王振中，周其洪，沈 瓊

(東華大學(xué) 紡織裝備教育部工程研究中心,上海 201620)

嵌入式毛巾織機(jī)送經(jīng)卷取和起毛集成控制器的設(shè)計(jì)

王振中，周其洪，沈 瓊

(東華大學(xué) 紡織裝備教育部工程研究中心,上海 201620)

設(shè)計(jì)了基于ARM(advanced RISC machines)微控制器的送經(jīng)卷取和起毛集成控制器.采用μC/OS-Ⅲ嵌入式實(shí)時(shí)操作系統(tǒng),基于CANopen從站協(xié)議,控制器通過CAN總線和主控制系統(tǒng)進(jìn)行實(shí)時(shí)通信.開發(fā)了基于RBF(radial basis function)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)整定的PID(proportion integration differentiation)張力控制算法,完成了天經(jīng)軸、地經(jīng)軸、卷取輥和起毛凸輪4個(gè)伺服電機(jī)的實(shí)時(shí)同步控制.調(diào)試運(yùn)行結(jié)果表明,該送經(jīng)卷取和起毛集成控制器可解決當(dāng)前國內(nèi)毛巾織機(jī)存在的緯密和張力控制不均等問題,滿足了毛巾織機(jī)的高速化、數(shù)字化和智能化等發(fā)展要求.

毛巾織機(jī)； ARM(advanced RISC machines)； 送經(jīng)卷?。?起毛控制； μC/OS-Ⅲ

毛巾織機(jī)和普通織機(jī)不同,它多了一個(gè)天經(jīng)軸[1],在織造過程中形成兩種張力和緯密差異較大的組織,其送經(jīng)卷取控制和一般經(jīng)軸的送經(jīng)卷取控制有明顯區(qū)別.同時(shí)毛巾織物之所以有絢麗多彩的圖紋花案與其形成毛圈的起毛動(dòng)作是密不可分的[2].目前，國外高檔毛巾織機(jī)普遍采用電子送經(jīng)卷取和起毛,起毛高度和緯密可以自由設(shè)定和切換；國內(nèi)毛巾織機(jī)主要存在毛圈品種受限、緯密不均勻、張力切換不穩(wěn)定、容易出現(xiàn)反毛等問題,目前還沒有集送經(jīng)卷取和起毛一體的電子控制產(chǎn)品[3].為了適應(yīng)毛巾織機(jī)的高速化、數(shù)字化和智能化等要求,設(shè)計(jì)了基于ARM(advanced RISC machines)微控制器、嵌入式實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)μC/OS-Ⅲ的送經(jīng)卷取和起毛集成控制器.

1 系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)

毛巾織機(jī)的控制系統(tǒng)由主控制系統(tǒng)、送經(jīng)卷取和起毛控制系統(tǒng)構(gòu)成,整體結(jié)構(gòu)如圖1所示[4].送經(jīng)卷取和起毛控制系統(tǒng)主要實(shí)現(xiàn)的功能有：實(shí)時(shí)采集地經(jīng)軸和天經(jīng)軸的張力；實(shí)時(shí)檢測主軸編碼器的轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)角；實(shí)時(shí)與主控制系統(tǒng)通信；實(shí)時(shí)顯示送經(jīng)卷取和起毛過程中的工藝參數(shù)；精確控制天經(jīng)軸、地經(jīng)軸、卷取輥和起毛凸輪共4個(gè)伺服電機(jī)的動(dòng)作.

圖1 毛巾織機(jī)控制系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)Fig.1 The overall structure of control system of the towel loom

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

2.1 控制器芯片選型

本文采用以ARM Cortex-M3為核的意法半導(dǎo)體公司增強(qiáng)型32位大容量的STM32F103ZET6芯片,其最高工作頻率為72 MHz,具有112個(gè)快速I/O端口、3個(gè)12位的模數(shù)轉(zhuǎn)換器和11個(gè)定時(shí)器,其中高級(jí)定時(shí)器具有電機(jī)控制和增量編碼器輸入的通道[5]，能很好地滿足送經(jīng)卷取和起毛集成控制要求.控制器的硬件結(jié)構(gòu)如圖2所示，其中，靜態(tài)存儲(chǔ)器電路和掉電保護(hù)電路[6]是拓展的,作用分別為實(shí)時(shí)保存運(yùn)行工藝參數(shù)及系統(tǒng)代碼、為靜態(tài)存儲(chǔ)器提供備用電源,保證重要數(shù)據(jù)不丟失.

