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四川大学硕士学位论文 y 7 7 9 1 9 1 嵌入式运动控制器及其在剑杆织机上的应用 嵌入式运动控制器及其在剑杆织机上的应用 机械制造及其自动化专业 研究生安志琨指导老师张春雷 近年来，随着计算机电子电力和传感器技术的发展，各先进国家机电一体 化产品层出不穷。机床、汽车、仪表、家用电器、轻工机械、纺织机械、包装 机械、印刷机械、冶金机械、化工机械以及工业机器人、智能机器人等许多门 类产品每年都有新的进展。机电一体化技术已越来越受到各方面的关注，它在 改善人民生活、提高工作效率、节约能源、降低材料消耗、增强企业竞争力等 方面起着极大的作用。在机电一体化技术迅速发展的同时，运动控制技术作为 其关键组成部分，也得到前所未有的大发展。 运动控制技术中有代表性的研究对象，即运动控制器的研究和应用在工业 自动化中越来越得到重视。特别是在数控设备上，运动控制器性能的优劣直接 会影响着此机器的加工性能或检测特性。运动控制器是以中央逻辑单元为核心， 以传感器为信号敏感元件，以电机动力装置和执行单元为控制对象的一种控制 装置。目前工业市场中应用最广泛的运动控制器主要有几种方案：单片机系统， 可编程逻辑控制器( p l c ) ，基于计算机( p c - b a s e ) 的运动控制卡，嵌入式 ( e m b e d d e d ) 运动控制器以及专用数控系统。 本课题从实际应用出发，通过对运动控制技术的调研和分析，分别对通用 运动控制器和嵌入式运动控制器的系统组成、应用分类以及设计方法做了多方 面的论述。与此同时，结合目前国内剑杆织机的技术需求，设计了一款基于嵌 入式计算机系统的运动控制器，并将其成功应用于剑杆织机的电子卷取电子送 经系统中，并达到了预期的控制功能要求。通过在实际中的应用，验证了此款 运动控制器的性能以及一些数学算法( 例如p i d 控制) 在运动控制技术方面的 四川大学硕士学位论文嵌入式运动控制器及其奄剑杆缉机占塑壅旦 可实施性。 本论文的主要内容如下： 首先，通过对国内外运动控制技术的调研，全面了解了运动控制器按功能 差别和应用领域的分类及应用。同时对目前我国剑杆织机的发展状况做了简明 扼要的介绍。 其次，联系运动控制系统的组成，分析了运动控制器在其中所处的地位及 发挥的作用，进而提出了本课题设计的运动控制器所能实现的具体控制功能要 求。根据嵌入式运动控制器的系统构成及其功用，规划了嵌入式运动控制器的 总体设计结构。 再次，通过对几种可行的方案论证，确定了嵌入式运动控制器的核心控制 单元采用f p g a + c p l d 的硬件方案。提出了其硬件构成原理，确定了核心电路的 芯片选型。 然后，详尽地分析了剑杆织机送经和卷取的运动特性，在此基础上利用电 子齿轮原理和p i d 控制原理，采用电子方式实现了织机送经和卷取的运动控制 功能，并提出了相关的数学算法以及硬件电子电路的设计。同时，对相关误差 进行了分析。 最后，将设计的嵌入式运动控制器运用于剑杆织机的电送电卷控制系统中。 根据某剑杆织机的改造需求，设计了一套电气控制系统，用c 语言在d o s 操作 系统下开发了一套剑杆织机电送电卷的控制软件，并完成了现场调试工作。 关键宇：运动控制器 电子卷取电子送经电子齿轮p i d 控制 婴业查兰堡主兰垡! 垒塞 堂塞望垫塑型墨丝苎垄型堑塑垫圭堂幽 a ne m b e d d e dm o t i o nc o n t r o l l e r a n di t sa p p l i c a t i o ni nr a p i e rl o o m m e c h a n i c a lm a n u f a c t u r i n ga n da u t o m a t i o n c a n d i d a t ea nz h i _ k u n s u p e r v i s o rz h a n g c h u n - l e i t h e s ey e a r s ，w i t ht h ed e v e l o p m e n to ft h ec o m p u t e re l e c t r i cp o w e r & e l e c t r o n t e c h n o l o g ya n dt h es e n s o rt e c h n o l o g y , i nm a n yc o u n t r i e sm o r ea n dm o r ep r o d u c t s t h a ta r eu s e di nm a c h i n e r ya n dp o w e r - g e n e r a t i n ge q u i p m e n tu n i f yf i e l d sa r ec o m i n g u p m a n yk i n d so fi n d u s t r i a lp r o d u c t sl i k e a sm a c h i n et o o l s ，m o t o rv e h i c l e s ， i n s t r u m e n t s ，f a m i l ye l e c