顏瑛晟，胡旭東，彭來(lái)湖

(浙江理工大學(xué) 機(jī)械與自動(dòng)控制學(xué)院，浙江 杭州 310018)

0 引言

人造毛皮機(jī)是一種特殊的紡織機(jī)械，由毛條喂入系統(tǒng)、紗線喂入和編織系統(tǒng)兩部分組成［1］。兩者在控制系統(tǒng)的作用下，將毛條編入織物正面，生成廣泛應(yīng)用于玩具服裝面料、毛毯及家用裝飾品的人造毛皮。國(guó)外人造提花毛皮機(jī)的傳統(tǒng)控制技術(shù)已趨于成熟，但存在價(jià)格昂貴、維護(hù)困難等問(wèn)題［2］。國(guó)產(chǎn)毛皮機(jī)控制系統(tǒng)大部分采用集中式控制方式，導(dǎo)致系統(tǒng)結(jié)構(gòu)龐大，移植性和兼容性不好，不利于設(shè)備的更新與擴(kuò)展。

單一總線會(huì)隨著總線上生產(chǎn)設(shè)備增多而使數(shù)據(jù)傳輸?shù)难訒r(shí)增加，多總線結(jié)構(gòu)能使得各個(gè)模塊間的通訊數(shù)據(jù)進(jìn)行高效傳輸，簡(jiǎn)化了系統(tǒng)結(jié)構(gòu)且能便捷地增加設(shè)備數(shù)量，使得系統(tǒng)的擴(kuò)展性和更新性良好，并實(shí)現(xiàn)了高速精確的控制編織。

本研究采用多總線結(jié)構(gòu)和嵌入式控制系統(tǒng)模塊化設(shè)計(jì)方法，研發(fā)具有海量花型數(shù)據(jù)傳輸和通訊實(shí)時(shí)可靠性能的提花毛皮機(jī)控制系統(tǒng)。

1 毛皮機(jī)工作原理及控制要求

提花毛皮機(jī)主要由針筒電機(jī)、喂紗編織部、18 路梳理頭喂毛機(jī)構(gòu)、傳動(dòng)箱部件、卷布架、給毛監(jiān)控輪、故障檢測(cè)裝置、編織機(jī)構(gòu)和提花毛皮機(jī)控制系統(tǒng)組成，提花毛皮機(jī)機(jī)構(gòu)示意圖如圖1 所示。

圖1 提花毛皮機(jī)機(jī)構(gòu)示意圖

在整個(gè)編織過(guò)程中，首先由針筒電機(jī)來(lái)驅(qū)動(dòng)針筒轉(zhuǎn)動(dòng)，從而使編織機(jī)構(gòu)和傳動(dòng)箱部件運(yùn)轉(zhuǎn)起來(lái)。梳理頭喂毛機(jī)構(gòu)主要由喂毛輪、錫林和道夫組成，通過(guò)步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)來(lái)完成毛條的梳理和拉伸。提花編織開(kāi)始，步進(jìn)電機(jī)與針筒轉(zhuǎn)速相同步，按照花型圖案將毛條送入梳理頭喂毛機(jī)構(gòu);選針機(jī)構(gòu)按照花型參數(shù)要求來(lái)確定是否出針勾取對(duì)應(yīng)的毛條。紗線在喂紗編織部進(jìn)行編織底布，毛條通過(guò)給毛監(jiān)控輪由梳理頭喂毛機(jī)構(gòu)喂入底布編織成毛皮，然后由卷布架送入盛布桶。毛皮機(jī)運(yùn)行時(shí)，給毛監(jiān)控輪和故障檢測(cè)裝置對(duì)系統(tǒng)的狀態(tài)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控，在發(fā)現(xiàn)故障的情況下可以立即停機(jī)保證編織安全。

2 控制系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

提花毛皮機(jī)控制系統(tǒng)采用模塊化設(shè)計(jì)方法，將系統(tǒng)分為人機(jī)交互管理層、實(shí)時(shí)主控層和機(jī)構(gòu)執(zhí)行層。為了確保整個(gè)系統(tǒng)各個(gè)層次之間的通訊數(shù)據(jù)的快速可靠性，本研究采用多總線的控制方式。

多總線結(jié)構(gòu)提花控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖如圖2 所示。

人機(jī)交互管理層主要功能是顯示提花毛皮機(jī)控制系統(tǒng)的狀態(tài)信息及解析花型文件，通過(guò)文件解析得到對(duì)應(yīng)的梳理頭喂毛信息和選針器選針信息。為了將解析后的大量信息數(shù)據(jù)快速地從人機(jī)交互管理層傳送到實(shí)時(shí)主控層，本研究使用GPMC 總線來(lái)滿足數(shù)據(jù)傳輸?shù)膶?shí)時(shí)性。

