葉太強(qiáng)，何 勇，沈小其，梁藝熒

（東華大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院，上海201620）

劍桿織機(jī)屬于無(wú)梭織機(jī)[1]，具有功能完善、產(chǎn)品適應(yīng)范圍廣、織物質(zhì)量?jī)?yōu)量、生產(chǎn)率高等優(yōu)點(diǎn)，對(duì)紡織行業(yè)的發(fā)展有著舉足輕重的作用[2]。目前，意大利、德國(guó)、日本產(chǎn)劍桿織機(jī)處于領(lǐng)先地位，我國(guó)則主要生產(chǎn)并出口中低端劍桿織機(jī)，國(guó)產(chǎn)少部分高端機(jī)型在控制精確性、可靠性與穩(wěn)定性方面，與國(guó)外相比仍差距明顯[3]。因此，研發(fā)高性能的劍桿織機(jī)是國(guó)產(chǎn)劍桿織機(jī)行業(yè)研發(fā)的重點(diǎn)[4]。

控制系統(tǒng)是高性能劍桿織機(jī)的核心。通常情況下，用于工業(yè)控制的控制器有PLC、工控機(jī)和單片機(jī)[5]。PLC 和工控機(jī)可靠性高，屬于在單片機(jī)基礎(chǔ)上針對(duì)工業(yè)環(huán)境的二次開(kāi)發(fā)，成本較高；單片機(jī)控制系統(tǒng)，內(nèi)核小，專(zhuān)用性強(qiáng)，具備系統(tǒng)實(shí)時(shí)性高、開(kāi)發(fā)難度簡(jiǎn)單等優(yōu)點(diǎn)，因此在工業(yè)中得到廣泛使用[6-7]。此外，單片機(jī)嵌入式系統(tǒng)，可移植性好，可以根據(jù)具體工作需求修改，能高效解決生產(chǎn)中的問(wèn)題。

在此，設(shè)計(jì)了一種基于STM32F4 控制器的劍桿織機(jī)控制系統(tǒng)。該系統(tǒng)具有成本低、實(shí)時(shí)性好、抗干擾能力強(qiáng)、可靠性高的優(yōu)點(diǎn)，滿(mǎn)足600 r/min 轉(zhuǎn)速下穩(wěn)定生產(chǎn)的能力。

1 劍桿織機(jī)設(shè)計(jì)方案

劍桿織機(jī)利用開(kāi)口、引緯、打緯、送經(jīng)和卷曲運(yùn)動(dòng)[8]等五大運(yùn)動(dòng)來(lái)形成織物?？刂葡到y(tǒng)利用主軸角度協(xié)調(diào)五大運(yùn)動(dòng)，主軸旋轉(zhuǎn)1 周為1 個(gè)織造周期[9]。根據(jù)各自的運(yùn)動(dòng)角度，劍桿織機(jī)依次完成開(kāi)口、引緯、打緯運(yùn)動(dòng)，同時(shí)通過(guò)送經(jīng)和卷曲運(yùn)動(dòng)來(lái)保證織造動(dòng)作的連續(xù)性。

控制系統(tǒng)采用基于STM32F4 系列單片機(jī)的雙核架構(gòu)。CPU1 為系統(tǒng)控制核心，負(fù)責(zé)協(xié)調(diào)五大運(yùn)動(dòng)，布匹工藝參數(shù)傳輸，電子多臂控制，人機(jī)界面、經(jīng)紗張力控制，各類(lèi)異常錯(cuò)誤的處理，伺服電機(jī)控制，等。CPU2 為系統(tǒng)輔佐控制器，負(fù)責(zé)主軸角度的檢測(cè)、經(jīng)紗張力檢測(cè)、斷緯斷經(jīng)檢測(cè)、頻閃儀以及輔佐織造信號(hào)的控制。CPU1 與CPU2 通過(guò)雙口RAM進(jìn)行數(shù)據(jù)交換。系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方案如圖1 所示。

圖1 劍桿織機(jī)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案Fig.1 Design scheme of rapier loom control system