t r i c a le q u i p m e n t s ，l i g h tm a c h i n e s ，t e x t i l em a c h i n e s ，p a c k i n g m a c h i n e s ，p r i n tm a c h i n e s ，m e t a l l u r g ym a c h i n e s ，c h e m i c a le n g i n e e r i n gm a c h i n e s ， i n d u s t r i a lr o b o t s ，i n t e l l i g e n tr o b o t s ，a n dm a n yo t h e rk i n d so fi n d u s t r i a lp r o d u c t s g r o w su pe v e r yy e a r t h et e c h n o l o g ya b o u tm a c h i n e r ya n dp o w e r - g e n e r a t i n g e q u i p m e n tu n i f y 敲es oc t o s e l _ ：yc o n c e r n e db ya l la s p e c t s 恤s o c i e t yt h a ti th a sh a d 锄 g r e a te f f e c to nm a n yf i e l d s ，l i k ea si m p r o v i n gt h el e v e lo fp e o p l e sl i f e ，i m p r o v i n g t h ew o r k i n ge f f i c i e n c y , s a v i n ge n e r g y , r e d u c i n gt h ew a s t a g eo fm a t e r i a l s ，a n d e n h a n c i n gt h ee n t e r p r i s e sc o m p e t i t i o na b i l i t y a tt h es a m et i m ea st h ed e v e l o p m e n t o f t h em a c h i n e r ya n dp o w e r - g e n e r a t i n ge q u i p m e n tu n i f y , m o t i o n - c o n t r o lt e c h n o l o g y , a sa ni m p o r t a n tc o m p o n e n to f i t h a sa c q u i r e dag r e a to f p r o g r e s s t h em o t i o nc o n t r o l l e r , a st h er e p r e s e n t i n go b j e c ti nr e s e a r c h i n g ，i sb e i n g a t t a c h e di m p o r t a n c ei na u t o m a t i o nf i e l dm o r ea n dm o r e e s p e c i a l l yo nn cm a c h i n e s ， w h e t h e ram o t i o nc o n t r o l l e r sp e r f o r m a n c ei sg o o do rb a d ，w h i c hw i l la f f e c tt h e m a c h i n i n gp e r f o r m a n c ea n dt h e m e t r i c a l e f f e c t t h em o t i o nc o n t r o l l e ri sa c o n t r o l l i n gd e v i c e ，w h o s e c o r ei sc e n t r a ll o g i cu n i t ，w h o s es e n s i t i v eo r g a ni ss e n s o r , 3 婴型查兰堡主堂堡垒奎堂叁垄垩塑篓型墼苎壅型堑堡垫圭盟壁旦 a n dw h o s ec o n t r o l l i n go b j e c t sa r em o t o r s ，p o w e r f u ld e v i c e so rs o m ei m p l e m e n t s t h e s ed a y s ，t h e r ea r es e v e r a lp l a n sa b o u tt h em o s ta b r o a du s e dm o t i o nc o n t r o l l e r s a r eb e l o w ：s i n g l ec h i ps y s t e m s ，p r o g r a m m a b l el o g i cc o n t r o l l e r s ，p