（机械电子工程专业论文）基于arm的喷气织机电子送经和卷取控制系统研究.pdf

浙江理工大学硕十学位论文 摘要 现代喷气织机以其高速、高性能等优势，占据了无梭织机的大部分市场，并成为最有 发展前景的一种织机。送经、卷取机构是织机控制系统的重要组成部分，其对经纱张力的 控制精度已成为评定织机质量的重要技术指标。因此，提高和改善喷气织机的电子送经和 卷取控制系统的性能非常必要，而且，开发具有高速、高精度的独立电子送经和卷取控制 模块具有广阔的应用前景。 本课题研究开发了一款独立的电子送经和卷取控制模块，通过人机界面或c a n 通讯 对该控制系统所需参数进行设置，使其可以根据参数设置应用于不同型号的喷气织机。通 过对系统的控制分析，本课题主要从硬件电路设计、软件控制及张力控制算法三个方面进 行研究。 首先，通过对喷气织机的性能要求及控制器结构与性能的综合考虑，系统采用以高速 a r m 7 t d m i 为内核的低功耗微处理器l p c 2 2 9 4 作为系统控制器，该控制器不仅速度快、 性能稳定，而且其丰富的外围模块大大简化了硬件电路的设计。硬件电路设计采用模块化 设计方法，主要功能模块包括嵌入式最小系统模块、主轴编码器采集模块、张力采集模块、 电机控制模块、通讯模块、人机界面模块、输入输出信号模块等。根据系统需要，对各个 模块的控制器件进行选取，并设计出各个模块的接口电路。最后，为了提高系统的稳定性 和可靠性，在硬件电路设计中采取了隔离、去耦等硬件抗干扰措施。 在软件设计方面，系统采用嵌入式实时操作系统l x c o s i i ，便于系统升级和维护。在 系统硬件平台的基础上，根据设计要求对操作系统内核进行剪裁和移植，并对系统时钟节 拍进行修改。结合硬件电路及系统控制要求，对系统启动代码进行修改；并根据系统对各 个功能模块控制的时效性要求，对系统任务进行合理规划。为了说明系统采用该r t o s 的 可行性，对实时性要求最高的张力采集任务进行了实时性分析。对c a n 通讯协议进行制 定和编程实现，并对1 2 c 、c a n 和l c d 驱动程序进行开发，另外，对每个任务的功能及控 制流程和任务间及任务与中断间的信息通讯进行了说明。系统在软件方面也采用了一定的 抗干扰技术，对硬件抗干扰进行补充。 最后，针对经纱张力的非线性和滞后性等复杂特性，对张力调节采用模糊参数自整定 p i d 控制算法，设计出张力模糊参数自整定p i d 控制器。并在m a t l a b 及s i m u l i n k 工具下， 对p i d 控制器下的张力算法及模糊参数自整定p i d 控制器下的张力算法进行仿真研究。而 且对张力模糊p i d 控制算法在l p c 2 2 9 4 中的实现进行了说明。 关键词：删；i t c o s i i ：喷气织机；送经卷取；模糊p i d i 浙江理工人学硕士学位论文 r e s e a r c ho ne l e c t r o n i cl e t - - o f fa n d t a k e - - u pc o n t r o ls y s t e mo ft h e a i r - j e tl o o mb a s e do na r m a b s t r a c t w i t hh i g h s p e e d ，w i d e a d a p t a b i l i t ya n dh i g h p e r f o r m a n c e ，m o d e ma i r - j e t l o o mh a s o c c u p i e dt h em o s tp a r to ft h em a r k e to fs h u t t l e l e s sw e a v i n gm a c h i n e ，a n db e c a m eo n eo ft h e m o s tp r o m i s i n gl o o m s l e t o f fa n dt a k e u pi st h em o s ti m p o r t a n tp a r to fl o o m ，t h ec o n t r o l p r e c i s i o no fw h i c ho nw a r pt e n s i o nh a sb e c o m et h ei m p o r t a n tt e c h n i c a lc i r t e r i ao fl o o m t h u si t i sv e r yn e c e s s a r yt oe n h a n c ea n di m p r o v et h ep e r f o r m a n c eo fl e t - o f fa n dt a k e u pc o n t r o ls y s t e m f u r t h e r m o r e ，d e v e l o p i n gi n d e p e n d e n te l e c t r o n i cl e t o f fa n dt a k e u pc o n t r o lm o d u l ew i t h 1 1 i g h s p e e da n dh i g hp r e c