孫博文

（西安工程大學電子信息學院，西安710600）

1 引 言

步進電機在現(xiàn)代控制系統(tǒng)中作為常見的開環(huán)電機，在紡織企業(yè)中通常充當紡紗機的執(zhí)行元件。由于傳統(tǒng)紡紗機往往無法同時控制一條錠子上的所有電機，導致紡紗時易出現(xiàn)斷線、粗細不均等問題，影響生產(chǎn)效率。如何設計一套能夠自動控制多個電機同步運行的紡紗機，當前已受到國內眾多行業(yè)專家的關注。文獻[1]以我國生產(chǎn)的CFY 型花式紗線機為例，提出了紡紗智能化的未來需求；文獻[2]系統(tǒng)分析了花式紡紗機的工作過程，初步闡明了花式紗線機生產(chǎn)復雜紗線的原理；文獻[3]提出了一套新式花式紡紗機的控制系統(tǒng)設想，首次將FPGA 作為控制芯片以實現(xiàn)多個電機的控制，其優(yōu)點在于FPGA 內部資源適于配置控制邏輯；文獻[4]在上述基礎上研發(fā)出基于CAN 總線的紡紗機控制系統(tǒng)；文獻[5]對兩相電機進行了研究并提出了通過修改脈沖頻率和電平控制電機速度和方向的方法；文獻[6]設計了以單片機和FPGA 為控制模塊的步進電機控制系統(tǒng)，實現(xiàn)了8 臺電機的同步控制，但速度調節(jié)的過程耗時較長；文獻[7]提出了使用一種S 型曲線控制電機速度并進行了仿真；文獻[8]進一步優(yōu)化了S型曲線以STM32 作為電機控制核心，縮短了電機到達所需頻率的時間并提高了仿真波形和實際速度變化波形的擬合度；文獻[9]提出了以ARM 和FPGA為核心的多通道步進電機同步控制方案，具有較高的響應速度和穩(wěn)定性。

上述文獻中提出的電機控制方法因為成本較高，且沒有清晰明顯的人機交互界面，電機檔位切換消耗時間較長等原因，無法滿足紡紗企業(yè)的實際需求。故在此提出一種新式系統(tǒng)，僅使用FPGA 作為主控模塊，能夠控制多個電機的速度和方向等參數(shù)；采用S 曲線算法控制電機加減速過程，具有調節(jié)速度快、速度偏差值低、電機不失步的優(yōu)點。本系統(tǒng)使用Verilog 語言編寫相關程序，功能性仿真后將其燒寫入硬件進行板級驗證。若結果不合要求則可直接修改程序而不必更改硬件電路，大幅減少設計時間。

2 硬件設計

2.1 系統(tǒng)總體方案

系統(tǒng)將電機的頻率值、速度檔位、運轉方向和當前電機組信息顯示于LCD 屏幕，速度檔位切換、電機組切換由外部按鍵控制，并經(jīng)脈沖邊沿消抖處理。電機速度變化遵循S 型曲線算法，速度值由光電碼盤傳輸給FPGA。具體結構見圖1。

圖1 系統(tǒng)總體方案

2.2 硬件功能需求

花式紡紗機錠子結構如圖2 所示。每臺花式紡紗機均有多條錠子，單錠子包含兩到三個喂入羅拉對應不同色彩，一臺分梳輥，一個小針筒以及一個卷繞輥。

其中，M1、M2、M3 這一組為喂入羅拉低速電機，每個電機工作5 秒，依次輪流將原紗喂入，工作頻率分50Hz、75Hz、100Hz 三個檔位。

圖2 花式紡紗機錠子結構

M4 為分梳輥電機，其作用為將原紗攪碎以供吹入小針筒。該電機頻率為喂入羅拉的1.0 至2.5 倍，以0.1 倍作為倍數(shù)增減步長。

M5 為小針筒電機，通過其內部的細針織成網(wǎng)格袋子裝載自分梳輥吹下的碎紗。該電機的工作頻率被分為150Hz、200Hz、250Hz、300Hz、350Hz、400Hz 六個檔位。