c - b a s e d m o t i o n c o n t r o lc a r d s ，e m b e d d e dm o t i o nc o n t r o l l e r sa n ds o m es p e c i a ln cs y s t e m s t h eo r i e n t a li n t e n t i o no ft h i st a s ki st ob eu s e di np r a c t i c e ，t h r o u g hp l e n a r y r e s e a r c ha n da n a l y s i sf o rm o t i o nc o n t r o l l e r s ，w eh a dd o n eap l e n t yo fw o r k s ， i n c l u d i n gt h em a k e u po f t h em o t i o nc o n t r o l l e ra n de m b e d d e d m o t i o nc o n t r o l l e r , t h e i r s o r t sa c c o r d i n gt ot h ea p p l i c a t i o n ，a n dt h e i rd e s i g nm e t h o d s m e a n w h i l e ，c o m b i n i n g t h et e c h n i c a lr e q u e s to fc i v i lr a p i e rl o o m s ，w ed e s i g n e dam o t i o nc o n t r o l l e rb a s e do n e m b e d d e dc o m p u t e rs y s t e m a n dt h e n ，w eh a da p p l i e di ti nap r o j e c t ，w h i c hi sa b o u t t h ee l e c t r o n i cl e t - o f fa n de l e c t r o n i ct a k e u pi nr a p i e rl o o m s a f t e ra c c o m p l i s h i n gt h e t e s t i n gt a s k ，w eh a da c q u i r e do u ra n t i c i p a t i v ea i m i np r a c t i c e ，w ea l s ov a l i d a t e dt h e m o t i o nc o n t r o l l e r sp e r f o r m a n c ea n dt h ef e a s i b i l i t yo fs o m ea r i t h m e t i c ，s u c ha sp i d a r i t h m e t i c ，i nm o t i o nc o n t r o lt e c h n o l o g y i nt h ep a p e r ，t h e r ea r et h ef o l l o w i n gm a j o rc o n t e n t s ： f i r s t l y , w eh a de x p o u n d e dt h ed e v e l o p i n gc o n d i t i o n ，w h i c ht h em o t i o n c o n t r o l t e c h n o l o g yi si n , e x p l a i n e dt h em o t i o n - c o n t r o l l e r sd i f f e r e n c ea n ds o r t sa c c o r d i n gt o t h ea p p l i c a t i o n s m e a n w h i l e ，w eh a da s i m p l ea n dc l e a ri n t r o d u c t i o ni nt h ec o n d i t i o n o f o u rc o u n t r y sr a p i e rl o o m s s e c o n d l y , r e l a t i n gt ot h ec o m p o s i n go f t h em o t i o n - c o n t r o ls y s t e m ，w ea n a l y z e d t h es t a t u sa n dt h ee f f e c tt h a tt h em o t i o n - c o n t r o l l e ri s ，a n dp u tf o r w a r ds o m es p e c i f i c r e q u i s i t i o n st h a tt h em o t i o n c o n t r o l l e r ，d e s i g n e di nt h i sp