2 控制系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

依據(jù)織物織造原理和信號(hào)流向，結(jié)合模塊化思想，把整個(gè)劍桿織機(jī)控制系統(tǒng)分為五大子系統(tǒng)：主控子系統(tǒng)、輸入子系統(tǒng)、輸出子系統(tǒng)、電源子系統(tǒng)和制動(dòng)離合子系統(tǒng)。劍桿織機(jī)控制系統(tǒng)的硬件結(jié)構(gòu)如圖2 所示。各個(gè)子系統(tǒng)之間通過(guò)上下母板實(shí)現(xiàn)電氣連接，采用光電隔離實(shí)現(xiàn)可靠傳輸。

圖2 劍桿織機(jī)硬件結(jié)構(gòu)框圖Fig.2 Rapier loom hardware structure block diagram

1）主控子系統(tǒng) 控制系統(tǒng)核心，主要負(fù)責(zé)協(xié)調(diào)各個(gè)子系統(tǒng)之間的通訊，解析織造工藝數(shù)據(jù)，監(jiān)控運(yùn)行狀態(tài)，并于人機(jī)交互屏通訊等。硬件電路設(shè)計(jì)主要包括數(shù)據(jù)存儲(chǔ)模塊、電源模塊、顯示屏控制模塊、USB 接口、鍵盤(pán)接口電路、掉電復(fù)位模塊和RS232，RS485，CAN，工業(yè)以太網(wǎng)等通訊接口模塊、時(shí)鐘電路、電子送經(jīng)驅(qū)動(dòng)信號(hào)、電子卷取驅(qū)動(dòng)信號(hào)等。

2）輸入子系統(tǒng) 作為輔助控制器主要對(duì)各個(gè)輸入信號(hào)進(jìn)行采集分析。包括主軸角度信號(hào)模塊、斷經(jīng)檢測(cè)、斷緯檢測(cè)、經(jīng)紗張力檢測(cè)、探緯探經(jīng)檢測(cè)、頻閃儀以及一系列的輔助織造信號(hào)。得益于絕對(duì)式編碼器，織造過(guò)程中主軸角度能保持異常停車(chē)后的連續(xù)性，可以有效避免“開(kāi)車(chē)痕”。通過(guò)中斷的方式傳遞主軸信號(hào)，以減少CPU2 芯片資源占用，提高系統(tǒng)實(shí)時(shí)性。同時(shí)利用此中斷信號(hào)驅(qū)動(dòng)頻閃儀采集織機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)速度，提高織機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)的準(zhǔn)確性。

3）輸出子系統(tǒng) 根據(jù)主控子系統(tǒng)控制指令，在輸出子系統(tǒng)中完成指令的解讀，從而驅(qū)動(dòng)相應(yīng)的執(zhí)行機(jī)構(gòu)完成織造；包括狀態(tài)指示燈輸出、儲(chǔ)緯器控制輸出、電子多臂信號(hào)、選色信號(hào)、慢速電機(jī)驅(qū)動(dòng)以及一系列輔佐信號(hào)；并利用LM331 電壓頻率轉(zhuǎn)換模塊檢測(cè)輸出的制動(dòng)離合電壓大小，其原理如圖3所示。

圖3 電壓頻率轉(zhuǎn)換模塊檢測(cè)Fig.3 Voltage frequency conversion module detection

CEL為制動(dòng)離合反饋回來(lái)的電壓值，其范圍為0～15 V，途徑電壓頻率轉(zhuǎn)換模塊，根據(jù)

即可獲得與之對(duì)應(yīng)頻率的波形，將該波形輸入單片機(jī)捕獲比較器進(jìn)行計(jì)數(shù)，可以得到剎車(chē)力度值。

4）電源子系統(tǒng) 總輸入為380 V，50 Hz 交流電，根據(jù)每個(gè)子系統(tǒng)電源要求，電源子系統(tǒng)分配電源。在供電接口處，并聯(lián)與電壓匹配的瞬態(tài)抑制二極管與壓敏電阻，以降低浪涌沖擊的影響[10]。為提高電源子系統(tǒng)抗干擾能力，在各自子系統(tǒng)電路板上，于2個(gè)不同電源地平面邊界之間，每隔（30/Fmax）m 的距離（其中Fmax為電源地之間的最高頻率，MHz），利用0 Ω 電阻和0.01 μF 濾波電容相間排列，橋接2 個(gè)不同電源地[11-13]。