i s i o nh a saw i d ea p p l i c a t i o np r o s p e c t an e wk i n do fs e l f - g o v e r n e de l e c t r o n i cl e t - o f fa n dt a k e u pw a sd e s i g n e d ，w h i c hc a nb e a p p l i e dt od i f f e r e n tt y p e so fa i r - j e tl o o mb ys e t t i n gl o o m sp a r a m e t e rv i ac a n b u sa n d h u m a n - m e c h i n ei n t e r f a c e t h r o u g ht h ea n a l y s i so ft h ec o n t r o lp a r to ft h es y s t e m ，t h es t u d yw a s d i v i d e di n t ot h r e ea s p e c t si n c l u d i n gh a r d w a r ec i r c u i td e s i g n ，s o f t w a r ec o n t r o la n dt e n s i o n a r i t h m e t i ce m u l a t o r f i r s t l y , c o n s i d e r i n gt h ep e r f o r m a n c eo fa i r - j e tl o o ma sw e l la s t h ec o n f i g u r a t i o na n d p e r f o r m a n c eo fc o n t r o l l e r , t h i ss y s t e ma d o p t e dl p c 2 2 9 4a st h ec o n t r o l l e r , w h i c hi sak i i l do f l l i g h s p e e da n dl o w p o w e rm p uu s i n ga r m 7 t d m ik e r n e l m o r e o v e r , l p c 2 2 9 4h a sp l e n t yo f p e r i p h e r a lm o d u l ew h i c hs i m p l i f i e dt h ed e s i g no fh a r d w a r ec i r c u i t i m p l o y i n gm o d u l a r i z a t i o n m e t h o d ，t h em a i nf u n c t i o nm o d u l e so fh a r d w a r ec i r c u i ti n c l u d e st h es m a l l e s te m b e d d e ds y s t e m m o d u l e ，c o l l e c t i n gp r i n c i p a la x i se n c o d em o d u l e ，w a r pt e n s i o nc o l l e c tm o d u l e ，m o t o rc o n t r o l m o d u l e ，c o m m u n i c a t i o nm o d u l e ，h u m a n - m a c h i n ei n t e r f a c em o d u l e ，i om o d u l e ，e ta 1 t h e i n t e r f a c ec i r c u i to fe a c hm o d u l ew a sd e s i g n e db a s e do nt h es e l e c t o no fc o n t r o ld e v i c e s i no r d e r t oe n h a n c et h es t a b i l i t ya n dr e l i a b i l i t yo ft h es y s t e m ，s o m ea n t i - j a m m i n gm e a s u r e ss u c ha s i s o l a t i o na n dd e c o u p l i n gw a st a k e ni nt h eh a r d w a r ed e s i g n i nt h ep r o c e s so fs o f t w a r ed e s i g n ，t h ee m b e d d e dr t o si t c o s i iw a sa d o p t e dt of a c i l i t a t e u p g r a d e sa n dm a i n t e n a n c eo ft h es y s t e m o nt h eb a s i so ft h eh a r d