圖2 多總線結(jié)構(gòu)提花控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖

實(shí)時(shí)主控層是本控制系統(tǒng)的核心部分，不僅需要將選針信息和喂毛信息傳輸給對(duì)應(yīng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)的控制模塊，還要接收傳感器信號(hào)檢測(cè)模塊發(fā)送各種故障報(bào)警信息。為了執(zhí)行穩(wěn)定準(zhǔn)確的選針動(dòng)作，本研究利用FPGA 具有的強(qiáng)大的時(shí)序控制能力，采用并行總線方式實(shí)現(xiàn)高速的選針數(shù)據(jù)信號(hào)的穩(wěn)定輸出。為了對(duì)多路數(shù)的梳理頭喂毛動(dòng)作進(jìn)行控制，本研究采用CAN 總線來(lái)滿足喂毛數(shù)據(jù)的分布式要求。當(dāng)毛皮機(jī)出現(xiàn)故障需要及時(shí)地將報(bào)警信號(hào)傳輸給實(shí)時(shí)主控層，并發(fā)出停機(jī)命令保障工作安全，因此本研究采用高速的RS485 總線將信號(hào)準(zhǔn)確快速地進(jìn)行傳輸。利用不同的總線處理不同的通訊任務(wù)，系統(tǒng)能夠控制多個(gè)模塊進(jìn)行同步工作，滿足實(shí)時(shí)多任務(wù)的工作需求來(lái)實(shí)現(xiàn)資源的充分利用。此外，系統(tǒng)還需控制針筒電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)、接收編碼器信號(hào)和零位信號(hào)。

機(jī)構(gòu)執(zhí)行層包括18 路梳理頭步進(jìn)電機(jī)、18 路選針器及各類傳感器信號(hào)檢測(cè)。喂毛控制模塊共有5個(gè)，每個(gè)模塊可驅(qū)動(dòng)4個(gè)步進(jìn)電機(jī)，其中一個(gè)喂毛控制模塊僅控制2個(gè)步進(jìn)電機(jī)，實(shí)現(xiàn)18 路梳理頭步進(jìn)電機(jī)控制;選針控制模塊共有5個(gè)，每個(gè)模塊可驅(qū)動(dòng)4個(gè)選針器。各個(gè)模塊都有獨(dú)立的MCU 控制，可以極易擴(kuò)展和維護(hù)，并提高了實(shí)時(shí)性。

3 控制系統(tǒng)核心硬件電路設(shè)計(jì)

3.1 針信號(hào)檢測(cè)電路

根據(jù)當(dāng)前的針位信息，毛皮機(jī)的提花機(jī)構(gòu)進(jìn)行相應(yīng)的動(dòng)作。其針信號(hào)包括在旋轉(zhuǎn)編碼器信號(hào)基礎(chǔ)上產(chǎn)生出零位信號(hào)和針同步信號(hào)，整個(gè)系統(tǒng)在針信號(hào)電路輸出時(shí)序信號(hào)的作用下運(yùn)轉(zhuǎn)。

編碼器輸出變化的信號(hào)脈沖分為兩相，分別從QEPA_IN和QEPB_IN 輸入，經(jīng)過(guò)高速光耦TLP113 到實(shí)時(shí)主控層芯片STM32F205，二極管起保護(hù)作用防止光耦因反向電壓過(guò)高而被擊穿，其針信號(hào)檢測(cè)電路如圖3 所示。

圖3 針信號(hào)檢測(cè)電路

3.2 針筒電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路

變頻器通過(guò)采用電壓控制的方式進(jìn)行驅(qū)動(dòng)，從而帶動(dòng)變頻電機(jī)傳動(dòng)至針筒。系統(tǒng)根據(jù)對(duì)變頻器輸入不同的模擬電壓來(lái)控制變頻電機(jī)的轉(zhuǎn)速，從而實(shí)現(xiàn)編織速度的調(diào)節(jié)。變頻器驅(qū)動(dòng)主要由使能信號(hào)和速度信號(hào)控制。為了保證使能信號(hào)的可靠性，本研究使用光耦TLP185 進(jìn)行信號(hào)控制，前端信號(hào)電壓為3.3 V，后端電壓為12 V，并且有MOS 管和二極管作為電壓保護(hù)以保障信號(hào)的正確傳輸。STM32F205 輸出特定占空比的PWM 波，經(jīng)光耦隔離和二階濾波后，使得后面LM358構(gòu)成的跟隨電路中的運(yùn)放正向輸入端輸入與占空比成正比例的穩(wěn)定模擬電壓，實(shí)現(xiàn)速度信號(hào)的控制。

