（电力电子与电力传动专业论文）基于arm7的嵌入式系统在喷气织机控制技术中的应用.pdf

硕士学位论文基于a r m 7 的嵌入式系统在喷气织机控制技术中的应用 主要的工作包括：总结了z a 2 0 5 型喷气织机主控制板的输入输出 信号表和参数总表；完成了z a 2 0 5 型喷气织机的主控制评估板的板级 硬件设计、f p g a 的设计、并且以状态机程序框架和u c o s i i 实时多 任务内核为基础，完成了主控制评估板软件部分的设计。 全文共分为七章： 第1 章为绪论，说明本课题的发展方向和研究的主要工作。 第2 章首先简要介绍喷气织机结构，然后从功能分析的角度， 对z a 2 0 5 型喷气织机计算机控制系统总体结构以及各个子 功能系统进行详细阐述。 第3 章提出基于a r m 和f p g a 的喷气织机嵌入式计算机控制 系统的设计方案。 第4 章阐述喷气织机计算机控制系统评估板的硬件设计， 第5 章f p g a 模块的详细设计。 第6 章阐述基于u c o s i i 实时多任务内核的织机主控制板软件 设计。 第7 章记录喷气织机计算机主控制板评估板的硬件调试情 况。 关键词：嵌入式系统a r m 、喷气织机、f p g a 、织机主控制板、 状态机程序框架。 t h ea i rl o o mc o n t r o ls y s t e mb a s e do na r m 7 e m b e d d e ds y s t e m a b s t r a c t w i t ht h eh i g h s p e e dd e v e l o p m e n to ft h et e c h n o l o g yo ft h ec o m p u t e r a n dr n i c r o e l e c t r i ct e c h n i q u e ，e m b e d d e ds y s t e mt e c h n o l o g yi sb e c o m i n g r i p e r i n d u s t r i a lc o n t r o ls y s t e mw i t he m b e d d e ds y s t e mi sb e i n gw i d e l y u s e db e c a u s eo fi t sr e a lt i m e ，s t a b i l i t y ，r e l i a b i l i t ya n do t h e ro b v i o u s a d v a n t a g e s t h ea i r - j e tl o o mi s ak i n do ff a s t e s tl o o m si nm o d e m s h u t t l e l e s sl o o m ，i td e m a n d st ob ec o m p a r a t i v e l yh a r s ht ot h ec o n t r o l s y s t e mo ft h el o o m c o n s i d e rt h a ts p i n st h ep r e s e n tc o n c r e t ec o n d i t i o n so f m a c h i n em a t e r i a ld o m e s t i c a l l y ，d e v e l o pa ne m b e d d e dc o m p u t e rc o n t r o l s y s t e mw h i c hi su s e di nt h em e d i u m t o h i g hg r a d ea i r - j e tl o o m ，h a v ev e r y i m p o r t a n tm e a n i n g st ot h ee n g i n e e r i n gl e v e lw h i c hr a i s e s t h ec o n t r o l s y s t e mo fm e d i u m t o h i g hg r a d ea i r - j e tl o o mo fo u rc o u n t r y ，h a v e i m p o r t a n tr e f e r e n c ev a l u et ot h er e s e a c ho ft h ec o n t r o ls y s t e mo fo t h e r s h u t t l e l e s sl o o m st o o t h i st e x th a sd e e p e n e da n da n a l y s e dt h ea l r e a d ye x i s t i n gc o n t r o l s y s t e mo fa i r - j e tl o o mo ft h em o d e lz a 2 0 5s y s t e m a t i c a l l y ，h a v ep r o p o s e d o n ei sam a i np