M6 為卷繞輥電機，在其驅動下，成品紗卷被繞成圓柱桶狀定型。電機頻率為小針筒的1.0 至2.5倍，以0.1 倍作為倍數(shù)增減步長。

E1～E6 分別為安裝在六個電機上的光電編碼器，將光電條紋信號轉化為波形信號送回FPGA 以計算出電機轉速。

系統(tǒng)將M1～M4 歸類為低速組，M5 和M6 設置為高速組。通過7 個外接按鍵控制電機運行。組切換按鍵（switch）可以切換高、低速組；加速（spdup）、減速（spddn）按鍵控制電機檔位；增倍（up）和減倍（down）按鍵控制倍數(shù)步長增減；方向（dir）按鍵控制電機運轉方向；復位（rst）按鍵將系統(tǒng)初始化。上述除組切換和初始化按鍵以外的所有按鍵均只能控制當前電機組的相關參數(shù)，未切換的電機組各項參數(shù)保持原先狀態(tài)。高速組電機的速度變化遵循S 形速度曲線；低速組則為線性。

2.3 FPGA 與各模塊的連接

多通道步進電機控制系統(tǒng)的硬件部分主要包括FPGA、按鍵輸入模塊、屏幕顯示模塊、電機和驅動器模塊及增量式光電碼盤等。FPGA 與各模塊的連接見圖3。

長琿高鐵開通后，以延吉、琿春為主，周邊小城市為輔，形成一小時都市圈，旅游資源得到整合，吸引力更強。高鐵促進城市積極建設公共交通，將高鐵站作為重要旅游客流樞紐，實現(xiàn)快速換乘?，q春市應在高鐵站建設防川景區(qū)公交專線，實現(xiàn)高鐵+公交，使得游客與景區(qū)無縫銜接，縮短游客與景區(qū)心理距離，增強旅游舒適度。

圖3 模塊連接示意圖

FPGA 采用Altera 公司生產(chǎn)的EP4CE10F17C8型，與按鍵模塊用到GPIO0.38、GPIO0.12、GPIO0.8、GPIO0.6、GPIO0.4、GPIO0.2、GPIO0.0 七個端口，分別代表復位、組切換、增倍、減倍、加速和減速信號。

圖中每個驅動器與FPGA 均用到了兩個端口信號，其中GPIO0.32、GPIO0.28、GPIO0.24、GPIO0.20、GPIO0.16、GPIO0.12 對應1～6 臺驅動器的脈沖信號端口（PUL1～PUL6），而GPIO0.34、GPIO0.30、GPIO0.26、GPIO0.22、GPIO0.18、GPIO0.14 則對應其方向信號端口（DIR1～DIR6）。由各光電碼盤引出的EB1～EB6將方波信號傳遞給FPGA，連接在FPGA 的GPIO0.31、GPIO0.29、GPIO0.27、GPIO0.25、GPIO0.23、GPIO0.21 端口。FPGA 通過讀取當前步數(shù)、速度分頻值等數(shù)據(jù)計算出電機當前速度。

LCD 模塊連接到通用顯示擴展接口GPIO2.0～GPIO2.36，該5.0 英寸LCD 分辨率為480×800，支持16 位顏色輸入，最多可顯示65536 種不同顏色。

FPGA 與各模塊之間的引腳配置見表1。

表1 硬件引腳分配

2.4 電機與驅動器的連接

本系統(tǒng)選用雷賽42HS03 型步進電機，額定電流1.0A，相電阻4.6Ω，相數(shù)2，步距角1.8°，工作方式有兩相四拍、兩相八拍和雙四拍三種?？紤]到企業(yè)實際需求，這里采用轉動力矩和精度較高的兩相八拍方式。

電機驅動器選用集成了光電碼盤的HB808C 混合型伺服驅動器，其SVPWM 閉環(huán)控制技術能保證驅動器在電機高頻轉動下自動增加電流使其不丟步。驅動器脈沖響應頻率可達75kHz,工作電壓24V，輸入端擁有光耦隔離電路防止FPGA 芯片被擊穿。電機與驅動器采用共陽極接法，端口電壓為5V。

以單獨使用一個驅動器的情況為例，HB808C的輸入端口包含脈沖端（PUL-）、方向端（DIR-）和光電碼盤信號輸入端（EB+）。將FPGA 的IO.A～IO.C引腳與上述端口一一對應，驅動器的A+、A-、B+、B-輸出口與電機的四根引線連接。步進電機驅動示意如圖4 所示。