r o j c o t ，c a na c h i e v e h a d i n t r o d u c e di n d e t a i lt h ec o m p o s i n go ft h ee m b e d d e dm o t i o n c o n t r o l l e ra n dt h e f u n c t i o nt h a te v e r yp a r ti nt h i ss y s t e mc a nr e a l i z e t h i r d l y , i nt h i sp a p e r , w ep l a c e de m p h a s i so ne x p o u n d i n gt h ec o m p a r i s o n sw i t h af e wo fp l a n st h a tc o u l db es e t t l e di nt h eh a r d w a r ed e s i g no ft h ee m b e d d e d m o t i o n - c o n t r o l l e r w h e nw ew e r eb u s yo nt h i sr e s e a r c h ，o nas t a r t i n gp o i n t ，w h e r e w ep l a c e de m p h a s i so ut h ep r a c t i c e ，w es e l e c t e ds o m ee l e c t r o nc o m p o n e n t st h a t w e r ep o w e r f u li nf u n c t i o na n dw e r es oc h e a p a l s o ，w ei n t r o d u c e dt h ef u n c t i o no f 4 婴业查堂堡主璺焦垒塞 堂叁塞垩垫塑型壁墨苎垄剑堑堡垫主塑堡旦 t h ek e yc o m p o n e n t si nb r o a do u t l i n e a n dt h e n ，a f t e rg o i n gt h r o u g ht h er e s e a r c ht h a tw ed i s c u s s e dt h er a p i e rl o o m s l e t o f fa n dt a k e u ps y s t e m ，w ee x p o u n d e dt h ea p p l i c a t i o nw h e r et h ee m b e d d e d m o t i o n - c o n t r o l l e rb r i n gi n t op l a y a c c o r d i n gt ot h ec o n t r o l l i n gd e m a n d s ，w eh a d d e s i g n e das e to fc o n t r o l l i n gs o f t w a r et or e a l i z et h ee l e c t r o n i cl e t - o f fa n de l e c t r o n i c t a k e u p a b o v ea l l ，w eh a da c c o m p l i s h e da d j u s t i n gt h er a p i e r l o o m sd u r i n g e x p e r i m e n t a t i o n f i n a l l y , a n a l y z i n gi n d e t a i l t h ec h a r a c t e r so ft h e “e l e c t r o n i cl e t o f f a n dt h e “e l e c t r o n i ct a k e u p ”i nar a p i e rl o o m a n do nt h i sb a s e ，u t i l i z i n gt h et w op r i n c i p l e s ， “e l e c t r o n i cg c a r la n d “p i dc o n t r o l ”，h a v i n ga c h i e v e dt h es u c c e s si nc o n t r o l l i n gt h e t w om a i nm o t i o n si nr a p i e rl o o m s m e a n w h i l e ，r e v e a l i n gt h er e l a t e da l g o d t h r n ， g i v i n go u tt h er e l a t e de l e c t r o n i cc i r c u i td r a w i n ga n dt h er e l a t e da n a l y s i sa b o u tt h e e f r o l k e y w o r d s ：m o t i o nc o n t r o l l e r , e l e c t r o n i cl e t - 0 f f , e l e c t r o n i ct a k e - u p ， e l e c t r o n i cg e a r , p i dc o n t r o l 四川大学硕士学位论文嵌入式运动控趔矍垦整垄剑塑塑垫圭塑堕里 1概述 1 1 运动控制技术及其发展 i i 1 运动控制技术的发展概况 运动控制起源于早期的伺服控制( s e r v o m e c h a n i s m ) 。