3.3 選針驅(qū)動(dòng)電路

選針器選用200 V 的WAC 型壓電陶瓷選針器來(lái)控制毛條的勾取與否。本研究采用并行總線的驅(qū)動(dòng)方式，選針器驅(qū)動(dòng)電路接收從實(shí)時(shí)主控層的FPGA 傳送來(lái)的8個(gè)并行信號(hào)和1個(gè)時(shí)鐘信號(hào)。該電路選用CME-M1 FPGA 作為選針器控制核心，用雙光耦并聯(lián)的方式切換200 V和200 V GND 兩個(gè)電壓來(lái)實(shí)現(xiàn)壓電陶瓷片的打上打下?tīng)顟B(tài)［3］。本研究選用驅(qū)動(dòng)電壓最大值為300 V 的光耦LTV-352T 來(lái)滿足壓電陶瓷片驅(qū)動(dòng)要求與選針器動(dòng)作頻率，光耦前端電阻要滿足3.3 V時(shí)最低的通斷電流以減低功耗，輸出端電阻需保證滿足壓電陶瓷片正常工作狀態(tài)。

3.4 梳理頭電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路

梳理頭電機(jī)用來(lái)控制毛條的喂入和梳理。本研究選用兩相四線混合式步進(jìn)電機(jī)作為梳理頭電機(jī)，控制芯片為飛思卡爾的KE06，采用TB6600HG 作為步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)芯片。步進(jìn)電機(jī)控制信號(hào)(ENABLE、RESET、TQ、CLK、CW/CCW)通過(guò)光耦分別與TB6600HG 的對(duì)應(yīng)引腳相連接，實(shí)現(xiàn)數(shù)字電平3.3 V～5 V 的轉(zhuǎn)換，并對(duì)信號(hào)進(jìn)行隔離。根據(jù)TB6600HG 的數(shù)據(jù)手冊(cè)的計(jì)算公式，設(shè)置驅(qū)動(dòng)芯片的參考電壓為1.5 V，其驅(qū)動(dòng)電流為2.5 A，滿足梳理頭大電流步進(jìn)電機(jī)要求。通過(guò)焊接電阻的方式來(lái)確定8 細(xì)分的電機(jī)細(xì)分模式，其擁有自動(dòng)的混合衰減模式可以降低電路調(diào)試的復(fù)雜度。

3.5 總線接口電路

人機(jī)交互管理層的AM3354 處理器與實(shí)時(shí)主控層的FPGA 之間是以 GPMC 總線的方式連接，STM32F205 通過(guò)并行總線讀取FPGA 存儲(chǔ)數(shù)據(jù)，從而形成在一個(gè)SRAM 存儲(chǔ)器上具有兩套完全獨(dú)立的數(shù)據(jù)線、地址線和讀寫控制線的雙口RAM，并允許兩個(gè)獨(dú)立的系統(tǒng)對(duì)該存儲(chǔ)器進(jìn)行同時(shí)異步地訪問(wèn)［4］。

雙口RAM 的硬件連接方式如圖4 所示。

圖4 雙口RAM 硬件連接方式

GPMC 是AM3354 芯片上的一種總線，全稱為通用存儲(chǔ)控制器。它是一個(gè)16 位的外部存儲(chǔ)控制器，可以為NOR Flash、NAND Flash，pSRAM 等傳統(tǒng)存儲(chǔ)器件提供讀寫接口［5］。GPMC 采用地址和數(shù)據(jù)非復(fù)用的連接方式，GPMC_A［0..11］為地址線，雙口RAM 空間為4 KB 大小;GPMC_AD［0..7］為位寬8 Bit 的數(shù)據(jù)線;GPMC_CS3n 表示采用CS3n 片選線控制外部讀寫;GPMC_WEn 表示寫使能;GPMC_OEn_REn 表示讀使能。實(shí)時(shí)主控層中F_A［0..13］是14 位地址總線，F(xiàn)_D［0..7］是8 位數(shù)據(jù)總線，它們與片選信號(hào)F_NE1和F_NE2、寫信號(hào)F_NWE、讀信號(hào)F_NOE、等待信號(hào)F_NWAIT使得FPGA 與STM32F205 相連。