r o c e s s o rw i t ha r m 7m c u ，t h ef p g ai sad e s i g np l a no f m a i nc o n t r o lb o a r dh a r d w a r eo f a i r - j e t l o o m a n di tr e d u c e st h e s y s t e m a t i cc o s te f f e c t i v e l y c o m p a r i n gw i t ht h eo r i g i n a ld e s i g np l a n ，i ti s s i m p l e ，s t r o n ge x p a n s i b l ea n dr e a c h i n gt h el e a d i n gl e v e lo ft h ec o n t r o l s y s t e mo ft h ed o m e s t i ca i r - j e tl o o m ih a v ed e s i g n e dt h ed e m ob o a r do f t h ea i r - j e tl o o m m a i nc o n t r o ls y s t e mo nt h i sb a s i s t h em a i nw o r ki n c l u d e s ：s u m m a r i z i n gt h ei n p u ta n do u t p u ts i g n a l f o r mo ft h em a i nc o n t r o lp a n e lo fa i r - j e tl o o mo ft h em o d e lz a 2 0 5a n d p a r a m e t e rs u m m a r ys t a t e m e n t ；f i n i s h e dm a i n l yc o n t r o l l i n go n eg r a d eo f h a r d w a r e so fd e m ob o a r d ；r e g a r d st h ep r o c e d u r ef l a m eo ft h es t a t e m a c h i n ea n du c o s i ir e a l t i m ek e r n e l ，h a v ef i n i s h e dm a i n l yc o n t r o l l i n g t h ed e s i g nw h i c ha s s e s s e st h ep a r to f t h eb o a r ds o f t w a r e t h i sp a p e ri sd i v d e di n t o7c h a p t e r ： c h a p t e r1 ：i n t r o d u c t i o n ，e x p l a i nt h ed e v e l o pd i r e c t i o no ft h eq u e s t i o n f o rd i s c u s s i o na n dt h em a i nw o r k c h a p t e r2 ：f i r s t ，i n t r o d u c e st h ef a b r i co fa i rl o o mb r i e f l y a n dt h e n ， t a k e sap a r t i c u l a re x p a t i a t eo nt h ec o m p u t e rc o n t r o ls y s t e mo fz a 2 0 5a i r i o o m c h a p t e r3 ：p r o p o s e st h e i d e ao fa i rl o o mc o n t o l s y s t e mt h a t d e v e l o p e dw i t ha r m m c u a n df p g a c h a p t e r4 ：e x p o u n dt h ed e m oo fm a i nc o n t r o lb o a r do fa i rl o o m e r c h a p t e r 5 ：p a r t i c u l a rd e s i g no f f p g a c h a p t e r6 ：t h ea i rl o o mc o n t r o ls o f t w a r eb a s e do nu c o s 2 c h a p t e r7 ：d e b u go ft h eh a r d w a r ed e m ob o a r d z u o y u x i a n g ( p o w e re l e c t r o n i c ) s u p e r v i s e db yq i a nj i a n m i n g k e yw o r d s ：e m b e d d e d s y s t e m ，a r m ，a i rl o o m ，m a i nc o n t r o lb o a r d ， f p g a v 东华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： 日期：2 吃，年月2 一日 左奇翔 东华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。