简单地说，运动控 制就是对机械运动部件的位置、速度以及加速度等运动元素进行实时的控制管 理，使其按照预期的运动轨迹和规定的运动参数进行运动。早期的运动控制技 术主要是伴随着数控( c n c ) 技术、机器人技术( r o b o t i c s ) 和工厂自动化( f a c t o r y a u t o m a t i o n ) 技术的发展而发展的。有代表性的产品主要为以单片机或微处理 器作为核心的运动控制器和以专用芯片( a s i c ) 作为核心处理器的运动控制器 乜1 o 随着电力电子技术的进步，微机技术的应用和新型控制策略的出现，运动 控制技术，作为机电一体化的核心部分，也由面向传统的数控加工行业专用运 动控制技术而发展为具有开放结构、能结合具体应用要求而快速重组的先进运 动控制技术。基于网络的开放式结构和嵌入式结构的通用运动控制器逐步成为 自动化控制领域里的主导产品之一。高速、高精度始终是运动控制技术追求的 目标。借此应运而生的控制器是以d s p 及f p g a 作为核心处理器的开放式运动控 制器。充分利用d s p 的计算能力，进行复杂的运动规划、高速实时多轴插补、 误差补偿和更复杂的运动学、动力学计算，使得运动控制精度更高、速度更快、 运动更加平稳；充分利用d s p 和f p g a 技术，使系统的结构更加开放。按用户的 应用要求进行客制化的重组，设计出个性化的运动控制器将成为市场应用的两 大方向。 运动控制( m o t i o nc o n t r 0 1 ) 作为自动化技术的一个重要分支，在国外尤 其是西方发达国家已经成为一个专门的产业。在2 0 世纪9 0 年代，国际上一些 发达国家，例如美国，进入工业高速发展阶段，由于有强劲市场需求的推动， 运动控制技术发展迅速，应用广泛。近年来，随着通用运动控制技术的不断进 步和完善，运动控制器作为一个独立的工业自动化控制类产品，已经被越来越 多的产业领域接受，并且它已经达到一个引人瞩目的市场规模。根据a r c 近期 四川大学硕士学位论文嵌入式运动控制器及其在剑杆织机上的应用 的一份研究，世界通用运动控制( g e n e r a lm o t i o nc o n t r o lg m c ) 市场已超过 4 0 亿美元，并且有望在未来5 年内综合增长率达到6 3 。1 。 1 1 2 根据运动控制的难点及应用领域分类 根据运动控制的特点和应用领域的不同，可以将其分成以下几种形式： 一、点位运动控制： 这种运动控制的特点是仅对终点位置有要求，与运动的中间过程即运动轨 迹无关。相应的运动控制器要求具有快速的定位速度，在运动的加速段和减速 段，采用不同的加减速控制策略。在加速运动时，为了使系统能够快速加速到 设定速度，往往提高系统增益和加大加速度，在减速的末段采用s 曲线减速的 控镣4 策略。为了防止系统到位后震动，规划到位后，又会适当减小系统的增益。 所以，点位运动控制器往往具有在线可变控制参数和可变加减速曲线的能力。 其典型应用有：自动送料装置，全自动测量仪器，p c b 板加工机床等行业中。 二、连续轨迹运动控制： 又称为轮廓控制，主要应用在传统的数控系统、切割系统的运动轮廓控制。 相应的运动控制器要解决的问题是如何使系统在高速运动的情况下，既要保证 系统加工的轮廓精度，还要保证刀具沿轮廓运动时的切向速度的恒定。对小线 段加工时，有多段程序预处理功能。此控制方式功能要求较高，也是运动控制 器最早应用的领域。 三、同步运动控制： 是指多个轴之间的运动协调控制，可以是多个轴在运动全程中进行同步， 也可以是在运动过程中的局部有速度同步，主要应用在需要有电子齿轮箱和电 子凸轮功能的系统控制中。工业上有印染、印刷、造纸、轧钢、同步剪切等行 业。相应的运动控制器的控制算法常采用自适应前馈控制，通过自动调节控制 量的幅值和相位，来保证在输入端加一个与干扰幅值相等、相位相反的控制作 用，以抑制周期干扰，保证系统的同步控制。 四川大学硕士学位论文 嵌入式运动控制器及其在剑杆织机上的应用 1 2 运动控制器的分类及应用 早期的运动控制器实际上是可以独立运行( s t a n d a l o n e ) 的专用的控制器， 往往无需另外的处理器和操作系统支持，可以独立完成运动控制功能、工艺技 术要求的其他功能和人机交互功能。这类控制器以单片机或微处理器作为核心， 且主要针对专门的数控机械和其他自动化设备而设计。往往已根据应用行业的 工艺要求设计了相关的功能，用户只需要按照其协议要求编写应用加工代码文 件，利用r s 2 3 2 或者d n c 方式传输到控制器，控制器即可完成相关的动作。