) 拍数：完成一个磁场周期性变化所需脉冲数或导电状态，或指电机转过 一个齿距角所需脉冲数，以四相电机为例，有四相四拍运行方式即 a b b c c d d a a b ，四相八拍运行方式即a a b b b c c c d d d a a 。 ( 3 ) 电机固有步距角：对应一个脉冲信号，电机转子转过的角位移用0 表示。 0 = 3 6 0 度( 转子齿数水运行拍数) ，以常规二、四相，转子齿为5 0 齿电机为例。 四拍运行时步距角为0 = 3 6 0 度( 5 0 木4 ) = 1 8 度( 俗称整步) ，八拍运行时步距 角为0 = 3 6 0 度( 5 0 * 8 ) = 0 9 度( 俗称半步) 。它不一定是电机实际工作时的真 正步距角，真正的步距角和驱动器有关。 ( 4 ) 静转矩：电机在额定静态电作用下，电机不作旋转运动时，电机转轴的 锁定力矩。此力矩是衡量电机体积( 几何尺寸) 的标准，与驱动电压及驱动电源 等无关。 步进电机的基本特征： ( 1 ) 高精度的定位：步进电机最大特征即是能够简单的做到高精度的定位控 制。以5 相步迸电机为例：其定位基本单位( 分辨率) 为o 7 2 0 ( 全步级) o 3 6 0 7 第一章绪论 ( 半步级) ，是非常小的；停止定位精度误差皆在士0 0 5 0 以内，且无累计误差，故可达 到高精度的定位控制。 ( 2 ) 位置及速度控制：步进电机在输入脉冲信号时，可以依输入的脉冲数做固 定角度的回转进而得到灵活的角度控制( 位置控制) ，并可得到与该脉冲信号周 期波数( 频率) 成比例的回转速度。 ( 3 ) 定位保持力：步进电机在停止状态下( 无脉冲信号输入时) ，仍具有激磁保 持力，故即使不依靠机械式的刹车，也能做到停止位置的保持。 ( 4 ) 动作灵敏：步进电机因为加速性能优越，所以可做到瞬时起动、停止、正反 转等快速、频繁的定位动作。 ( 5 ) 开回路控制、不必依赖传感器定位：步进电机的控制系统构成简单，不需要 速度感应器( e n c o d e r 、转速发电机) 及位置传感器( s e n s o r ) ，就能以输入 的脉冲做速度及位置的控制。也因其属开回路控制，故最适合于短距离、高频度、 高精度之定位控制的场合下使用。 ( 6 ) 中低速时具备高转矩：步进电机在中低速时具有较大的转矩，故能够较同 级伺服电机提供更大的扭力输出。 ( 7 ) 高信赖性：使用步进电机装置与使用离合器、减速机及极限开关等其它装 置相比较，步进电机的故障及误动作少，所以在检查及保养时也较简单容易。 ( 8 ) 小型、高功率：步进电机体积小、扭力大，即使位于狭窄的空间内，仍可顺利 做安装，并提供高转矩输出。 1 3 本论文的主要工作内容 本课题的主要工作在于利用d s p 开发环境下的实验平台，按照时序精确地 控制机械装置完成落筒生头的自动化动作，并保证与清洁接头等一系列动作的同 步性。 通过模拟人工落筒预留尾纱的动作和过程，得到运动部件的动作流程，结合 实际装置动作运行的时序性、实时性加以改进，完成了程序模块的设计与编程， 在大量实验的基础上又进行了修改和完善。 介绍了东芝公司生产的单片正弦细分二相步进电机驱动专用芯片t a 8 4 3 5 h 的特点、引脚功能和工作原理，并以此芯片为核心绘制了电机驱动p c b 板， t a 8 4 3 5 h 可以驱动二相步进电机，且电路简单，工作可靠。 ( 1 ) 本论文首先讲述了全自动落筒生头装置的功能以及设计过程中用到的关 键技术点，如电机控制技术、c a n 现场总线技术和传感器技术。 ( 2 ) 介绍了系统的d s p 硬件开发环境，给出了基于t a 8 4 3 5 h 芯片的步进电机 第一章绪论 控制板原理图。 ( 3 ) 描述了系统的功能模块划分、动作流程设计、c a n 总线通信和电机控制 程序的实现。 9 第二章装置的功能概述与技术特点 2 1 功能概述 第二章装置的功能概述与技术特点 自动装置接收到某锭位请求信号后，利用光电传感器准确定位到锭位工作位 置( 误差+ l m m ) ，巡回马达关闭同时锁住刹车启动，装置与抽气系统连接后在 内部产生负压，如图2 1 。 图2 1 自动落筒生头装置 当装置已经达到其对应纺杯的中间位置时，锭节计算机会把锭位请求的原因 提供给装置：1 断纱，2 直径自停，3 卷装长度，4 锭位号码，数据格式如图 2 2 。在此基础上，确定了装置所需要进行的一组动作( a c t i o n ) ： 3 1 3 02 9 1 09 0 图2 - 2 装置接收数据格式 ( 1 ) 下列情况进行清洁和接头动作( a c t i o n l ) ：断纱并且筒子架不是空筒管； 第二章装置的功能概述与技术特点 ( 2 ) 下列情况进行清洁、落筒、接头和生头动作( a c t i o n 2 ) ：直径自停且筒管抓手 中有空筒管，落筒启动且没有落筒锁住信号，输出装置启动； ( 3 ) 下列情况进行接头、清洁和生头动作( a c t i o n 3 ) ：断纱、筒子架是空筒管( o 卷装长度 一地址7 1 0 7 h 1 5 8 i保留位l 7 6 5 4 3 2l0 位5s m a 。悬挂模式应答。 位4c c e 。改变配置使能位。禁止或允许对配置寄存器进行写操作。当 c c r 置位或c a n 模块处于休眠模式或复位后，写访问被允许。 位3 p d a 。低功耗模式应答。 位lr m 。c a n 控制器处于接收模式。 位ot m 。c a n 控制器处于发送模式。 3 5 第三章装置控制系统的硬件构成 ( 6 ) 局部接收屏蔽高位寄存器n ( l a m n _ h 卜地址7 1 0 b h 、7 1 0 d h 1 51 4 1 31 2 0 i l a m l i 保留位i l a m n 2 8 ：1 6 位1 5l a m l 。