本人授权东华大 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，在年解密后适用本版权 书。 不保密d 学位论文作者签名： 左音翔 指导教师签名：彳每穆k 致 日期：z 彬苫年月2 口曰日期鼎，月。一。目 硕士学位论文基于a r m 7 的嵌入式系统在喷气织机控制技术中的应用 1 1 引言 第一章绪论 喷气织机是利用气流对纬纱所产生的摩擦牵引力进行引纬的 一种无梭织机n 1 。由于具有高入纬率、机电一体化程度高、机械传 动链短、结构紧凑、易损件少等优点，喷气织机被普遍认为是最具 发展前途的新型织机之一。我国从1 9 8 0 年开始，先后从日本、比利 时等国引进喷气织机，推动了国内喷气织机的研制与生产。目前， 我国已具备自行生产的能力。但是，从技术角度来看，国产喷气织 机尚处于中低档喷气织机的水平，高档喷气织机仍需依赖进口。随 着喷气织机的自动化程度的提高，织机控制系统的技术含量成为评 价喷气织机技术档次的一个重要方面。研制一个用于中高档喷气织 机的嵌入式计算机控制系统，对于提高国产喷气织机的技术水平， 提升织机产品的科技附加值具有实际的意义。 喷气织机在高速织造过程中，每一回转的时间仅百分之几秒， 而在一个回转内必须完成开口、引纬、打纬、送经、卷取、剪纬、 储纬等几项基本运动，各运动之间配合必须精确到千分之几秒。因 此，新型喷气织机采用嵌入式计算机技术对织机的喷气引纬控制系 统、电子送经系统、电子卷取系统、开口系统、电子绞边、电子剪 刀等能进行精确控制。国际上先进的喷气织机中关键的主控制系统 已普遍采用3 2 位嵌入式计算机控制。相对国产织机中普遍采用的8 位单片机加上大量数字集成电路的控制系统设计方案而言，3 2 位嵌 入式计算机的控制系统设计方案具有处理速度快、结果紧凑、设计 简单、可扩展能力强等优点。 硕士学位论文基于a m ? 的嵌入式系统在喷气织机控制技术中的应用 1 2 喷气织机主要结构 喷气织机的织造过程离不开开口机构、引纬机构、打纬机构、 卷取机构、送经机构，五大运动机构。为了实现自动化控制，提高 产品质量或满足织造的需要，还增加了一些附属机构和装置，常规 的附属部分有：剪刀机构、绞边机构、边撑装置、弃边纱卷取、计 产装置、自停部分( 经停、纬停、弃边纱停、绞边纱停、定长停) 、 折边装置、纬纱自动处理装置、集中给油装置等。 不同型号的喷气织机在各机构的实现方法上各有不同。以z a 2 0 5 型 为例： ( 1 ) 开口装置采用消极式凸轮机，在规定的时间内，将经纱分成上 下两层，形成梭口，待纬纱引入后，将梭口闭合，使经纱与纬纱成交 织状。 ( 2 ) 引纬装置使用电子控制方式由c p u 对电磁开发出开、闭的指令， 从而对喷嘴的喷射定时控制，在开口机构将经纱分成上下两层，形成 梭口后，及时将纬纱引入梭口。 ( 3 ) 打纬机构采用了有加强型曲轴的四连杆打纬。将引入梭口的纬 纱根据纬密要求打入织口，形成预期的织物。 ( 4 ) 电子送经机构采用e l o 电子送经方式，根据织物组织对纬密要 求，在织造过程中及时送出定量的具有一定张力的经纱，以使织布过 程得以连续进行；同时，通过张力传感器检测经纱总张力，由c p u 处理由于开口或松经、送经、经轴的卷径而发生的经纱张力变化， 指令伺服电机传动经轴，从而保证送经精度并使经纱保持恒定的张 力。 ( 5 ) 卷取机构采用机械式连续间接卷取方式，根据织物组织对纬密 的要求，将已织好的布及时定量引离织口，使织口位置不会因引入的 新纬纱而变化，从而保证织造过程得以连续进行。 ( 6 ) z a 2 0 5 在织机动力上采用2 7 k w 的超起动马达，在织机起动时 可产生1 2 倍于通常运转时的转矩，以补偿织机起动时的转矩不足， 2 硕士学位论文基于a r m 7 的嵌入式系统在喷气织机控制技术中的应用 获得高质量的第一纬，并且采用了更大力矩的电磁刹车，提高了制 动力，从而更有效的防止停车档的产生。 另外，z 2 0 5 配有电子鼓式( f d p ) 测长储纬器、行星齿轮式绞边装 置、机械式剪刀装置等。 1 3 现代喷气织机控制系统的发展方向 现代喷气织机运转速度进一步提高，织机的智能化水平也进入 了一个新的高度，同时，现代喷气织机采用了自动监控水平高、速 度高、质量好、零件损坏率低、布幅加宽、多色以及多品种纬纱引 纬及电子多臂、电子提花等高新技术，使得品种适应性得以提高。因 此对现代喷气织机的控制系统而言，具备以下三个方面的特征，而 且必然向着这三个方面进一步发展。 1 更快的处理速度，更大的数据吞吐量 一般现代喷气织机的入纬率已高达2 0 0 0m m i n 2 5 0 0z m i n ， 最新型喷气织机的入纬率已达到3 2 0 0m m i n n 。