这 类控制器往往不能离开其特定的工艺要求而跨行业应用，控制器的开放性仅仅 依赖于控制器的加工代码协议，用户不能根据应用要求而重组自己的运动控制 系统m 3 。 现如今，随着各式各样新型数控自动化设备的出现，对运动控制器的开放 性要求越来越强烈，一些方案更优，功能更强，柔性更大的运动控制器不断涌 现并在工业自动化设备上应用，从其结构上来看，主要分为如下几个类别： 一、基于计算机标准总线的运动控制器 它是把具有开放体系结构，独立于计算机的运动控制器与计算机相结合构 成。这种运动控制器大都采用d s p 或微机芯片作为c p u ，可完成运动规划、高 速实时插补、伺服滤波控制和伺服驱动、外部i 0 之间的标准化通用接口功能， 它开放的函数库可供用户根据不同的需求，在d o s 或w i n d o w s 等平台下自行开 发应用软件，组成各种控制系统。如美国d e l t at a u 公司的p g a c 多轴运动控制 器和美国g a l i l 公司的d m c 系列运动控制器都是市场上的主流产品。 二、s o f t 型开放式运动控制器 它提供给用户最大的灵活性，它的运动控制软件全部装在计算机中，而硬 件部分仅是计算机与伺服驱动和外部i o 之间的标准化通用接口。就像计算机 中可以安装各种品牌的声卡、c d r o m 和相应的驱动程序一样。用户可以在 w i n d o w s 平台和其他操作系统的支持下，利用开放的运动控制内核，开发所需 的控制功能，构成各种类型的高性能运动控制系统，从而提供给用户更多的选 择和灵活性。基于s o f t 型开放式运动控制器开发的典型产品有美国m d s i 公司 的o p e nc n c 、德国p a ( p o w e ra u t o m a t i o n ) 公司的p a 8 0 0 0 n t 、美国s o f ts e r v o 公司的基于网络的运动控制器等。s o f t 型开放式运动控制的特点是开发、制造 四川大学硕士学位论文嵌入式运动蝗型壁垦基垄型堑堡垫圭塑查旦 成本相对较低，能够给予系统集成商和开发商更加个性化的开发平台。 三、嵌入式结构的运动控制器 这种运动控制器是把计算机嵌入到运动控制器中的一种产品，它能够独立 运行。运动控制器与计算机之间的通信依然是靠计算机总线，实质上是基于总 线结构的运动控制器的一种变种。对于标准总线的计算机模块，这种产品采用 了更加可靠的总线连接方式( 采用针式连接器) ，更加适合工业应用。在使用中， 采用如工业以太网、r s 4 8 5 、s e r c o s 、p r o f i b u s 等现场网络通信接口联接上级 计算机或控制面板。嵌入式的运动控制器也可配置软盘和硬盘驱动器，甚至可 以通过i n t e r n e t 进行远程诊断。例如美国a d e p t 公司的s m a r t c o n t r o l l e r ，固 高科技公司的g u 嵌入式运动控制平台系列产品等。 1 3 国内外剑杆织机的发展概况 在无梭织机中，剑杆织机的引纬原理最早被提出。起初是单根剑杆，以后 又发明了用两根剑杆引纬的剑杆织机。剑杆织机引纬方法是用往复移动的剑状 杆叉入或夹持纬纱，将机器外侧固定简子上的纬纱引入梭口，剑杆的往复因为 动作很像体育运动中的击剑运动。剑杆织机因此得名。在1 9 5 1 年的首届国际纺 织机械展览会上就展出了剑杆织机的样机，也正是在这次展览会上将无梭织机 评为新技术 6 】。 剑杆织机是无梭织机各类型中发明最早、适应性最强、使用数量最大的一 种织机。目前，国内外市场中，有9 0 的织机都是剑杆织机。由于剑杆织机属 于积极引纬方式，凡棉、毛、丝、麻、玻璃纤维、化学纤维和轻、中、重型织 物都可用相应的剑杆织机来织制f 6 j 。 近几年来，国际上织机的发展趋势可以概括为：高速化，智能化，高可靠 性和多用性。以适应纺织物小批量，多品种，高质量的需要。具体表现体现在 下列几个方面： 一、计算机技术的应用：自动控制技术使织机的原动力技术有了根本的变化， 加上步进电机、伺服电机的应用，可使织机的速率在较大范围变化，以满 足使用各种纱线和织物的制造技术要求； 婴删查兰堡主堂壁垒奎 堂垫垩垫塑型塑茎垄型堑堡垫圭盟些旦 二、送经卷取系统的改进：送经和卷取均为单独运动，并应用微电脑和电子技 术，可随时调整织机在运动过程中的经纱张力和纬密，确保织物的优质化。 三、制造工艺技术的改进：新颖的原动力技术和计算机控制技术同样促进了织 造技术的进一步改进，例如受控的纬纱张力器的应用使引纬变成更积极的 过程，这样减少了纬纱的张力，使现代化的剑杆织造技术更适用于纤细、 易损的纬纱； 四、自动处理断纬技术：通过断纬自动处理装置，减少织机停机时间，提高织 造效率和速度； 当前，国外剑杆织机的机械速度和入纬率都在普遍提高，并大量采用机电 一体化技术。以“电”代“机”以简化机构，提高速度和可靠性。国外的高档 剑杆织机如范梅德( v a m a t e x ) 的莱昂拿多( l e o n a r d 0 ) 型剑杆织机入纬 率高达1 4 0 0 m m i n ，转速高达9 0 0 m i n l 2 ”。 我国剑杆织机研发制造工作起步较晚，织机机电体化产品数量较少且品 种不多，总体设计水平不高，特别是在自动化控制方面和国际先进水平还有相 当大的差距，国内的高档剑杆织机市场主戛被国外织机所占有。