實(shí)時(shí)控制層與機(jī)構(gòu)執(zhí)行層的選針器采用并行總線的方式進(jìn)行通訊。實(shí)時(shí)控制層的FPGA 輸出8個(gè)并行總線信號(hào)AD0～AD7和1個(gè)時(shí)鐘信號(hào)ADCLK1 來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)選針器的驅(qū)動(dòng)控制。用LVXC3245 實(shí)現(xiàn)選針信號(hào)AD0～AD7 從3.3 V～5 V 的電壓轉(zhuǎn)換，74AHC1G14 采用電位觸發(fā)方式利用反相緩沖功能輸出穩(wěn)定選針時(shí)鐘信號(hào)SACLK1，并行總線接口電路如圖5 所示。

圖5 并行總線接口電路

實(shí)時(shí)控制層與機(jī)構(gòu)執(zhí)行層的梳理頭步進(jìn)電機(jī)采用CAN 總線進(jìn)行信息通訊。通過(guò)采用1 Mbps 的CAN 通訊波特率，可以滿足對(duì)喂毛數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)傳輸以完成編織［6］。筆者在設(shè)計(jì)中采用TJA1050 芯片作為CAN 收發(fā)器，高速光耦TLP113 可以提高信號(hào)的抗干擾能力并且減少信號(hào)在高速傳播時(shí)的波形失真，同時(shí)實(shí)現(xiàn)3.3 V～5 V 的電壓轉(zhuǎn)換。光耦前端的限流電阻為光耦提供合適的驅(qū)動(dòng)電流;輸出端電阻保證TLP113 中的光敏三極管導(dǎo)通時(shí)輸出低電平，截止時(shí)輸出高電平，符合CAN 總線要求。TJA1050 末端的CANH 與CANL管腳之間有120 Ω 的終端電阻，起阻抗匹配的作用。

CAN 總線接口電路如圖6 所示。

在編織過(guò)程中，需要對(duì)毛皮機(jī)的斷條、斷紗、壞針、缺油、破門等故障進(jìn)行檢測(cè)［7］。針對(duì)較多的傳感器信號(hào)檢測(cè)，本研究采用單板的方式將所有的傳感器檢測(cè)接口集中在一起，使用RS485 總線與實(shí)時(shí)主控板進(jìn)行報(bào)警通訊。實(shí)時(shí)主控層無(wú)需在每次動(dòng)作的循環(huán)中檢測(cè)各種故障，能更好地集中資源處理動(dòng)作信息，提高實(shí)時(shí)性。設(shè)計(jì)中筆者采用SP490E 芯片作為RS485 收發(fā)器，其數(shù)據(jù)傳輸速率可達(dá)到10 Mbps，可以實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)差分高速傳輸，提高RS485 抗干擾能力，保證通訊穩(wěn)定可靠。

圖6 CAN 總線接口電路

RS485 總線接口電路如圖7 所示。

圖7 RS485 總線接口電路

4 控制系統(tǒng)關(guān)鍵程序設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

4.1 選針控制程序

選針器選用8 刀頭WAC 型選針器，當(dāng)針同步脈沖到來(lái)時(shí)，STM32F205 從Flash 花型存儲(chǔ)器中取出這一針對(duì)應(yīng)的3 Byte 選針數(shù)據(jù)。3 Byte 的數(shù)據(jù)中前18位是有效位，從低到高依次存儲(chǔ)在字節(jié)內(nèi)，18 位數(shù)據(jù)分別控制18 路選針器。

1 184 針的提花毛皮機(jī)系統(tǒng)每轉(zhuǎn)一圈會(huì)產(chǎn)生1 184個(gè)針同步和一個(gè)零同步。選針數(shù)據(jù)在一圈中有1 184×3 Byte，存放在數(shù)組Cir 里。按照公式(1)的花型解析算法提取出每個(gè)選針器的執(zhí)行數(shù)據(jù):

通過(guò)公式(1)可以很容易地讀取第x個(gè)選針器在第n 圈的第y 針的數(shù)據(jù)，即其位置在Cirn數(shù)組中第Xy針的第(x/8+1)字節(jié)的第x%8 位。并行總線時(shí)序?yàn)?當(dāng)ADCLK1 從0～1 上升沿觸發(fā)時(shí)，AD0～AD7 輸出地址數(shù)據(jù);當(dāng)ADCLK1 從1～0 下降沿觸發(fā)時(shí)，AD0～AD7 輸出選針數(shù)據(jù)。

選針控制流程圖如圖8 所示。

4.2 喂毛控制程序

喂毛數(shù)據(jù)的提取方法與選針數(shù)據(jù)提取原理相同。提花前先要根據(jù)花型顏色數(shù)的多少將梳理頭和選針器分組，每組中的一個(gè)梳理頭負(fù)責(zé)一種顏色毛條的饋送，相應(yīng)的選針器則負(fù)責(zé)對(duì)該顏色鉤毛的控制［8-10］。