为了保证织机在高 速运转下稳定的工作，嵌入式处理器必须具有足够快的处理速度和 数据吞吐量。 2 智能化的信息处理和网络接口 现代喷气织机需要对全机的运动进行控制，尤其对产品质量的 自动监控。机上安装了许多监控传感器，不但织机本身具有自动运行 及程序控制的功能，而且能够与某一类型的控制网相连，以实现远 程监控。 3 强大而友好的人机交互平台 现代喷气织机具有良好的人机对话，在线控制能力。在织机上 一般会设有人机交互控制台，用于设置工艺参数，显示操作维护说 明，检查织机工作状况，并可以存储工作站编制的工艺参数。 3 硕士学位论文基于a r m 7 的嵌入式系统在喷气织机控制技术中的应用 1 4 嵌入式系统与a r m 随着计算机和电子技术的不断发展，使用嵌入式计算机的控制 系统，其实时性强、稳定性好、可靠性高等突出优点己在广泛的实 际应用中得到了很好的体现。嵌入式系统是指以应用为核心，以计 算机技术为基础，软硬件可裁剪，适应应用系统对功能、可靠性、 成本、体积和功耗严格要求的专用计算机系统n 。它具备了下列五 项特性：n 1 ) 通常执行特定的功能 2 ) 以微处理器与外围构成核心 3 ) 严格的时序与稳定性要求 4 ) 通常对系统有实时约束 5 ) 通常极其关注成本 嵌入式系统的架构可分成处理器、存储器、输入与输出、操作系 统与应用软件四个部份。其中前三项属于硬件部分，最后一项属于软 件部分。 嵌入式技术则是指用于设计或开发嵌入式计算机系统的相关技 术。嵌入式系统是计算机系统的一个偏枝，它与通用型计算机的最大 不同在于特别强调“量身订做”的原则，就是基于特殊用途开发不同 的系统，也就是“客制化”( c u s t o m i z e ) 由于嵌入式系统实现的 功能干差万别，具体的结构有很大的差异，以至于人们常常没有意识 到嵌入式系统的存在。事实上，嵌入式系统被广泛应用于各个领域。 a r m 是英国公司设计开发的通用微处理器体系结构，其主要优 势在于3 2 位r i s c 的设计和高效的指令集。a r m 的设计目标是实现 具有微型化、低功耗、高性能的微处理器。目前在微处理器家族( x 8 6 ， m i p s ，p p c ，s h ) 中，a r m 己经在高性能、低功耗和低价格的嵌入式 应用领域确立了市场和技术的领先地位。作为一种r i s c 微处理器， a r m 微处理器具有如下特点1 ： 1 ) 体积小、低功耗、低成本、高性能； 4 硕士学位论文基于a r a 7 的嵌入式系统在喷气织机控制技术中的应用 2 ) 支持t h u m b ( 1 6 位) a r m ( 3 2 位) 双指令集，能够很好的兼容8 位1 6 位器件： 3 ) 大量使用寄存器，指令执行速度更快； 4 ) 大多数数据操作都在寄存器中完成； 5 ) 寻址方式灵活简单，执行效率高； 6 ) 指令长度固定： a r m 指令集的效率比基于c i s c 指令集的效率要高得多。指令集 由1 个基本指令类型组成，两种用于片上a l u 、环形移位器和乘法 器，3 种用于控制存储器和寄存器之间的数据传送，另外3 种控制 执行的数据流和特权级别。最后3 种指令用于控制外部协处理器， 这使得3 种指令集的功能可以在片外得到扩展。对于一些高级语言 的编译器来说，a r m 的指令集是比较理想的。而且a r m 汇编器的编 码也非常简单。a r m 指令集的另一个特征是所有的指令都支持条件 执行。商效指令集和简单设计的结合，使a r m 成为一种低功耗气低 价位、高性能的处理器。 a r m 微处理器目前包括a r m 7 系列、a r m 9 ( e ) 系列s e c u r c o r e 系 列x s c a l e 系列，s t r o n g a r m 系列，以及其它厂商基于a r m 体系结构 的处理器，除了具有a r m 体系结构的共同特点以外，每一个系列的 a r m 微处理器都有各自的特点和应用领域。 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，主要应用领域有：工业控制、网络和调制解调器 设备、移动电话等。本课题中使用的l p c 2 1 3 6 就属于该类的处理器。 1 5 论文所完成的主要工作及结构安排 本论文在对z a 2 0 5 型喷气织机计算机控制系统进行结构和功能 分析的基础上，提出“以a r m 7 处理器为主处理器，f p g a 为协处理 器”的喷气织机主控制板设计方案，并且通过设计评估板的方式验 证方案的可行性。 论文所涉及的主要内容包括： 硕士学位论文基于a r m 7 的嵌入式系统在喷气织机控制技术中的应用 1 ) 2 ) 3 ) 4 ) z a 型喷气织机控制系统功能分析； 基于a r m 和f p g a 的喷气织机嵌入式计算机控制系统的设计方案； 喷气织机嵌入式计算机控制系统的主控板评估板硬件设计与调 试； 基于u c o s 2 的主控板软件设计； 本文共分为七章： 第1 章为绪论，说明本课题的发展方向和研究的主要工作。 第2 章首先简要介绍喷气织机结构，然后从功能分析的角度，对 z 2 0 5 型喷气织机计算机控制系统总体结构以及各个子功能系统进 行详细阐述。 