国产剑秆织机 如何加强电子技术的应用，提高产品质量和竞争力，降低劳动强度，提高劳动 生产率，是国产织机的一个主要问题和发展方向。目前，采用计算机控制，实 现人机对话，完成各种控制功能，是高档剑杆织机的标志和发展趋势。而送经 卷取系统作为新型织机的通用性的运动机构，对提高剑杆织机的织造速度和运 转效率，改善织物质量，具有重要意义。 1 4 课题的来源及论文的主要研究内容 本课题来源主要有二：其一是国内目前很多织布加工厂使用的剑杆织机送 经卷取机构依然是机械式的，因此生产的布面质量和产量都受到影响和制约。 采用电子式的方案提高织布质量、提高织机加工效率迫在眉睫。其二是在对一 些机械式织机的改造过程中，有相当一部分的厂家采用进口专用控制系统( 例 如德国b e r gl a h r 的w p 3 0 2 8 ) ，且对执行机构的电机有特殊要求，这对一 些改造用户来说成本较高( 一般在三万元左右) 。因此就提出了采用性价比更高 四川大学硕士学位论文嵌入式运动控制器及其在剑杆织机上的应用 的控制系统为老式织机送经卷取机构改造的要求。 本课题通过对开放式数控技术的全面调研和对运动控制技术的深入研究， 并针对国内机械式送经卷取的剑杆织机现状，结合某剑杆织机改造项目，紧跟 当前运动控制技术的发展趋势，吸收了世界开放式数控技术和相关运动控制技 术的最新成果，采用了基于f p g a + c p l d 、嵌入式计算机系统的运动控制器， 设计了一套剑杆织机电子送经电子卷取控制系统，成功应用于某剑杆织机改造 案例中。通过现场调试和软件改进工作，获得极大的成功并形成产品推广。为 提高我国剑杆织机机械设各的性能做出了杰出的贡献，同时也推动了运动控制 技术在工业自动化行业中的应用。 本论文主要内容如下： 一、对运动控制技术、运动控制器及其剑杆织机的历史，发展现状以及应用状 况进行了深入的研究和全面的调研： 二、通过分析、研究了运动控制系统的工作原理和系统构成，明确了嵌入式运 动控制器的控制功能。采用嵌入式i p c + 运动控制模块的主从结构，规划 了嵌入式运动控制器的总体设计方案。 三、对几种可行的硬件方案进行了论证，确定了运动控制模块主控单元采用 f p g a + c p l d 的方案，。 四、通过对剑杆织机送经卷取系统的深入分析，提出了电子式控制的优点和采 用的方案和装置。采用电子齿轮实现了电子送经和卷取，采用p i d 调节器 实现了经纱恒张力控制。 五、设计了一套基于嵌入式运动控制器的织机电送电卷控制系统，并完成了现 场调试工作。 六、总结了本课题设计中的主要内容，展望了设计内容的改进。 四川大学硕士学位论文嵌入式运动控制器及其在剑杆织机上的应用 2嵌入式运动控制器的总体设计 2 1 运动控制系统的功能要求 2 1 1 运动控制系统的组成和分类 一个完整的运动定位控制系统一般是由“一f - 位控制器”、“驱动器”、“执行 机构”、“机械传动机构”、“位置检测元件”等部分组成，其结构框图如下所示： 指令 匕 驱动 四川大学硕士学位论文 嵌入式运动控制器及其在剑杆织机上的应用 机械传动机构：运动控制系统中的受控运动对象，多种多样的结构形式， 常见的有滚珠丝杆与直线导轨传动，齿轮齿条传动，齿轮同步带传动以及和电 机相连的精密减速器带动转台传动等。 位置检测元件：有轴角编码器、旋转变压器、感应同步器、光栅、磁尺及 激光干涉仪等。其作用是将检测到的位置或速度反馈信号回传到控制器或驱动 器中，构成半闭环或全闭环控制o 。 二、分类： 根据系统的技术指标要求和工艺要求，确定运动控制系统的结构：开环控 制系统，闭环控制系统以及半闭环控制系统。 开环控制系统：上位控制器发送指令给驱动器，驱动电机按指令运行，无 反馈检测器件信号反馈。典型系统为：控制器脉冲输出，执行机构为步进系统， 步进电机按控制器发送脉冲的频率和数量运动，再通过机械传动机构带动最终 工作台运动。这种控制系统一般用在定位精度和机械响应不高的场合。 闭环控制系统：上位控制器发送指令给驱动器，驱动电机按指令运行，再 通过机械传动机构带动最终工作台运动。工作台是否到位，靠外部位置检测元 件反馈信号给控制器，从而形成闭环。闭环算法运算的实现是在上位控制器上 实现的，是真正意义的全闭环系统。由于位置检测元件的存在，使得执行机构 运动是否到位和传动链上的传动误差都通过反馈回去的数据由控制器运算得到 保证。这种控制系统一般用在定位精度和响应要求高的场合。 半闭环控制系统：上位控制器发送指令给驱动器，执行机构按指令信号运 行。但执行机构内部带有位置检测元件，例如数字式交流伺服系统，通过电机 自带编码器反馈信号，由驱动器内部进行闭环运算，从而保证电机能准确定位。 但此方案只能保证电机定位准确，不能控制由于机械传动链上产生的误差“1 。 二1 2 运动控制器的功能需求 此次研发的运动控制器是一款与具体应用紧密结合的产品，要求既能完成 其在运动控制系统中所能完成的基本功能，又能完成剑杆织机中电子卷取、电 子送经的运动控制。具体要求如下： 一、基于嵌入式计算机主板的运动控制器： 四川大学硕士学位论文嵌入式运动控制器及其在剑杆织机上的应用 嵌入式计算机主板多为p c i 0 4 总线结构，其主要特点是体积小且可扩展性 强，一张主板上可重叠并联无限个外围设备。 