w a r ep l a t f o r m ，t h ei i c o s i i o sk e r n e lw a sc u ta n dt r a n s p l a n t e d , c l o c kt i c kf u n c t i o no ft h eo sw a sm o d i f i e di na c c o r d a n c e 、析t l lt h es y s t e mr e q u i r e m e n t s t h es y s t e ms t a r t u p - c o d ec o m b i n a t ew a sa m e n d e da n dt h et a s kw a s m a r k e do u tr e a s o n a b l ya c c o r d i n gt ot i m e l i n e s sr e q u i r e m e n t so fe a c hf u n c t i o nm o d u l eo ft h e h a r d w a r ec i r c u i ta n dt h es y s t e m i th a sb e e np r o v e dt h a t t h i sr t o sc a nm e e tr e a l t i m e r e q u i r e m e n t sb ya n a l y z i n gt h et i m e l i n e s so ft e n s i o ns a m p l i n gt a s kw h i c hh a st h eu p m o s t r e a l - t i m e r e q u i r e m e n t s i nt h i s s y s t e m c a nc o m m u n i c a t i o np r o t o c o l w a sd e f i n e da n d i i 浙江理工大学硕士学位论文 p r o g r a m m e d ，i z c ，c a na n dl c dd r i v e rw a sd e v e l o p e d i na d d i t i o n , t h ef u n c t i o na n dc o n t r o l f l o wo fe a c ht a s ka sw e l la sa n dt h ei n f o r m a t i o nc o m m u n i c a t i o nb e t w e e nt h ei n t e r r u p t i o na n dt h e t a s ko rb e t w e e nt h et a s k sw e r ee x p l a i n e d s o m ea n t i - j a m m i n gm e a s u r e so fs o t h a r ew a sa l s o t a k e nt or e i n f o r c et h er e l i a b i l i t yo ft h es y s t e m f i n a l l y , a c c o r d i n gt ot h en o n - l i n e a ra n dl a gc h a r a c t e r i s t i c so ft h ew a r pt e n s i o n ，af u z z y p a r a m e t e r ss e l f - t u n i n gp i dc o n t r o la l g o r i t h mw a se m p l o y e dt oa d j u s tt h ew a r pt e n s i o n a n dt h e w a r pt e n s i o nf u z z ys e l f - t u n i n gp i dc o n t r o l l e rw a sd e s i g n e d u s i n gm a t l a ba n ds i m u l i n kt o o l s ， t h es i m u l a t i o no nt h et e n s i o no ft h ep i dc o n t r o l l e ra n dt h ew a r pt e n s i o no ff u z z ys e l f - t u n i n gp i d c o n t r o l l e rf o rs i m u l a t i o nw a ss t u d i e d i na d d i t i o n , t h ef u z z ys e l f - t u n i n gp i dc o n t r o la l g o r i t h m a b o u tw a r pt e n s i o ni nl p c 2 2 9 4w a si l l u s t r a t e d k e yw o r d s ：a r m ；r t c o s - - i i ；a i r - j e t ；l e t - o f fa n dt a k e u p ；f u z z yp i d i i i 浙江理工大学学位论文原创性声明 本人郑重声明：我恪守学术道德，崇尚严谨学风。