第3 章提出基于a r m 和f p g a 的喷气织机嵌入式计算机控制系统的设 计方案。 第4 章阐述喷气织机计算机控制系统评估板的硬件设计， 第5 章f p g a 模块的详细设计。 第6 章阐述基于u c o s 2 操作系统的织机主控制板软件设计。 第7 章记录喷气织机计算机主控制板评估板的硬件调试情况。 6 硕士学位论文基于a r m 7 的嵌入式系统在喷气织机控制技术中的应用 第二章喷气织机主控制板 2 1 主控制板在喷气织机计算机控制系统中的位置 喷气织机计算机控制系统总体结构如图2 - 1 所示。从图中可以 看出，喷气织机计算机控制系统是一个比较典型的d d c ( 直接数字 控制) ”1 系统。整个系统可分成四层：采集执行器层、输入输出通 道层、主控制机层和外围设备层。主控制板属于主控制机层，它就 像整个织机控制制系统中的指挥官，精确地协调各种机构和装置的 运行。与主控制机层相邻的是输入输出通道层。图中的按钮接近开 关板、信号放大板、故障信号采集板、纬纱探测板、光电编码器都 属于输入通道，起到信号采集、预处理、以及电气隔离保护的作用； 而伺服控制器、主电机控制回路、电磁离合控制板、投纬电磁阀控 制板都属于输出通道，起到功率输出、电力驱动以及电气隔离保护 的作用，两者都是喷气织机计算机控制系统不可或缺的组成部分。 另一个和主控制机层相邻的是外围设备层，由控制屏和通信接口组 成，主要起到设置工艺参数、控制织机运行、显示织机状态的作用。 图2 1 织机控制结构框图 外围设备 主控机 输入输出 通道 采集执行器 硕士学位论文基于a r m 7 的嵌入式系统在喷气织机控制技术中的应用 2 2 主控制板接口信号 z a 2 0 5 型喷气织机计算机控制主控制板的输入输出共有6 1 路主 要信号，以下介绍几个比较重要的接口信号： 1 曲轴转角编码器到主控制板 曲轴转角( 8 路输入信号) 织机曲轴角度代表织机处于何种机械工作状态，织机主控制板 根据这个信号判断织机所处的状态，发出相应的控制指令。曲轴转 角信号通过编码器采集，编码器的结构可分为接触式、光电式和电 磁式一，采用光电编码器的方法。光电编码器是一圆形码盘，在上 而刻有均匀的透光缝隙，通过遮光板的隔离和透过来发出信号，用 来分别指示不同的转角。z a 2 0 5 型喷气织机采用2 5 6 线绝对光电编 码器，分辨角度设计为2 。，即把3 6 0 。进行1 8 0 等分，信号格式为 二进制格雷码，格雷码的抗干扰能力较强。光电编码器的编码范围 从0 0 1 1 0 1 0 l ( 十进制为3 8 ) 到1 0 i i 0 1 0 i ( 十进制为2 1 7 ) ，分别与 0 。到3 5 8 。相对应。 2 主控制板到投纬电磁阀控制板 a ) 主喷嘴控制信号( 2 路输出信号) 主喷嘴他的作用是把纬纱从储纬器中引出，并完成前程引纬。主 喷嘴的选择与选纬信号有关，开启，关闭时间可以设定( 一般集中 在2 6 4 。到1 0 6 。之间) 。 b ) 辅助喷嘴控制信号( 1 2 路输出信号) 辅助喷嘴的作用是把主喷嘴引出的纬纱不断地引出，实现接力引纬。 开启，关闭时间可以设定( 一般集中在1 0 6 。到2 6 4 。之间) 。 c ) 停纬销信号( 2 路输出信号) 主控制板发送停纬销信号到f d p ( 储纬器) 系统，以使f d p 控 制纬纱退绕以及选纬工作。 8 硕士学位论文基于a r m 7 的嵌入式系统在喷气织机控制技术中的应用 d ) 剪切喷嘴控制信号( 2 路输出信号) 剪切喷嘴控制信号完成纬 纱的切割工作。 3 主控制板到主电机控制回路( 8 路输出信号) 主控制板到主电机控制回路中有6 路出信号，通过相互配合实 现主电机慢速反转、慢速正转、主电机绕组星型连接、主电机绕组 三角型连接以及正常运转之间的状态切换。另有2 路输出信号用于 主电机的强磁制动和弱磁制动。 4 另外还有：状态采集信号( 1 1 路输入信号) ，按钮信号( 1 0 路输入信号) ，告警灯信号( 4 路输出信号) 等详见附录i 。 2 3 主要技术要求 根据z a 2 0 5 型喷气织机的具体情况，对主控制板提出技术要求 如表2 - 3 ： 表2 - 3 主要功能： 主电机星形一三角形启动控制、慢速正转、慢速反转控制、制动 主电机控制功能 控制 电子送经控制功能 经纱恒张力控制、手动张紧、放松经纱控制 弓i 纬控制功能可控制2 个主喷嘴、1 2 个辅喷嘴电磁阀 检测伺服报警、纬停，经停、探纬时序故障、绞边故障报警、 自停检测功能 废丝停车、主电机过热、刹车片故障、变频器故障等 能通过按键控制主电机起动、织机运行、紧急停车、安全停车、 按键控制功能 织机慢进、织机慢退，送经电机张紧经纱、送经电机放松经纱、 主喷试喷、辅喷试喷。 其他功能： 能够通过r s 2 3 2 串行接口与织机控制屏通信，实现参数设定和 具有控制屏通信接口 状态显示( 详细参数见附录2 ) 。 