圖2 送經(jīng)卷取和起毛集成控制器硬件結(jié)構(gòu)Fig.2 The hardware structure of controller integrated let-off,take-up and fuzzing

2.2 控制器部分外圍電路

2.2.1 CAN通信電路

本文的CAN收發(fā)器選用高速PCA82C250芯片.為了隔離干擾,前置兩片6N137高速光耦合隔離芯片.CAN電路如圖3所示.

2.2.2 主軸編碼器電路

為了抗干擾,編碼器輸出的A、B和Z三相脈沖信號(hào)經(jīng)過光電隔離PS28014芯片,使用74HC14反相施密特觸發(fā)器,以保證輸出無抖動(dòng)的脈沖.編碼器電路如圖4所示.

2.2.3 經(jīng)紗張力采集電路

本文的經(jīng)紗張力測試裝置輸出電壓量程為10 V.A/D(模數(shù))轉(zhuǎn)換電路分兩部分,前半部分使用運(yùn)算放大器TL084，用其隔離張力傳感器固有的輸入阻抗；后半部分采用運(yùn)算放大器LM258實(shí)現(xiàn)測量值的轉(zhuǎn)換,以滿足控制器3.3 V輸入的要求.A/D轉(zhuǎn)換電路如圖5所示.

圖3 CAN通信電路Fig.3 The CAN communication circuit

圖4 編碼器電路Fig.4 The encoder circuit

圖5 A/D轉(zhuǎn)換電路Fig.5 The A/D converted circuit

3 軟件設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

3.1 操作系統(tǒng)介紹

為了提高系統(tǒng)實(shí)時(shí)響應(yīng)能力,本文采用Micriμm公司第三代μC/OS-Ⅲ嵌入式實(shí)時(shí)操作系統(tǒng),其體積較小、源代碼公開免費(fèi),是一種可裁剪、可固化和可剝奪型的多任務(wù)內(nèi)核，最大優(yōu)點(diǎn)是允許無限多個(gè)任務(wù)運(yùn)行于同一優(yōu)先級(jí)上和相同優(yōu)先級(jí)的任務(wù)按時(shí)間片輪轉(zhuǎn)調(diào)度[7].因此,該操作系統(tǒng)能滿足送經(jīng)卷取和起毛控制的多任務(wù)和高實(shí)時(shí)性要求.

3.2 內(nèi)核移植

本文移植內(nèi)核的版本為V 3.02,使用的固件庫版本為V 3.5,編譯軟件是RealView MDK 4.12,需要修改一些代碼[8].

3.2.1 配置處理器的固件庫文件

修改startup_stm32f10x_hd.s啟動(dòng)文件,將文件夾中出現(xiàn)的PendSV_Handler的地方全部替換成OS_CPU_PendSV_Handler.

修改stm32f10x_it.c中斷源文件,把原有的PendSV_Handler空函數(shù)注釋掉,編寫SysTick中斷服務(wù)函數(shù).

3.2.2 修改1個(gè)CPU文件

將CPU_A.ASM文件中的PUBLIC指令改為EXPORT.

3.2.3 修改3個(gè)內(nèi)核文件

OS_CPU.H頭文件聲明注釋掉OS_CPU_SysTickHandler()函數(shù)的聲明和OS_CPU_SysTickInit()函數(shù)的聲明,使用ST庫函數(shù)提供的SysTick中斷函數(shù).

OS_CPU_AAS.M將原來的PUBLIC指令改為EXPORT.

OS_CPU_C.C源文件中注釋掉函數(shù)OS_CPU_SysTickHandler()和時(shí)鐘初始化函數(shù)OS_CPU_SysTickInit().

3.2.4 創(chuàng)建板級(jí)支持包

編寫includes.h頭文件和板級(jí)支持包(BSP)相關(guān)文件,包括BSP_Init()、SysTick_Init()函數(shù)和BSP.h頭文件；創(chuàng)建任務(wù)包括編寫app.c、app.h和main文件.

3.3 任務(wù)劃分和實(shí)現(xiàn)

將系統(tǒng)劃分為12個(gè)任務(wù),如表1所示.

表1 任務(wù)劃分Table 1 Tasks partition

3.3.1 天經(jīng)軸和地經(jīng)軸電機(jī)控制

天經(jīng)軸和地經(jīng)軸經(jīng)紗張力是時(shí)變性、非線性和多擾動(dòng)的,本文采用基于RBF(radial basis function)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)整定的PID(proportion integration differentiation)控制算法,計(jì)算得到相應(yīng)的送經(jīng)補(bǔ)償量,向天經(jīng)經(jīng)軸和地經(jīng)經(jīng)軸伺服驅(qū)動(dòng)器發(fā)出相應(yīng)頻率和數(shù)量的脈沖來調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)速,置相應(yīng)端口高低電平控制伺服電機(jī)的轉(zhuǎn)向,以保證經(jīng)紗張力的動(dòng)態(tài)穩(wěn)定.