所呈交的学位论文，是本人在导师 的指导下，独立进行研究工作所取得的成果。除文中已明确注明和引用的内容外，本论文 不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的作品及成果的内容。论文为本人亲自撰 写，我对所写的内容负责，并完全意识到本声明的法律结果由本人承担。 学位论文作者签名：互_ i 磊 醐1 驰川如 浙江理工大学学位论文版权使用授权书 学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，同意学校保留并向国家 有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅或借阅。本人授权浙江理工 大学可以将本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和汇编本学位论文。 本学位论文属于 保密口，在 不保密口 学位论文作者签名：王麓 日期：如鼍年弓月1 工日 年解密后使用本版权书。 指导教师签名：凌( 移z 日期：；月眵日 浙江理_ 人学硕士学位论文 第一章绪论 1 1 喷气织机的发展与现状 1 1 1 喷气织机的发展 从1 9 4 5 年第一台m a x b o 喷气织机商业化开始，喷气引纬已作为一种新的无梭引纬方 式进入织机市场。但当时的气流引纬技术还比较落后，引纬不稳定，产品质量差，对纬纱 的要求也比较苛刻，使得喷气织机的发展也比较缓慢。随着空气动力学理论的提高，防止 喷射气流扩散的研究以及纬纱飞行稳定性的提高，以及电子计算机、传感器及变频调速技 术的应用，使得喷气织机的运转速度得到明显提高，自动控制水平也取得了显著进步，并 以其产品质量高、品种适应性强等优点，成为无梭织机中发展最快的机型。到2 0 世纪8 0 年代，喷气织机已趋于成熟，并进入了大量工业性生产和使用阶段。【1 】 1 1 2 国外喷气织机的发展现状 当前，世界上各种型号的喷气织机主要采用主、辅喷嘴与异形筘结合的引纬方式 2 1 ， 提高了纬纱在梭口中运行的稳定性，从而扩大了品种适应性；并提高了织机的入纬率，增 加织物幅度，喷气织机的控制系统的速度和效率都明显提高，功能也越来越完善。德国道 尼尔采用双轴送经系统，最大入纬率达2 6 5 0 m m i n ，可双根入纬，系统的控制精度达到了 0 0 l 根e m 。意大利舒美特的最大入纬率为2 0 0 0 m m i n ，采用电控送经，程控经纱张力。 如今在国际上，喷气织机的控制系统普遍采用3 2 位c p u 控制器，并采用了许多先进技术 使喷气织机实现了智能化、标准化和网络化【3 1 。 ( 1 ) 智能化 现代纺织技术的特征是智能化生产，当前国外喷气织机的机电一体化水平己达到了相 当高的水平，大部分机构运动都采用嵌入式控制技术和电气自动控制技术来实现。采用各 种变速电机对织机主电机进行数字化控制，使织机主传动纳入控制系统的控制范畴。近年 来，国外喷气织机上的电子选纬装置、电子剪刀、电子绞边等机构大多应用了线性电机技 术，其它执行机构如引纬、寻纬、送经和卷取也都采用电子控制方式来实现，并配备有经 纱张力自动调节、防止开车印痕、纬纱喷射时问自动控制、自动找断纬与断纬自动修复、 自动纬纱供应系统等智能装置。另外，各种新型传感器在织机上的应用，为设备的监测、 控制提供了精确的数据信息，使得新型喷气织机具备了在纺织生产过程中对各种工艺参 数、状态信息的在线检测、显示、自动控制和调节，以及故障自动排除，人机交互等功能。 l 浙江理t 大学硕+ 学位论文 并且随着电子技术的不断发展，织机的自动化程度还将进一步提高。 ( 2 ) 标准化 国外喷气织机普遍实行模块化设计，如电子多臂、电子提花、电子储纬、电子纬纱张 力器、电子选纬、电子送经、电子卷取、电子绞边、电子边剪等装置，各模块之间通过主 控制系统协调工作，成为相对独立的子系统，并都作为标准配置。# i - 力n 的人机界面可设定 和显示织机的各种工艺参数，使这些机构的工作参数在控制系统中都能进行设定，针对不 同的织物要求，实时调整织机的工艺参数，从而使织机机构更易调整，品种适应性也得到 增强。 ( 3 ) 网络化 通过i n t e m e t 、工业以太网和现场总线、甚至光纤通讯等组成局域网，实现织机间信息 通讯和联网群控，使喷气织机实现了网络化。管理人员能够方便地在控制中心远程查询织 造生产数据、运行状态；采用r s 4 8 5 总线或c a nb u s 现场总线技术，可实现织机之间互 传工艺数据。采用微处理机监控，可对设备的运行情况和各项工艺参数进行监测和显示， 对发生故障的织机进行远程诊断、远程故障排除。 1 1 3 国内喷气织机发展现状 由于受现有控制技术的影响，国内喷气织机的研制起步比较晚，因此无论在织机的速 度还是工作效率上与国外喷气织机都存在一定的差距，且很多控制技术还不完善，控制模 块也没有形成统一的标准，因此在不同的织机上不能相互通用，网络化技术和集中管理技 术也不够完善。