5）制動(dòng)離合子系統(tǒng) 主要為大電流、高電壓的電磁離合信號(hào)，包括倒車(chē)齒式離合驅(qū)動(dòng)、慢速離合驅(qū)動(dòng)、主電機(jī)離合驅(qū)動(dòng)等。

6）人機(jī)交互 采用威綸通公司的TK6071IQ 觸摸屏。其界面可以實(shí)時(shí)顯示織機(jī)織造角度與織造狀態(tài)、生產(chǎn)參數(shù)等信息。同時(shí)，支持手動(dòng)更改織造參數(shù)菜單，支持按鍵點(diǎn)動(dòng)開(kāi)車(chē)、異常故障報(bào)警和雙鍵急停等功能。人機(jī)交互主界面如圖4 所示。

圖4 人機(jī)交互主界面Fig.4 Human-computer interaction main interface

3 控制系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)

劍桿織機(jī)控制系統(tǒng)的主要任務(wù)是實(shí)現(xiàn)子系統(tǒng)的管理和織造運(yùn)動(dòng)的時(shí)序，在此采用FreeRTOS 實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)，并設(shè)計(jì)了系統(tǒng)任務(wù)模塊、通訊任務(wù)模塊和定時(shí)器服務(wù)中斷任務(wù)模塊等3 個(gè)主要任務(wù)模塊。其中，定時(shí)服務(wù)中斷任務(wù)模塊是織機(jī)生產(chǎn)的基礎(chǔ)，用于實(shí)現(xiàn)快速織造、慢速定位停車(chē)、斷緯處理、斷經(jīng)處理和異常報(bào)警處理這五大織造狀態(tài)的切換。系統(tǒng)利用定時(shí)器中斷，每隔5 ms 產(chǎn)生1 次中斷，并根據(jù)織造情況更新?tīng)顟B(tài)標(biāo)志變量RUN 的值，通過(guò)檢測(cè)到的RUN 值實(shí)現(xiàn)任務(wù)散轉(zhuǎn)。在各自的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)下，操作系統(tǒng)調(diào)度相應(yīng)的織造任務(wù)入口函數(shù)，同時(shí)向人機(jī)交互屏顯示織造參數(shù)。系統(tǒng)織造狀態(tài)切換示意如圖5 所示。

其中，快速織造為劍桿織機(jī)核心生產(chǎn)狀態(tài)，控制系統(tǒng)根據(jù)不同的織造材料，調(diào)用不同的主軸角度中斷鏈表，協(xié)調(diào)各個(gè)運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)的動(dòng)作?？焖倏椩鞝顟B(tài)下的織機(jī)系統(tǒng)織造流程如圖6 所示。

圖5 系統(tǒng)織造狀態(tài)切換Fig.5 System weaving state switching

圖6 劍桿織機(jī)系統(tǒng)初始化流程Fig.6 Rapier loom system initialization flow chart

在快速織造狀態(tài)下系統(tǒng)首先進(jìn)行變量的初始化，接著根據(jù)布料的織造要求設(shè)置相關(guān)參數(shù)，再讀入輸入子系統(tǒng)相關(guān)信號(hào)，經(jīng)解析之后，判斷各類(lèi)參數(shù)是否異常。若異常，置相關(guān)標(biāo)志位，并調(diào)用相應(yīng)的異常處理模塊。在配置好各類(lèi)織造參數(shù)的基礎(chǔ)上，調(diào)用快速織造主軸角度表，并驅(qū)動(dòng)相應(yīng)電機(jī)，同時(shí)向屏幕顯示織機(jī)狀態(tài)，控制相應(yīng)指示燈，如此循環(huán)反復(fù)保證連續(xù)織造。

4 測(cè)試與分析

主控系統(tǒng)開(kāi)發(fā)環(huán)境為KEIL5 MDK，基于C 語(yǔ)言開(kāi)發(fā)的系統(tǒng)?？刂葡到y(tǒng)硬件測(cè)試平臺(tái)如圖7 所示。