二、开放式结构，提供d o s 、w i n d o w s 操作系统下应用软件二次开发： 开放式的数控结构是目前对运动控制系统的基本要求，由于i p c 的总线结 构本身就是开放性的，所以对运动控制器的开放性要求主要是软件模块具 有极大的开放性。 三、可控制4 轴步进电机或数字式伺服电机； 四、每轴光电隔离脉冲输出，频率范围在0 1 h z 2 m h z ； 输出脉冲为避免干扰，要求输入输出接口采用光电隔离器件进行信号隔离。 脉冲输出的电平幅值要求为5 v ，输出脉冲类型要求有“p u l s e + s i g n ”及 “c w + c c w ”两种。 五、每轴“原点”、“减速”、“限位”专用开关量信号输入； 这三个专用输入端口分别用于对运动控制的复位回零设置，回零前预减速 设置以及防止意外运动的安全范围设置而用的。且输入信号光隔离，控制 电平幅值为2 4 v 。 六、每轴可接收编码器反馈信号输入，最高输入频率2 m h z ； 控制器能对外部编码器信号进行采集，常用的是接收增量式旋转编码器的 正交脉冲信号( a b z 相脉冲) ，且电路内部进行4 倍频。 七、可实现直线插补，圆弧插补，椭圆插补，螺旋线插补功能： 运动控制器不但能实现基本的点位运动控制，连续脉冲控制，还能实现标 准的插补运动。包括三轴直线插补，两轴圆弧插补以及运动叠加后实现螺 旋线插补等运动。 八、可编程式梯形、s 形速度曲线，速度跟踪和电子齿轮等轨迹控制； 速度控制是指对脉冲频率的控制，由于脉冲频率的变化产生的加速度会对 受控对象带来冲击，因此对加速度的控制，要求不同的应用有不同的模式。 此外对速度同步控制提出速度跟踪和电子齿轮的要求，主要用于剑杆织机 的电子卷取和电子送经控制上。这里我们采用了以下几种模式： 9 四川大学硕士学位论文 嵌入式运动控制器及其在剑杆织机上的应用 f f h f f l v t 】t 2 t 图2 2 梯形速度曲线 f f h f u h f f u l f l 图2 4 电子齿轮模式 图2 3s 形速度曲线 九、可实现点动，手脉控制，运动中变速功能； 点动功能和手脉控制功能主要是为方便使用者操作设置，运动中变速是指 运动过程中，脉冲频率可任意变化以实现对受控对象的速度任意改变。 十、用户可定义通用i 0 ，8 路输入，1 6 路输出； 通用输入输出功能的存在，使对一些简单的u o 量控制融合在整个运动控 制系统之中，减少了不必要的外围设备。一般8 路输入，1 6 路输出能满足 绝大多数单机自动化设备的应用。 十一、所有i 0 均可任意定义，实现硬件设计柔性化。 这一点是对运动控制器的硬件部分提出的要求，主要是为了提高整个系统 的硬件柔性，当应用发生变化时，不必对硬件方案做出大的修改，且可以 将所有i 0 接口有序规划并分类使用。 四川大学硕士学位论文嵌入式运动控制器及其在剑杆织机上的应用 2 2 嵌入式运动控制器的系统组成 基于嵌入式计算机系统的运动控制器主要由五大部分组成，其结构层次如 下图所示： 图2 5 嵌入式运动控制器的组成结构图 一、整个系统的最底层是硬件平台：嵌入式运动控制器主要由嵌入式主板和运 动控制模块两部分构成。通过p c 1 0 4 总线，连接x 8 6 架构的p c 机主板与 运动控制板卡，组成嵌入式运动控制器。其中： ( 1 ) 嵌入式主板 此嵌入式运动控制器采用基于x 8 6 架构的嵌入式工业主板。提供显示器、 网络、鼠标键盘、u s b 等接口，除了板载1 2 8 m b 内存外，还提供d o m 和c f 卡的接口。用户可以根据自己的实际需要，定制相应的接口。保证每个用 户的产品都具有自己的特性。此硬件由嵌入式主板供应商提供。 ( 2 ) 运动控制模块 运动控制模块是此次研发的主要对象，为s t e p s e r v o 公司开发的m p c 0 4 运动 控制卡，该控制卡基于i s a 总线，可实现同时对四个轴的控制，并具有多轴 插补功能。 二、板级支持软件包( b o a r ds e r v i c ep a c k a g e ) 一般由硬件供货商提供，里面 主要是各种硬件的驱动，例如：u s b 驱动，网卡驱动，声卡驱动等等。 三、第三层为操作系统层，嵌入式运动控制器可运行诸如d o s 、w i n d o w sc e 、l i n u x 四川大学硕士学位论文嵌入式运动控制竖壁基垄型堑堡塑土! ! ! 塑 等常用于的操作系统。嵌入式运动控制器的操作系统定制要基于相应硬件 平台的b s p ( b u s i n e s ss o l u t i o np r o v i d e r s ) 。 四、设备驱动程序层主要是指，嵌入式计算机系统应用到具体的对象，就是运 动控制器在嵌入式操作系统下的驱动程序。 五、应用程序层是嵌入式产品终端使用者要做的工作，根据运动控制器提供的 各种软件控制功能编写自己所需的应用程序，从而完成嵌入式产品的二次 开发工作。 2 。3 系统方案的总体设计 为提高运动控制的精度和实时往，实现运动控制卡和嵌入式计算机组成的 开放式数控系统，在本设计中，把数控系统中实时性要求较高的运动控制和开 关量i o 控制任务放到所设计的运动控制卡上，控制四个电机轴动作，完成实 时性要求较高的插补运算、位置控制( 包括定位