上世纪9 0 年代期间，我国的喷气织机主要是依靠进口【4 】，进口的高档无梭 织机平均为每年5 0 0 0 台，其中喷气织机占一半以上。进入2 l 世纪以来，国内对喷气织机 的需求越来越大，一些国内纺织机械公司通过引进技术开始自主研发，并取得了很好的成 效。目前，国产喷气织机能够形成成熟产品在市场销售的有上海中纺机、咸阳织机公司、 石家庄纺机、江西丰凯纺机、经纬纺机等几家纺织企业。但作为喷气织机控制核心的织机 电控系统与国外差距仍然较大，特别是产品在可靠性方面有待进一步提高。 国内外两种型号的喷气织机的主要技术特征比较如表1 1 所示。 2 浙江理工大学硕士学位论文 表1 1 国内外喷气织机的主要技术特征比较 是 德国道尼尔a s中纺机g a 7 0 8 i i 技术特征 筘幅 15 0 5 4 0 e m1 9 0 、2 3 0 、2 5 0 、2 8 0 c m 最大入纬率2 6 5 0m m i n l2 3 5 m m i n 引纬方式主辅喷嘴和异形筘主喷嘴和电磁阀方式 凸轮开口机构，最多可容纳1 0 页综框；旋 消极式凸轮，基本配置4 页综框，最 开口方式转式电子多臂，最多容纳1 6 页综框；电子 多8 页综框。 提花机可高达1 0 0 0 0 针。 选纬3 8 色自由选纬单色、双色、四色任意选纬 电子送经e l o ，电子卷取e t u ，多臂快速 电子控制送经装置，机械式卷取，采 互换装量( e d c ) ，断纬自动恢复( a f r ) ，自 用可编程计算机控制为核心，控制启 控制方式 动防止开车印痕( a s p ) ，多微处理器技术 动、制动、电磁阀的开和闭，可设定 的c a n b u s 总线局域网络控制系统。 织造工艺参数。 1 2 送经和卷取机构工作原理 喷气织机完成经、纬纱线的交织需由提综、引纬、打纬、送经、卷取五大运动的有机 配合以及其他辅助运动的配合，才能得以完成。另外还有断经自停、缺纬自停、纬纱补给 等由辅助机构控制的辅助运动。整个运行过程控制复杂，既要实现织机启动、停车、经停、 纬停及自动寻纬等基本功能，同时系统又由送经电机、卷取电机、减速系统、伺服控制器、 张力传感器及相关机构通过送经和卷取模块来调节送经电机和卷取电机的转速，以实现织 物所要求的纬密，并保证经纱张力恒定。 1 2 1 送经机构工作原理 送经机构的作用是根据所织织物纬密的大小，在织造过程中及时送出定量且具有一定 张力的经纱，以维持织造生产的连续进行【5 1 。能否使经纱张力在织轴由满轴到空轴的织造 过程中始终保持恒定的张力，是衡量送经机构性能好坏的主要标志，而织机送经装置工艺 性能的优劣是评价织机性能的一个重要方面【6 j 。 喷气织机送经机构与有梭织机相似，要求织机每引入一纬时送出定量经纱，并给经纱 以一定张力，以满足开清梭口，打紧纬纱的要求，获得一定紧度和结构的织物。送经卷取 控制系统的主要控制对象是经纱张力，为了提高织物的质量，减少瑕疵，织机在运行过程 中需保持经纱张力动态恒定。目前喷气织机送经机构多数为电子式，过去多为机械式。机 械式送经机构包括经纱送出机构、经纱张力调节机构、经纱张力均匀补偿装置、缓冲装置、 3 浙江理丁大学硕士学位论文 开车反冲装置和变速器组成。机械送经机构结构复杂，连接杆件多，机件的惯性力及摩擦 阻力等都会影响送经和张力控制的灵敏度和精确性。电子送经机构具有机构简单、反应灵 敏、功能多样、容易操作等特点。电子送经控制系统还可以根据织机停台时间的长短及停 台原因，由计算机进行经纱张力补偿的控制，通过经轴的反转功能和织口控制功能控制织 口的最佳位置，用以消除停车挡，提高织物质量。 1 2 2 卷取机构工作原理 卷取机构的作用是把已织成的织物引离织口，并通过导布辊卷绕到卷布辊上，以保证 织造生产总是在固定的位置上连续进行。同时，根据织机转速和织物纬密来确定引离织物 的速度，从而形成一定纬密的织物。 为了提高织机的品种适应性和织物质量，卷取机构应具有调节方便，卷取准确、稳定， 卷布张力均匀，并能随不同的织物要求变化纬密，并实现控制及落布自动化。 卷取和送经必须协调工作，同时配合张力机构，才能使经纱张力在经轴从满轴到空轴 的过程中基本保持稳定，以提高织物质量。若卷布机构运行不良，与送经、张力调节机构 配合不当，将导致纬密不匀和其它织疵的产生。 卷取机构按传动性质可分为机械式和电子式两大类。机械式卷取机构采用连续式传动 装置，故又称机械连续式卷取机构。电子式卷取机构不仅机构简单，而且可实现纬密精确 控制，因为不必通过更换齿轮来变更织物纬密，所以在织造过程中可以随时改变卷取量， 调整织物的纬密。 卷取机构按运动性质可分为间歇式和连续式两大类。间歇式卷取机构的卷取动作发生 在织机主轴一转中的一定时期。这种卷取机构结构简单、调节方便，但卷取时冲击较大， 机件磨损较快，易松动而失灵，因此，高速运转的喷气织机中的卷取运动不易采用此类机 构。连续式卷取机构的卷取动作是由地轴( 或曲柄轴) 传动，卷取动作是连续地随织机回 转而不断进行。这种卷取机构的优点是机件磨损小，运动平稳，无冲击，能承受较大的张 力，适用阔幅重型及高速织机，但结构比较复杂。1 5 j 1 3 电子送经和卷取控制系统的国内外研究现状 1 3 1 国外研究现状 国外对电子送经与电子卷取技术的研究起步较早，早在2 0 世纪5 0 年代就有专门的电 器公司开始进行研究。