性能指标： 车速 要求适应最高车速达1 0 0 0 转分钟 9 硕士学位论文基于a r m 7 的嵌入式系统在喷气织机控制技术中的应用 曲轴转角精度精度2 度 经纱张力控制的响应时间要求小于6 0 毫秒 故障信号响应时间 小于3 3 4 微秒 按键信号响应时间小于3 3 4 微秒 2 4 织机主控制板功能分析 z a 2 0 5 型喷气织机的计算机主控制板主要实现：主电机控制、 引纬控制、送经控制三个功能。因此，以下将主控制板划分成主电 机控制功能模块、引纬控制功能模块、送经控制功能模块进行分析。 喷气织机计算机主控制板的主要功能示意图如图2 4 所示，其中， 主电机控制模块控制作为织机动力来源的主电机的启动、停止、慢 速前进或慢速后退；引纬控制模块通过按时开关各种气阀继电器， 完成气流引纬的过程；送经控制模块则通过对送经司服电动机的闭 环控制，使经纱的张力保持恒定这三个模块即各自独立又相互关 联。 1 0 硕士学位论文基于a r m 7 的嵌入式系统在喷气织机控制技术中的应用 图2 - 4 喷气织机计算机控制系统主要功能 2 5 主电机控制 z a 2 0 5 型喷气织机的传动系统是由2 7 k w 的主电机通过皮带轮 带动织机运转，并且通过齿轮付传动其它机构( 凸轮开口机构、曲 柄式打纬机构、机械式卷曲机构) 。织机通过计算机主控制板控制 主电机的启动、织机的启动、停车制动、紧急制动、慢速正转以及 慢速反转。控制框图如图2 - 5 所示： 硕士学位论文基于a r m 7 的嵌入式系统在喷气织机控制技术中的应用 图2 5 主电机控制 当织机启动时，控制系统发出的织机启动信号输入到驱动电路， 使电磁联合器的线圈通电，电磁制动线圈断电，皮带轮上的转盘和 摩擦盘快速吸合，电机通过皮带轮带动织机运转；当织机制动时， 电磁制动线圈通电，电磁联合器线包断电，摩擦盘迅速与转盘脱离， 与固定不动的制动盘吸合，实施强迫制动。 2 5 1 主电机启动、织机开车，慢动 z a 2 0 5 型喷气织机的主电机具有超转矩起动的功能，为了避免 电机启动电流过大对电网和电机本身的危害，主电机采用星形一三 角形的减压启动方式 】。如图所示2 - 6 所示。当电机启动时，触点a 闭合，电机定子绕组呈星形连接，这样，启动时定子绕组电压与电 流都只有三角形连接时的1 ；h 1 ，由于三角形连接时绕组内电流是 线路电流的l 3 ，而星形连接时两者是相等的。因此，连接成星形 启动时的线路电流只有连接成三角形直接启动时的1 3 。延时一定 时间使电机转速接近稳定值( 具体的延时值通过控制屏进行参数设 定) ，触点a 断开而触点b 闭合，使定子绕组连接成三角形运行， 启动过程结束。 在主电机启动后织机才可以开车，开车是织机正常织造的开始 当织机接收到开车命令后，首先检查是否满足开车条件，这些条件 有： 1 ) 无停车信号； 2 ) 无慢进、慢退信号； 硕士学位论文基于a r m 7 的嵌入式系统在喷气织机控制技术中的应用 3 ) 纬纱正常； 4 ) 织机尚未开车； 5 ) 织机处于开车区； 6 ) 经纱张力在设定范围内； 7 ) 气阀压力正常； 图2 - 6 主电机回路 当满足上述条件后，联合器吸合，织机开车。织机在开车以后进入 周期性的运动。 有两类情况会使用到织机的慢动功能，第一种是当按下织机的 慢速正转或者慢速反转按钮时，织机进入慢动状态；第二种情况是 在织机出现断纬、断经或其它电气故障时，织机停止后，为了使织机 准确地停在某角度上( 一般经停3 0 0 。左右，纬停一般1 8 0 。左右) ， 织机会自动切换到慢动状态。 当织机进入慢动状态时，触点c 断开、触点d 闭合，电机使用 5h z 变频电源作为它的电源。5h z 变频电源( 或称5h z 变频器) 硕士学位论文基于a r m 7 的嵌入式系统在喷气织机控制技术中的应用 一种专用变频器，它是z a 2 0 5 型喷气织机的辅助电源。一般每台变 频器给5 0 台喷气织机提供变频电源。 各个触点的闭合或断开均由织机计算机系统通过对相应的继 电器的控制而实现。为了保证织机主电机的可靠运行，各继电器之 间具有互锁关系。各继电器线圈的连接关系图如图2 7 所示。 图2 7 主电机继电器线圈连接 2 5 2 停车控镧 织机在工作过程中，根据不同的操作指令和织机工作状况，结 合主轴转角位置，完成自动定位停车。织机控制系统会根据不同的 停车信号，采取不同的停车方式；停车方式不同，则曲轴转角的停 车位置也不同；而停车角可以预先在控制屏中设定。z a 2 0 5 型喷气 织机采用绝对式光电编码器来测量轴角位置。织机的停车信号有多 种，主要可分三类： i ) 紧急停车一一当织机遇到如失电等异常情况时，需要立即停 车，织机停在任意位置。 2 ) 安全停车一一如换班时的停车，要待织机进入停车区后才能 停车。 1 4 硕士学位论文基于a r m 7 的嵌入式系统在喷气织机控制技术中的应用 3 ) 故障停车一一因故障引起的停车，对于某些故障原因引起的 停车，停车区的角度要求比较精确。比如：经停，要求织机 停在综平附近，目的是可以方便地接经；纬停，要求停在织 口开满的角度。见表： 表2 - 4 停车方式 主轴转角位置 紧急停车任意 安全停车一般1 8 0 。左右 经停 一般3 0 0 。左右 纬停一般1 8 0 。左右 其他 任意 由于停车原因不同，停车控制方式也各不相同：紧急停车时，主电 机直接停车，同时关闭所有电源。