局部接收屏蔽标识符扩充位。 位1 2 0l a m n 2 8 - - - 1 6 。高1 3 位局部接收屏蔽位。 ( 7 ) 局部接收屏蔽低位寄存器n ( l a m n _ i 卜地址7 1 0 c h 、7 1 0 e h 1 5 o l a m n 1 5 ：0 i 位1 5 0l a m n 1 5 - 0 。低1 6 位局部接收屏蔽位。 c a n 控制器在接收信息时，先要将要接收的信息的标识符与相应接收邮箱 的标识符( 位于邮箱的m s gi d n h 和m s gi d n l 寄存器中) 比较，只有标识符相同 的信息才能被接收。c a n 控制器的接收滤波器使得接收邮箱可以忽略更多的位 来接收信息，即如果只有被屏蔽的几位标识符不相符，则仍能接收此信息。l a m l 对应于被配置为接收方式下的邮箱2 和邮箱3 ，l a m 0 对应于邮箱0 和邮箱1 。 3 1 4 事件管理器模块( e t m s 3 2 0 l f 2 4 0 7 a 是专门为电机控制而优化设计的，其上有二个事件管理器， 分别为e v a 和e v b 。每个事件管理器有2 个1 6 位通用定时器、3 个全比较器、3 个 事件捕捉器、1 个正交编码脉冲通道。定时器1 为全比较器提供时基，而定时器2 或1 用来为事件捕捉器提供时基。 每个事件管理器中均包含2 个1 6 位通用定时器，每个定时器均伴有1 个定时器 比较器t x c m p ，所以每个定时器对应有：时钟输入、计数方向控制和定时器比 较输出f 2 9 1 。 时钟输入：每个定时器的时钟输入有2 个来源，一为内部c p u 分频( 有8 种分 频系数，2 n ( n = 0 、1 、7 ) ) ，另一个为外部时钟输) k t c l k i n a ( 每个事件管理 器中的2 个定时器共用1 个外部时钟输入) 。 计数方向控制：每个定时器有多种计数方式( 停止保持方式、连续增计数方 式、定向增减计数方式和连续增减计数方式) ，在定向增减计数方式时，计数 方向由外部引脚t d i r a 控制，t d i r a 为0 为减计数，t d i r a 为1 为增计数。每个 时基管理中的2 个定时器共用1 个外部计数方向控制信号t d i r a 。 定时器比较器输出：每个定时器均伴有1 个定时器比较器，其有一个比较结 果输出引脚t x p w m t x c m p 。 第三章装置控制系统的硬件构成 3 个全比较器，以定时器1 作为时基输入，产生3 对( 6 个) 比较结果输出，再结 合p w m 电路( 空间矢量p w m 状态机、死区电路和输出电路) 产生6 + p w m 输出。 比较寄存器采用双缓冲，使重装和更新分开。 3 个捕捉引脚，与标准的3 引脚正交脉冲编码q e p 复用。e v a 和e v b 模块 及其信号名称如表3 4 ： 表3 - 4 事件管理模块引脚信号 事件管理模块e v a 模块信号e v b 模块信号 t i m e lt1p w m t 1 c m pt i m e 3 t 3 p w m t 3 c m p g p 定时器 t i m e 2 t 2 p w m t 2 c m pt i m e 4 t 4 p w m t 4 c m p c o m p a r e l p w m l 2 c o m p a r e 4 p w m 7 8 比较单元c o m p a r e 2 p w m 3 4c o m p a r e 5 p w m 9 1 0 c o m p a r e 3 p w m 5 6 c o m p a r e 6 p w m l1 1 2 c a p t u r e l c a p l c a p t u r e 4 c a p 4 捕获单元c a p t u r e 2 c a p 2 c a p t u r e 5 c a p 5 c a p t u r e 3 c a p 3 c a p t u r e 6 c a p 6 正交编码脉冲q e p lq e p lq e p 3q e p 3 电路q e pq e p 2q e p 2q e p 4 q e p 4 计数方向 t d i r a 计数方向 t d i r b 外部输入 外部时钟t c l k i n a外部时钟 t c l k i n b 通用定时器功能模块几个常用的控制寄存器： ( 1 ) 单个通用定时器控制寄存器( t x c o n ) 1 51 41 3 1 2l11 098 765432l0 t 2 s w t l t e n a b l et c l k s lt c l k s ot c l d lt c l d o t e c m p s e l t l p r t 4 s w t 3 +s e l t 3 p r + 位1 5 1 4f r e e ，s o f t 。仿真控制位。 位1 2 - - - 1 1t m o d e l t m o d e 2 。计数模式选择。 位1 0 , - 一8t p s l t p s 0 。输入时钟预分频系数。 0 0 0 x 1 0 0 1 x 2 0 1 0 x 4 0 1l x 8 1 0 0 x 1 6 1 0 1 x 3 2 第二章装置控制系统的硬件构成 位 位 位 位 1 1 0x 6 41 1 1x 1 2 8 x - = - c p u 时钟脉冲 t e n a b l e 。定时器使能位。 4t c l k i t c l k o 。时钟源选择。 2t c l d i t c l d o 。定时器比