如今，世界上著名的喷气织机制造公司的产品都配备有高性能的电 4 浙江理j = 人学硕士学位论文 子送经与电子卷取装置。目前，国外已经有比较成熟的电子送经卷取控制系统，如日本丰 田、津田驹、德国百格拉、意大利舒美特、比利时必佳乐等公司，它们的产品占据着高档 织机张力控制系统的大部分市场。 国外电子送经和卷取模块整体具有以下特性：性能稳定，故障率低；电子送经系统保 证织布时张力恒定，电子卷取系统可以保证织各种纬密的布，且纬密精确，在停车时，释 放经纱张力，使织口到经轴的经纱由停车而产生的张力得到有效改善，不至造成因织口位 置移动而产生开车痕，织机在重新开车时自动恢复到停车时位置；对各种开车进行补偿， 避免开车痕；减少稀密路、条影，有效防止织疵的产生，允许慢车、手动开车和倒车；卷 取机构具有连续化、大卷装、电子控制和自动落布等特点。 1 3 2 国内研究现状 国内对电子送经卷取装置的研究起步较晚，大概在9 0 年代中后期开始电子送经控制 系统的应用研究，但大多是针对有梭织机和剑杆织机而研制的。其中控制器主要采用8 位、 1 6 位增片机、p l c 或d s p ，不能满足高速喷气织机的要求；电机主要采用力矩电机、驱动 伺服系统或步进电机，控制精度不高，不能对经纱张力进行有效的实时性调整。中国纺织 机械生产的喷气织机采用电子控制送经装置，张力传感器检测经纱张力并自动控制送经 量，卷取机构仍采用机械式，最大入纬率为1 2 3 5 r n m i n 。青岛引春机械生产的喷气织机车 速为5 5 0 一- 7 0 0 r m i n ，采用机械式无极调节连续送经，机械连续卷取或伺服式电子卷取。虽 然近几年来国内不少织机生产企业引进了国外喷气织机的电子送经卷取控制技术，开始自 主研发电子送经和卷取控制系统，并采用3 2 位c p u 、嵌入式技术和伺服电机控制送经和 卷取系统，并且人机界面朝人性化和多功能化方向发展，但研制的产品在可靠性、高速化、 标准化等方面与国际先进水平的差距仍然很大。而现代喷气织机的高入纬率以及人们对织 物构成外观质量不断提高的情况下，使得对织机送经机构的反应速度和控制精度的要求都 越来越高；同时对卷取作用要求准确、稳定，卷布张力均为，控制自动化。因此，国内喷 气织机的电子送经卷取控制系统大都是依靠进口。 1 4 本课题研究的内容和意义 电子送经和卷取控制系统包括送经控制、卷取控制、送经和卷取的同步性控制。 送经控制的控制对象是经纱张力，经纱从经轴到卷布辊的整个织造过程中，受织机各 大运动的影响，经纱张力呈周期性变化。送经卷取控制系统除了要保证织物纬密要求外， 还必须保证在织造过程中动态张力保持恒定。动态张力指的是织机运行时的纱线张力，它 5 浙江理t 大学硕士学位论文 是影响织造质量的一个重要因素，也是送经卷取控制系统研究的重点。异常停机时，为了 不使经纱长期处于拉伸状态，停机之l j i ，先放出定量的纱线以使其处于松弛状态。 卷取控制相对比较简单，由于在卷布辊上压有直径恒定的导布辊，因此，卷取控制只 需根据织机转速、织物纬密及导布辊直径计算出导布辊的转速，根据导布辊转速和卷取机 构电子齿轮比可求得卷取电机的转速，由卷取电机的转速和卷取电机的分辨率可计算出控 制电机所需的脉冲频率。织机在正常运行情况下，控制器保持脉冲频率不变即可实现恒定 的送经量；点动情况下，可根据织机的点动速度求得相应的脉冲频率；异常开机时卷取定 量织物以调节经纱张力。 送经和卷取的同步性控制主要是实现送经和卷取电机的线速度相等，并实现同时启 停。为保证织造中具有精确的纬密和稳定的经纱张力，避免产生开车痕，必须保证送经和 卷取的高度同步。必须符合以下要求：电机采用相同的控制方式；正常开车停车时，送 经运动与卷取运动同时启动和停止；织机正常运行时，卷取量等于送经量和经纱变化量， 以保持经纱张力恒定。 本课题针对目前我国喷气织机需求比较大，但可以作为标准模块应用于喷气织机的电 子送经和卷取模块比较紧缺的情况下，研制开发了基于3 2 位a r m 和c o s i i 的电子送 经和卷取控制系统，主要研究内容如下： ( 1 ) 根据系统功能要求，选取电子送经和卷取控制系统的控制器件并设计系统硬件 电路： ( 2 ) 根据送经卷取的工艺要求及其控制规律，对系统的软件控制进行设计； ( 3 ) 研究喷气织机的经纱张力变化特性及其影响因素，通过分析设计出适合喷气织 机高速、高性能要求的一种张力控制算法，以及织机点动情况下的张力控制。 本课题研究的难点主要包括以下两个方面： ( 1 ) 系统的高实时性要求：喷气织机的最突出特性是高速性，因此，要保证系统的 控制精度，软件控制的实时性必须满足系统要求； ( 2 ) 伺服系统的控n - 对送经和卷取的伺服电机进行控制以实现经纱张力的平稳性， 使织机经轴由满轴到空轴的织造过程中，经纱张力基本保持恒定。 本课题研制开发的独立电子送经和卷取控制系统，可作为标准模块应用于喷气织机控 制系统中，以加快我国喷气织机的研发速度，提高高性能喷气织机的市场竞争力，改变我 6 浙江理t 大学硕士学位论文 国喷气织机特别是电气控制部分主要依赖进口的局面。系统采用了i - t c o s i i 实时操作系 统，不仅便于系统升级和维护，而且缩短了系统的研发周期，进而有利于喷气织机的推广 使用。