安全停车或故障停车时，松开离 合器后，先进行高压制动使主电机减速，延时2 0 m s 后采用低压制动 维持，使主电机停转，最后使用慢动方式让织机停到特定的角度。 因为织轴惯性的原因，电机的制动需要一定的时间，为了能在预定 的角度停车，需要提前一定的角度发制动信号。 2 6 引纬控制 2 6 1 喷气引纬 喷气引纬是喷气织造的核心技术，现代喷气织机大多采用“主 喷嘴、辅助喷嘴、异形筘”的接力喷气引纬方式。主喷嘴与辅助喷 嘴的供气由电子或微机控制的电磁阀控制。整个喷气引纬系统由电 控部分、供气部分、引纬机械( 包括测长储纬、主喷嘴、辅助喷嘴、 张紧喷嘴) 三部分组成。整个系统的关系如图2 - 8 所示。 硕士学位论文基于a m 7 的嵌入式系统在喷气织机控制技术中的应用 卜压缩空气2 一电磁阀 4 - 主喷嘴5 - 辅助喷嘴 7 一纬纱筒子8 - 纬纱 1 0 储纬器控制箱 1 2 _ 异型钢筘 3 一织机控制系统 6 - 张紧喷嘴 9 _ 储纬器 1 卜纬纱剪刀 1 3 一经纱 图2 8 喷气引纬装置 喷气引纬的过程描述如下： 1 ) 压缩空气l 经调压、气压指示后输送至电磁阀2 ； 2 ) 在控制箱3 发出指令的作用下，电磁阀2 决定压缩空气何时 送至主喷嘴4 、辅助喷嘴5 和张紧喷嘴6 ；从纬纱筒子7 上 引出的纬纱8 先预绕在储纬器9 上： 3 ) 当需要引纬时，储纬器控制箱1 0 发出信号，打开储纬器的 停纬销( 挡纱磁针) 释放纬纱； 4 ) 与此同时，控制箱3 按设定的时间序列向主喷嘴电磁阀、辅 助喷嘴电磁阀发出信号，导通高压气流。这样储纬器9 释放 的纬纱，在主喷嘴喷射气流的作用下，被快速地引过织口， 并沿着异型钢筘1 2 的引纬凹槽的中心线高速飞行； 1 6 硕士学位论文基于a r m 7 的嵌入式系统在喷气织机控制技术中的应用 5 ) 压缩空气经主喷嘴喷射出来以后，由于气流严重扩散，导 致流速迅速下降，纬纱不能顺利飞出梭口，使织物幅宽受到 限制，因此异型钢筘凹槽的前下方安装有若干支辅助喷嘴5 ， 其间距为5 至8 c m ，3 到6 支辅助喷嘴为一组，依次从辅助 喷嘴所喷出的一股又一股接踵而来的辅助气流在整个管道 中汇聚成为一股密集连续的气流束，托浮着纬纱不间断地加 速向前推进，顺利飞出异型钢筘凹槽到达张紧喷嘴6 ； 6 ) 张紧喷嘴张紧新引入织口中的纬纱直至纬纱被织入织口； 7 ) 引纬结束后，异型钢筘1 2 将纬纱打向织口并与经纱1 3 交织： 8 ) 织好的纬纱在入纬侧布边及时地被纬纱剪刀1 l 剪断，以便 下次引纬； 9 ) 织造所需要的参数可通过控制屏输入织机控制系统3 。织机 运行状态随时显示在交互控制屏的显示器上。 2 6 2 喷气织机的引纬控制 z a 2 0 5 型喷气织机的引纬控制过程是通过计算机主控制板比较 织机曲轴转角与每一个电磁阀( 包括储纬器、停纬销、主喷嘴、辅 助喷嘴、纬纱剪刀) 的开闭角度设定值，并以此判断是否打开或者 关闭电磁阀。该喷气织机控制系统可以控制2 个主喷嘴电磁阀和1 2 个辅喷嘴电磁阀并且可以通过选择主喷嘴来实现选纬控制。各电磁 阀的开闭角度参数( 共3 6 个) 预先设定在计算机控制系统中。 表2 - 5 列出了z a 2 0 5 型喷气织机引纬参数的一组设定值“们实例。 表2 5 打开时间关闭时间 打开时间关闭时间 挡纱销i 2 1 0 6 度2 9 0 度辅喷61 1 4 度2 5 2 度 主喷l 2 1 0 6 度2 9 0 度辅喷71 1 8 度2 5 6 度 剪切喷1 2 1 1 0 度2 6 2 度辅喷81 1 8 度2 5 6 度 辅喷i i i o 度2 4 8 度辅喷9 1 1 8 度2 5 6 度 辅喷2i i o 度 2 4 8 度辅喷i o1 2 2 度2 6 0 度 辅喷3i i o 度2 4 8 度 辅喷l i1 2 2 度2 6 0 度 硕士学位论文基于a m 7 的嵌入式系统在喷气织机控制技术中的应用 i 辅喷41 1 4 度2 5 2 度 辅喷1 21 2 2 度2 6 0 度 l 辅喷51 1 4 度2 5 2 度 2 7 送经控制 2 7 1 卷取机构及电子送经机构 在织造过程中，织机为保证织造生产的连续进行，就必须要不 断地送出经纱与纬纱交织而形成织物：织物形成后，必须不断地将这 些织物引离织口并卷在布辊上。以上完成经纱放出和织物卷取的机 构分别称为送经机构和卷取机构n ”。 z a 2 0 5 型喷气织机的卷取机构采用机械卷取方式，通过调节齿 轮箱中的纬密变换轮的齿数达到调整织物的纬密，送经装置采用伺 服控制电子送经装置。z a 2 0 5 型喷气织机的送经卷取机构如图2 - 9 所示。送经机构和卷取机构的主要任务是：织机在每个运转周期内 按照预先设定的纬密值“”，将己成形的织物引离织口相应的距离( 即 卷取量) ，同时从织轴送出一定长度的经纱( 即送经量) 来进行补偿， 并保持织造过程中经纱张力在允许范围内变化。相应地，对送经电 机控制的要求是，在织机的一个运转周期内，转动一定的角度。由 于织机的主轴电机通常为普通交流电机，织机机构之间的能量转换， 会使主轴的转速星现周期性的变化，即主轴在一转过程中，其转速 是不恒定的( 通常用主轴回转不匀率表示织机主轴转速变化的程 度) 。