本文首先由main函數(shù)調(diào)用BSP.Init()函數(shù)進(jìn)行板級(jí)初始化,再調(diào)用系統(tǒng)函數(shù)OSIint()初始化μC/OS-Ⅲ系統(tǒng),最后調(diào)用函數(shù)OSTaskCreat().先創(chuàng)建初始任務(wù)Task_Start,在初始任務(wù)中創(chuàng)建其他11個(gè)任務(wù),系統(tǒng)函數(shù)OSStart()使系統(tǒng)開始任務(wù)管理.圖6為系統(tǒng)軟件任務(wù)執(zhí)行流程圖.

3.3.2 CAN通信

本文采用CANopen協(xié)議通信模型中的主從模型, 將主控制系統(tǒng)設(shè)定為主站,送經(jīng)卷取和起毛控制系統(tǒng)設(shè)定為從站.首先需將CANopen嵌入到μC/OS-Ⅲ系統(tǒng)中,主站向從站發(fā)送所需的工藝參數(shù),從站向主站反饋運(yùn)行狀態(tài).CAN通信任務(wù)流程如圖7所示.

3.3.3 起毛電機(jī)控制

起毛電機(jī)主要改變鋼筘的打緯動(dòng)程,電機(jī)根據(jù)毛高和主軸轉(zhuǎn)角的變化轉(zhuǎn)動(dòng)不同的角度.事先需規(guī)定電機(jī)的起始零度和轉(zhuǎn)向的正負(fù).圖8為起毛凸輪電機(jī)控制流程圖.

圖6 系統(tǒng)軟件任務(wù)執(zhí)行流程圖Fig.6 The flowchart of system software tasks execution

圖7 CAN通信流程圖Fig.7 The flowchart of CAN communication

圖8 起毛電機(jī)控制流程圖 Fig.8 The flowchart of fuzzing cam motor control

4 結(jié) 語

本文針對(duì)當(dāng)前毛巾織機(jī)送經(jīng)卷取和起毛存在的問題和發(fā)展趨勢,設(shè)計(jì)了基于ARM微控制器和嵌入式實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)μC/OS-Ⅲ的送經(jīng)卷取和起毛集成控制器.從硬件和軟件兩個(gè)方面詳細(xì)介紹了整個(gè)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方法,調(diào)試運(yùn)行的結(jié)果表明,該控制系統(tǒng)響應(yīng)速度快、控制精度高、實(shí)時(shí)性好,系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定可靠,具有很好的移植性和抗干擾性，能夠滿足高檔毛巾織機(jī)送經(jīng)卷取和起毛控制要求,具有廣闊的市場前景.

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Design of Embedded Controller Integrated Let-Off,Take-Up and Fuzzing of the Towel Loom

WANGZhen-zhong,ZHOUQi-hong,SHENQiong

(Engineering Research Center of Advanced Textile Machinery,Ministry of Education,Donghua University, Shanghai 201620, China)

A controller based on ARM (advanced RISC machines)integrated let-off, take-up and fuzzing was designed. Embedded real-time operating system μC/OS-Ⅲ was taken.On the μC/OS-Ⅲ platform,CAN bus based on CAN open slave protocol was applied in real-time communicating with the main control system. A tuning algorithm of PID(proportion integration differentiation) parameters based on RBF(radial basis function) neural network about tension control was developed, meanwhile the real-time synchronization control of four servo motors of upper warp beam, under warp beam, take-up roller and fuzzing cam was finished. The debugging operation results show the integrated controller can solve the issues such as uneven control of weft density and tension existed in the domestic towel loom, and meet the requirements of development of the towel loom such as high-speed, digitization and intelligence.

towel loom； ARM(advanced RISC machines)； let-off and take-up； fuzzing control； μC/OS-Ⅲ

16710444 (2016)060869-06

20150930

上海市自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(16ZR1401800)

王振中(1989—)，男，江西撫州人，碩士研究生，研究方向?yàn)榧徔棛C(jī)械機(jī)電一體化控制. E-mail: 804688170@qq.com 周其洪(聯(lián)系人)，男，副教授，E-mail: zhouqihong@dhu.edu.cn

TS 103.7

A