由于添加了c a n 通讯和键盘+ l c m 人机界面，系统可在需要时通过键盘或c a n 通 讯设定系统的控制参数，提高了织机的品种适应性。 1 5 本章小结 本章首先介绍喷气织机的发展及国内外研究现状，然后针对喷气织机的重要机构送 经和卷取机构的工作原理及目前国内外的研究现状进行介绍，并对本课题研究的内容、重 难点及其研究意义进行了说明。 7 浙江理上人学硕士学位论文 第二章电子送经和卷取控制系统的总体设计方案 送经卷取控制系统的主要控制对象是经纱张力，为了提高织物的质量，减少瑕疵，织 机在运行过程中必需保持经纱张力动态恒定。送经卷取控制系统通过控制织机送经和卷取 电机的转速来实现经纱张力恒定。系统整体控制框图如图2 1 所示。 图2 1 电子送经卷取系统整体控制框图 2 1 控制器及嵌入式操作系统的选取 2 1 1 控制器的选取 针对高速、高性能的喷气织机的电子送经卷取控制模块，设计中采用3 2 位的嵌入式 处理器。而目前市场上的嵌入式处理器构架主要有a r m 、m i p s 、d s p 、p o w e r p c 等。 m i p s 是m i l l i o ni n s t r u c t i o n sp e rs e c o n d 的缩写，m i p sc p u 是一种r i s c 结构的c p u ， 每秒可以处理百万级的机器语言指令数。m i p s 是一家设计制造高性能、高档次及嵌入式 3 2 位和6 4 位处理器的技术公司，在r i s c 处理器方面占有重要地位。 d s p ( d i g i t a ls i g n a lp r o c e s s i n g ) 处理器的强大数据处理能力和高运行速度，是最值得 称道的两大特色。d s p 芯片，也称数字信号处理器，是一种特别适合于进行数字信号处 理运算的微处理器l 。嵌入式d s p 处理器在系统结构和指令算法方面进行了特殊设计，具 有很高的编译效率和指令执行速度。在数字滤波、f f t 、谱分析等各种仪器上d s p 获得了 大规模的应用。 2 浙江理工人学硕士学位论文 p o w e r p c ( p e r f o r m a n c eo p t i m i z e dw i t he n h a n c e dr i s c ) 是二十世纪九十年代，由i b m 、 a p p l e 和m o t o r o l a 联合开发的高性能3 2 位和6 4 位r i s c 微处理器系列。它的指令是有优 先级的，一般最常用的指令在精简指令构架中是处于最优先的级别中，这样c p u 调用指令 就很快。p o w e r p c 架构的特点是可伸缩性好、方便灵活，具有很强的嵌入式表现，因为它 具有优异的性能、较低的能量损耗以及较低的散热量。 “a r m ”是a d v a n c e dr i s cm a c h i n e 的缩写【引。1 9 9 1 年a r m 公司成立于英国剑桥， 是苹果电脑、a c o r n 电脑集团和v l s it e c h n o l o g y 的合资企业。a r m 公司是专门从事基于 r i s c 技术芯片设计开发的公司，作为知识产权供应商，本身不直接从事芯片生产，靠转 让设计许可由合作公司生产各具特色的芯片，即a r m 公司设计出高效的p 内核，授权给 半导体公司使用，世界各大半导体生产商从a r m 公司购买其设计的i p 内核，根据各自不 同的应用领域，加入适当的外围电路，从而形成自己的a r m 微处理器芯片进入市场。目 前，全世界有几十家大的半导体公司都使用a r m 公司的授权，使得a r m 技术获得更多 的第三方工具、制造、软件的支持，又使整个系统成本降低，使产品更容易进入市场被消 费者所接受，更具有竞争力。 目前，a r m 产品已遍及工业控制、消费类电子产品、通信系统、网络系统、无线系 统等各类产品市场，基于a r m 技术的微处理器产品约占据了3 2 位r i s c 微处理器产品7 5 以上的市场份额，a r m 技术正在逐步渗入到我们生活的各个方面。采用r i s c 架构的a r m 微处理器一般具有如下特点： ( 1 ) 低功耗、低成本、高性能，指令执行速度快； ( 2 ) 大多数数据操作都在寄存器中完成，寻址方式灵活简单，执行效率高； ( 3 ) 支持t h u m b ( 1 6 位) a r m ( 3 2 位) 双指令集，能很好的兼容8 位1 6 位器件， 存储器比等价3 2 位代码节省达3 5 ，却保留了3 2 位系统的所有优势。 目前主要a r m 构架有a r m 7 系列、a r m 9 系列、a r m l 0 e 系列和s e c u r c o r e 系列。 其中a r m 7 系列微处理器为低功耗的3 2 位r i s c 处理器，主要应用领域为：工业控 制、i n t e m e t 设备、网络和调制解调器设备、移动电话等多种多媒体设备和嵌入式应用，最 适合用于对价位和功耗要求较高的消费类产品。 设计中结合喷气织机对送经和卷取系统的性能要求，在满足系统要求的基础上尽量降 低产品的成本。而a r m 7 构架的微控制器已经非常普及，无论从速度上还是性能上都完全 可以满足系统的设计要求，而且已经有许多第三方的开发和调试工具支持，非常方便系统 的设计开发。