圖4 FPGA 控制步進電機示意圖

2.5 光電碼盤工作原理

光電碼盤與電機之間以同孔徑聯(lián)軸器相連，被轉動的電機帶動沿絲杠移動時時會產(chǎn)生明暗相間的摩爾條紋，經(jīng)光電轉換和比較電路作用后產(chǎn)生A、B兩個相位差為90°的脈沖方波信號，如圖5 和圖6所示。圖5 中A 相超前，表明此時設定電機正轉，圖6 中A 相滯后，方向則與圖5 相反。

圖5 正轉時碼盤相位波形

圖6 反轉時碼盤相位波形

3 軟件設計

3.1 時鐘分頻設計

仿真得到的波形如圖7 所示。將不同頻率檔位以freq1～4 顯示，分別設置為400Hz、200Hz、100Hz和50Hz，能夠清楚看出波形之間的倍數(shù)關系。

圖7 分頻模塊波形仿真

3.2 電機速度變化控制

步進電機作為進給運動控制，在工作頻率大于啟動頻率時若要停止，脈沖頻率需逐步下降；同理當所需頻率在最高值或高于啟動頻率時，若要是工作頻率大于啟動頻率，其脈沖頻率需逐步上升[11]。S 型曲線平滑性好，運動精度高，在起步時能以較小啟動頻率升頻，停止時以較小加速度實現(xiàn)降頻[12]。此處只研究加速過程的兩個階段，即加加速和減加速，減速過程和加速過程相互對立。S 型曲線算法流程如圖8 所示。加減速S 型曲線種類繁多，為獲得最好效果，系統(tǒng)采用的是Sigmoid 函數(shù)，基本模型為：

圖8 S 型曲線算法流程

將該函數(shù)經(jīng)平移拉伸變換可得到：

考慮到電機加減速時初速度不為零，一般從某頻率值開始變化，改進后的函數(shù)方程為：

式中，F(xiàn)current表示當前電機頻率，F(xiàn)L為上一檔位頻率值，F(xiàn)H為規(guī)定的頻率上限, Num 為頻率取樣點數(shù)，F(xiàn)為傾斜強度，該數(shù)值反應曲線中間段加速度大小。不同傾斜強度下的速度曲線狀態(tài)如圖9 所示。

圖9 不同F(xiàn) 值下的速度曲線

由圖9 看出，傾斜強度F 越大，速度曲線越陡，加速過程越快。系統(tǒng)F 值取為3.5，此時曲線變化平滑，并可快速達到指定頻率。F 值過高會使電機在高頻工作下力矩下降從而失步，造成工作風險。

目前大部分的曲線擬合均采用離散查表法[13]。將速度變化過程離散為若干點存儲起來，采樣點越多則相對精度越大，但會占用更多內存空間。本系統(tǒng)選用1000 個頻率采樣點，足以滿足需求。圖10 展示了高速電機速度從各個檔位上升到最高檔位的變化曲線，圖中無論當前檔位和最高檔位頻率差值大小，均能保證在1000ms 內調節(jié)至指定頻率，同時保證曲線平滑。

圖10 高速電機速度變化曲線

4 實驗結果

系統(tǒng)將所有電機狀態(tài)在LCD 上顯示，其區(qū)域顯示內容如表2 所示。

表2 LCD 屏幕位置顯示實例

通過軟件仿真和板級驗證，電機實際運行時平穩(wěn)性較好，無噪聲，力矩充足，完全滿足實際需要。圖11 為系統(tǒng)運行時液晶屏實拍畫面。

圖11 顯示屏實拍界面

5 結 束 語

在介紹了新式花式紡紗機的功能需求的基礎上，針對傳統(tǒng)紡紗機對多個運轉部件無法同步控制造成產(chǎn)品品控降低的問題，新設計了基于FPGA 多通道步進電機控制系統(tǒng)，通過光電編碼器傳輸?shù)拿}沖數(shù)反應的速度計算實時轉速。通過分析影響電機轉速快慢的因素以及步進電機加減速的物理特征，提出了使用S 曲線算法實現(xiàn)速度自動調節(jié)的功能，并通過MATLAB 軟件對選用函數(shù)設置不同參數(shù)進行觀察，發(fā)現(xiàn)在不同的頻率差值下采用S 曲線算法達到穩(wěn)定的時間均十分快捷，響應速度令人滿意，適用于各大紡織企業(yè)，提升了市場競爭力。系統(tǒng)大部分程序由Verilog 語言編寫，移植性良好，整體系統(tǒng)穩(wěn)定簡便，具有一定的商業(yè)推廣價值。