提花毛皮機(jī)的梳理頭結(jié)構(gòu)圖如圖9 所示，從圖9可以看出，毛條進(jìn)入喂毛輪后，經(jīng)過(guò)錫林梳理傳送到道夫處的鉤針處，由鉤針勾走。因此，從毛條喂入到鉤針勾取需要經(jīng)過(guò)一段時(shí)間，喂毛信號(hào)必須比選針信號(hào)提前發(fā)出才可以使鉤針處有毛可鉤。同時(shí)在不勾毛時(shí)，要求梳理頭停止喂毛，否則會(huì)由于鉤針未鉤毛而致使多余的毛條堆積在道夫上造成對(duì)后續(xù)編織的影響，甚至卡死道夫和錫林［11］。

梳理頭結(jié)構(gòu)圖如圖9 所示。

圖9 梳理頭結(jié)構(gòu)圖

從上面分析可知，梳理頭的喂毛數(shù)據(jù)既需要受到花型數(shù)據(jù)變化的控制，還需要以一定的提前量?jī)?yōu)先于選針數(shù)據(jù)，才能保證兩者得到一致的處理。喂毛提前量時(shí)間為:

式中:V1—錫林的線速度;V2—道夫的線速度;Labc，Lcde—如圖9 所示的弧長(zhǎng)。

用喂毛提前量時(shí)間除以單個(gè)針脈沖信號(hào)所用的時(shí)間，就可以得出需要提前喂毛的脈沖個(gè)數(shù)。經(jīng)實(shí)際的現(xiàn)場(chǎng)調(diào)試，一般喂毛數(shù)據(jù)比選針數(shù)據(jù)提前90～120個(gè)同步脈沖，一個(gè)針同步脈沖步進(jìn)電機(jī)可以根據(jù)需求設(shè)定為走2～4 步。

喂毛控制流程圖如圖10 所示。

圖10 喂毛控制流程圖

5 系統(tǒng)測(cè)試

筆者以某臺(tái)18 路毛皮機(jī)為機(jī)械本體，用本研究的提花控制系統(tǒng)進(jìn)行重復(fù)性的毛皮編織測(cè)試。72 h 內(nèi)，毛皮機(jī)在轉(zhuǎn)速為30 r/min 的情況下進(jìn)行編織毛皮。為了保證系統(tǒng)的可靠性和實(shí)時(shí)性，本研究對(duì)實(shí)時(shí)主控層發(fā)出的選針并行信號(hào)和梳理頭CAN 總線進(jìn)行測(cè)試。測(cè)試結(jié)果顯示，選針器的并行總線信號(hào)工作頻率為10 MHz，300 ms 內(nèi)選針器打上打下的邏輯控制輸出完全正確;梳理頭的CAN 總線數(shù)據(jù)傳輸一幀的時(shí)間為141 μs，與數(shù)據(jù)擴(kuò)展幀的傳輸延時(shí)時(shí)間公式的計(jì)算數(shù)據(jù)相符合［12-13］。兩個(gè)總線信號(hào)的傳輸速率能滿足毛皮機(jī)的選針器和梳理頭的實(shí)時(shí)控制需求。

結(jié)果表明，該系統(tǒng)發(fā)送和接收數(shù)據(jù)正常，編織毛皮與花型圖案一致，具有較好的實(shí)時(shí)性和擴(kuò)展性，可以實(shí)現(xiàn)高效率和高質(zhì)量的毛皮編織。

6 結(jié)束語(yǔ)

本研究研發(fā)的多總線結(jié)構(gòu)提花毛皮機(jī)控制系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了各個(gè)模塊間通訊數(shù)據(jù)的高速準(zhǔn)確傳輸，比單一總線為各類執(zhí)行機(jī)構(gòu)提供更多的通訊節(jié)點(diǎn)，減少了總線負(fù)載，提高了總線數(shù)據(jù)傳輸速率，同時(shí)提高了系統(tǒng)的實(shí)時(shí)性和抗干擾能力;通過(guò)不同的總線可以對(duì)發(fā)生故障的機(jī)構(gòu)進(jìn)行快速的判斷，同時(shí)使得對(duì)各個(gè)模塊的系統(tǒng)調(diào)試更加方便，利于系統(tǒng)的改造和擴(kuò)大。

運(yùn)行結(jié)果表明，該系統(tǒng)滿足提花毛皮機(jī)的準(zhǔn)確通訊和控制要求，運(yùn)行穩(wěn)定，可以十分便捷地對(duì)故障模塊進(jìn)行修理、維護(hù)和設(shè)備更新，通用性好，具有很好的市場(chǎng)應(yīng)用前景。

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