因此，本设计选用以a r m 7 t d m i 为内核构建的p h i l i p 公司生成的l p c 2 2 9 4 9 浙江理：i ：人学硕十学位论文 微处理器作为系统的控制器。a r m 7 t m d i 是目前使用最广泛的3 2 位嵌入式r i s c 处理器， 属低端a r m 处理器核【8 1 0t d m i 的基本含义为： t ：支持1 6 为压缩指令集t h u m b ； d ：支持片上d e b u g ； m ：内嵌硬件乘法器( m u l t i p l i e r ) ： i ：嵌入式i c e ，支持片上断点和调试点。 2 1 2 嵌入式操作系统 2 121 嵌入式操作系统介绍 随着嵌入式系统的广泛应用，传统的f i ；j - 后台程序开发机制已经不能满足只益复杂和 多样化的嵌入式应用需求，因而采用嵌入式实时操作系统r t o s ( r e a lt i m eo p e r a t i o n s y s t e m ) 开发实时多任务系统成为必然。嵌入式实时操作系统一般可以提供多任务的任务 调度、时间管理、任务间通信和同步机制以及内存管理等重要服务，使得嵌入式应用程序 易于设计和修改。另外，使用嵌入式r t o s 可以缩短研发周期，提高系统的可靠性，并能 充分发挥了3 2 位c p u 的多任务性能。 嵌入式操作系统是一种支持嵌入式系统应用的操作系统，通常包括与硬件相关的底层 驱动软件、系统内核、设备驱动接口、通信协议、图形界面、标准化浏览器等。 嵌入式操作系统不仅具有通用操作系统的基本特点，所不同的是嵌入式操作系统具有 软件代码小、响应速度快、可剪裁性、可固化等特点，其软件可通过剪裁及针对性地移植， 应用于不同的硬件平台，特别适合于要求高实时性和多任务的体系。 2 1 2 2 嵌入式操作系统的选取 自2 0 世纪8 0 年代，国际上就有一些i t 组织、公司开始进行商用嵌入式操作系统和专 用操作系统的研发，出现了一些比较受欢迎的嵌入式操作系统，如1 l c l i n u x 、i 上c o s i i 、 v x w o r l ( s 和w i i l c e 。 w i n c e 和v x w o r k s 都是商用产品，其价格都十分昂贵，对于成本较低的电子送经和卷 取模块的研发是不适宜采用的。 i x c l i n u x 和i - t c o s i i 操作系统是两种性能优良、源码公开且被广泛应用的免费嵌入式操 作系统9 1 。l a c l i n u x 是一种优秀的嵌入式l i n u x 版本，是针对嵌入式处理器的特点设计的一种 操作系统，它集成了标准l i n u x 操作系统的稳定性、强大网络功能和出色的文件系统等主要 优点。i t c o s i i 适合小型控制系统，是具有执行效率高、占用空间小、实时性能优良和可 扩展性强的具有可剥夺实时内核的实时操作系统。 1 0 浙江理t 大学硕：f ：学位论文 在嵌入式操作系统实际应用中，最常见的问题主要包括进程调度、文件系统支持和系 统移植。进程调度主要是协调任务对计算机系统内资源的争夺使用，进程调度可分为“剥 夺型调度 和“非剥夺型调度 两种基本方式。所谓“剥夺型调度”是指：一旦就绪状态 中出现优先权更高的进程，或者运行的进程已用满了规定的时间片时，便立即剥夺当前进 程的运行并将其放回就绪状态，把c p u 分配给其他进程。所谓“非剥夺型调度是指：一 旦某个进程被调度执行，则该进程一直执行下去直至该进程结束，或由于某种原因自行放 弃c p u 进入等待状态，才将c p u 重新分配给其他进程。文件系统是指负责存取和管理文件 信息的机构，也可以说是负责文件的建立、撤销、组织、读写、修改、复制及对文件管理 所需要的资源实施管理的软件部分。嵌入式操作系统移植的目的是使操作系统能在某个微 控制器平台上运行。 下面就从操作系统的基本特性、进程调度、文件系统及移植这四个方面对i _ t c o s i i 和 p , c l i n u x 进行分析比较。 表2 1 邮& i i 和p c i i n u x 比较 r t o s 性趴 p c o s - 1 ii t c l i n u x 免费公开源代码、执行效率高、占用免费公开源代码、占用空间大、实时性能差， 基本特性 空间小、实时性能优良、可扩展性强稳定性好、网络功能强大、具有出色的文件系 的可剥夺型实时嵌入式操作系统。 统的非实时嵌入式操作系统。 调度效率低：采用1 f 剥夺型实时多任务内核， 调度效率高：采用可剥夺型实时多任 采用时间片轮转调度法，系统每隔一定时间挂 进程调度务内核，因此在任何时候都运行就绪 起进程，同时产生快速和周期性的时钟性时中 断，并通过调度函数( 定时器处理函数) 决定 了的最高优先级的任务。 进程什么时候拥有它的时间片，然后进行相关 进程切换。 不支持文件系统，但具有良好的扩展 文件系统性能，如果需要的话也可自行加入文 采片j r o m f s 文件系统，支持网络文件系统且内嵌 件系统的内容。 t c p i p 协议。 移植简单：只需要修改与处理器相关 的代码就可以了。即根据处理器本身 操作系统 的特性修改o sc p u h ， u c l i n u x 结构比较复杂，相对u c