为了确保送经、卷取运动平稳，控制器需要获得织机主轴的瞬 时速度信息，利用光电编码器获取织机主轴的位置信号，再对其进 行微分运算得到速度信号送给驱动器，为送经电机进行速度控制提 供同步信号。同时，电子送经装置还需负责对各种扰动造成的经纱 张力波动进行检测，并换算成送经量的补偿值，该补偿值与参考送 经量进行叠加后，送给位置随动控制器作为参考信号。经纱张力的 变化受到多个高频信号的干扰“”，其中一部分干扰是由后梁系统进 行补偿。织机在织造过程中要完成开清梭口和打紧纬纱会使经纱张 力发生变化，电子送经装置只对经纱张力变化的低频分量进行补偿。 硕士学位论文基于咖7 的嵌入式系统在喷气织机控制技术中的应用 图2 9 电子送经装置 2 7 2 送经电机控制 送经电机的控制框图如图2 3 0 所示送经控制系统将传感器检 测到的张力信号经a i d 装换成数字信号( 曲轴每转4 0 。检测一次张 力，一次引纬周期检测九次张力信号) 1 ，计算在一个引纬周期内 的张力平均值，与设定的张力进行叠加并采用p i 算法算出速度指令 补偿值，与织机主轴的同步速度叠加后信号经p v u 调制后( 或者d a 转换后) 送到司服控制器，以此控制送经电机的转速。 图2 3 0 送经电机控制 当织机处在非运行状态时，可以通过直接控制送经电机的正反转来 达到拉紧或者放松经纱的目的。 1 9 硕士学位论文基于a r m 7 的嵌入式系统在喷气织机控制技术中的应用 第三章织机主控制板设计方案 3 1 原设计方案比较 z a 2 0 5 型喷气织机属于9 0 年代的织机产品，原来的主控板设计 方案实际上是由纬纱投入控制予板，主电机控制子板，送经电机控 制子板构成的，当时的设计主要使用多片8 位单片机作为控制子板 的并行处理单元以及使用中小规模的g a l 门阵列进行1 0 口的扩展， 各控制子板之间通过总线方式进行通信及同步( 实际上，现在大部 分国产织机主控制板仍沿用这种设计方案) 。 原设计方案的优点在于：主控制板按照功能划分为三个子板，结构 明晰，便于设计分工和后期维护；而且降低了设计对处理器性能的 要求，降低了产品成本。但是它的缺点也比较明显：由于使用了多 个处理单元，使整个设计结构变得非常复杂，从而增加了设计的难 度；同时，过多的子板也增加了系统出现故障的可能性。从单个处 理器的角度看，多处理单元并行处理虽然降低了设计对处理器性能 的要求，但是从整体的角度看，多处理单元在增加处理能力的同时， 也带来了相互间的同步和通信任务的额外开销。 随着近年来3 2 位a r m 处理器的发展与成熟，并且成本不断的 下降，已经接近了8 位单片机的水平。因此，本文提出了以飞利浦 电子公司的3 2 位a r m 微控制器( g c u ) ”5 1 l p c 2 1 3 6 为主处理器，以 f p g a 芯片e p l c 3 为协处理器的z a 2 0 5 型喷气织机新主控板设计方案。 与原设计方案相比，它具有结构简单，集成度高，可扩展性强的优 点。 3 2 处理器选型 在本课题中。选用飞利浦电子公司的a r m1 4 c ul p c 2 1 3 6 “”， l p c 2 1 3 6 配备了2 5 6 k 字节的1 2 8 位闪存，一次就可以读取4 个 3 2 位字符，从而使得c p u 可以在无等待状态的情况下，以6 0 m l l z ( 5 4 m i p s ) 的功率工作。另外，l p c 2 l3 6 是基于支持实时仿真和跟踪 硕士学位论文基于a r m 7 的嵌入式系统在喷气织机控制技术中的应用 的1 6 3 2 位a r m 7 t d m i s 核c p u ，内置了宽范围的串行通信接口和 3 2 k b 的片内s r a m ，多个3 2 位定时器、1 个1 0 位8 路的a d c ，1 0 位 d a c 、p w m 通道、4 7 个g p l 0 以及多达9 个边沿或电平触发的外部中 断，特别适用于工业控制应用。它具有以下主要特性： 1 ) 1 6 3 2 位a r m t t d m i s 核，超小l q f p 6 4 封装。 2 ) 1 6 k b 的片内静态r a m 和6 4 k b 的片内f l a s h 程序存储器。1 2 8 位 宽度接口加速器可实现高达6 0m h z ( 5 4 m i p s ) 工作频率。 3 ) 通过片内b o o t 装载程序实现在系统编程在应用编程 ( i s p i a p ) 。单扇区或整片擦除时间为4 0 0 m s ，2 5 6 字节行编程 时间为1 m s 。 4 ) e m b e d d e d i c er t 和嵌入式跟踪接口通过片内r e a l g o n i t o r 软 件对代码进行实时调试和高速跟踪。 5 ) 1 个( l p c 2 1 3 1 2 1 3 2 ) 8 路1 0 位的a d 转换器，共提供1 6 路 模拟输入，每个通道的转换时间低至2 4 4 u s 。 6 ) 1 个1 0 位的d a 转换器，可产生不同的模拟输出。 7 ) 2 个3 2 位定时器计数器( 带4 路捕获和4 路比较通道) 、p w m 单元( 6 路输出) 和看门狗。 8