圖7 主控系統(tǒng)硬件測(cè)試平臺(tái)Fig.7 Main control system hardware test platform

4.1 系統(tǒng)通訊測(cè)試

利用人機(jī)交互屏和串口打印測(cè)試結(jié)果。經(jīng)測(cè)試，RS232 通訊正常；RS485 與人機(jī)交互屏幕正常通訊；U 盤(pán)能良好讀寫(xiě)FAT32 文件； 利用控制器的CAN1 通道，在環(huán)回模式下也能實(shí)現(xiàn)自收自發(fā)，說(shuō)明CAN 設(shè)計(jì)良好。在以太網(wǎng)調(diào)試中，用網(wǎng)線(xiàn)將主控系統(tǒng)的RJ45 接口與PC 網(wǎng)口相連，設(shè)置好本地協(xié)議屬性后，用Windows 操作系統(tǒng)的ping 命令監(jiān)控以太網(wǎng)通訊，結(jié)果如圖8 所示。

圖8 工業(yè)以太網(wǎng)驗(yàn)證輸出Fig.8 Industrial Ethernet verification output

通過(guò)圖8（a）串口窗口中可以獲得網(wǎng)口相關(guān)信息，包括網(wǎng)口IP，MAC，子關(guān)掩碼及網(wǎng)關(guān)等；在圖8（b）ping 命令窗口中，網(wǎng)口通訊數(shù)據(jù)包發(fā)送量等于接收量，以及零丟失的情況。由此證明系統(tǒng)通訊功能良好。

4.2 系統(tǒng)測(cè)量精度測(cè)試

往輸出子系統(tǒng)電壓頻率轉(zhuǎn)換模塊輸入端分別輸入1 V 和2 V 電壓，通過(guò)示波器來(lái)檢測(cè)轉(zhuǎn)換精度。示波器采集模塊輸出端波形如圖9 所示。

圖9 剎車(chē)力度采集模塊輸出波形Fig.9 Brake force acquisition module output waveform

由圖9（a）可得，電壓輸入端為1 V 時(shí)，頻率為4.803 kHz，而理論頻率為4.78 kHz，誤差約為0.5%；由圖9（b）可得，輸入端電壓為2 V 時(shí)，信號(hào)頻率為9.366 kHz，理論頻率為9.56 kHz，誤差約為2.0%。由此證明系統(tǒng)能準(zhǔn)確采集剎車(chē)力度值。

4.3 抗干擾測(cè)試

通過(guò)往主控子系統(tǒng)板外接雜波較大的電源模塊以測(cè)試其抗干擾能力。具體測(cè)試結(jié)果如圖10所示。

圖10 外置電源與主控子系統(tǒng)電源波形Fig.10 External power supply and power waveform of main control subsystem

由圖10（a）得到的外部電源波形雜亂、頻率無(wú)章；經(jīng)過(guò)處理之后的結(jié)果如圖10（b）所示，即外部干擾信號(hào)得到了很明顯的過(guò)濾與凈化。同時(shí)，電磁干擾頻率約為6.406 MHz，符合德國(guó)規(guī)定的IEC BS 800 標(biāo)準(zhǔn)——電源頻率范圍為10 kHz～30 MHz[14]，證明抗干擾設(shè)計(jì)良好。

5 結(jié)語(yǔ)

劍桿織機(jī)作為關(guān)鍵紡織設(shè)備之一，擁有自主研發(fā)而高端劍桿織機(jī)，對(duì)我國(guó)成為紡織業(yè)強(qiáng)國(guó)有著重要意義。設(shè)計(jì)了一種基于雙核STM32F4 系列單片機(jī)嵌入式劍桿織機(jī)控制系統(tǒng)。該系統(tǒng)具有成本低、實(shí)時(shí)性好、移植性好，可靠性強(qiáng)等特點(diǎn)。通過(guò)利用模塊化設(shè)計(jì)思想，劃分硬件控制系統(tǒng)，更易于系統(tǒng)功能的擴(kuò)展和配置。軟件上采用FreeRTOS 嵌入式實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)，在確定系統(tǒng)實(shí)時(shí)性的同時(shí)，增強(qiáng)了系統(tǒng)工作效率。經(jīng)測(cè)試，該系統(tǒng)在織機(jī)為600 r/min 轉(zhuǎn)速下運(yùn)行穩(wěn)定，對(duì)國(guó)產(chǎn)劍桿織機(jī)的高性能與可靠性的提升具有指導(dǎo)意義。