基于FPGA+DSP的噴氣織機(jī)新型引緯控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

噴氣織機(jī)的引緯控制系統(tǒng)直接決定著噴氣織機(jī)的運(yùn)行效率、能耗、產(chǎn)品質(zhì)量、平均無(wú)故障時(shí)間等關(guān)鍵性的指標(biāo)，是噴氣織機(jī)整個(gè)電控系統(tǒng)的核心之一[1]。市場(chǎng)上現(xiàn)存的噴氣織機(jī)的引緯控制系統(tǒng)一般都是利用處理器和硬件電路兩部分配合實(shí)現(xiàn)[2]，即引緯角度信號(hào)由處理器通過(guò)軟件比較產(chǎn)生，單穩(wěn)態(tài)信號(hào)產(chǎn)生部分和電磁閥驅(qū)動(dòng)部分則由電子元器件組成的硬件電路實(shí)現(xiàn)。
這種控制系統(tǒng)歸納起來(lái)主要有以下3個(gè)缺點(diǎn)：(1)引緯信號(hào)是通過(guò)比較織機(jī)編碼器的角度和預(yù)先設(shè)定的引緯打開(kāi)關(guān)閉角度產(chǎn)生的。由于CPU的程序是順序執(zhí)行的，在比較這兩個(gè)角度的過(guò)程中不可避免地存在不一致性，導(dǎo)致引緯的精度不高，引緯不穩(wěn)定。(2)為了保證引緯電磁閥能夠可靠打開(kāi)，一般采用48 V電壓打開(kāi)電磁閥，并且要求信號(hào)持續(xù)時(shí)間為精確的8 ms。傳統(tǒng)的方法是采用單穩(wěn)態(tài)電路產(chǎn)生8 ms的信號(hào)，但是單穩(wěn)態(tài)電路容易受到電阻電容精度和溫度的影響，導(dǎo)致定時(shí)精度不高。(3)織機(jī)引緯電磁閥的電路多達(dá)幾十路，需要幾十個(gè)單穩(wěn)態(tài)電路才能滿(mǎn)足要求，電路復(fù)雜，可靠性差，價(jià)格昂貴[3]。
1 引緯控制系統(tǒng)方案設(shè)計(jì)
本文所提出的噴氣織機(jī)新型引緯控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖如圖1所示。采用DSP控制單元與上位機(jī)進(jìn)行串行通信、與FPGA進(jìn)行并行通信，以實(shí)現(xiàn)引緯參數(shù)的實(shí)時(shí)調(diào)整；FPGA可編程邏輯單元通過(guò)比較編碼器的角度信號(hào)和設(shè)定角度信號(hào)產(chǎn)生引緯單穩(wěn)態(tài)和保持信號(hào)；引緯單穩(wěn)態(tài)和保持信號(hào)通過(guò)驅(qū)動(dòng)電路控制電磁閥的動(dòng)作。

2 引緯控制系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)
引緯控制系統(tǒng)的硬件主要由DSP控制及通信模塊、FPGA信號(hào)產(chǎn)生模塊和驅(qū)動(dòng)電路模塊三部分組成。
2.1 DSP控制及通信模塊
DSP選用TI公司的TMS320LF2407A，它是TI公司專(zhuān)為工業(yè)控制設(shè)計(jì)的一款DSP，具有兩個(gè)事件管理模塊、SPI通信、SCI通信、CAN通信、AD轉(zhuǎn)換等集成外設(shè)，其中事件管理模塊包含PWM輸出、比較、捕捉、正交編碼輸入等功能，可以完成除引緯之外的送經(jīng)電機(jī)及卷取電機(jī)的控制、信號(hào)的監(jiān)測(cè)、動(dòng)作的控制等噴氣織機(jī)的其他控制功能。與上位機(jī)通信的硬件電路采用DSP內(nèi)部集成的CAN控制器和外部CAN收發(fā)器PCA82C250。
2.2 FPGA信號(hào)產(chǎn)生模塊
FPGA選用ALTER公司的EP1C6Q240C8，它具有4 KB的內(nèi)部RAM、近6 000個(gè)LE、2個(gè)PLL鎖相環(huán)和185個(gè)I/O口，并具有差分輸入功能，可以滿(mǎn)足本控制系統(tǒng)的性能要求。FPGA模塊主要完成織機(jī)角度信號(hào)的檢測(cè)計(jì)算、并行通信、引緯信號(hào)的產(chǎn)生、信號(hào)的多路選擇、高低壓驅(qū)動(dòng)信號(hào)產(chǎn)生等功能。
2.3 驅(qū)動(dòng)電路模塊
驅(qū)動(dòng)電路采用雙電壓方式，其原理圖如圖2所示。輸入信號(hào)IN1是8 ms的單穩(wěn)態(tài)信號(hào)，控制48 V電源打開(kāi)電磁閥；輸入信號(hào)IN2是引緯的保持信號(hào)，控制9 V的電源以保持電磁閥的打開(kāi)狀態(tài)；為了保證足夠的驅(qū)動(dòng)能力，兩路信號(hào)的驅(qū)動(dòng)三極管都采用達(dá)林頓方式；雙二極管D1是為了防止電源切換時(shí)48 V電源串接到9 V電源中；L1為引緯電磁閥，由于電磁閥為感性器件，在電磁閥關(guān)斷時(shí)OUT端因電感的儲(chǔ)能特性會(huì)出現(xiàn)一個(gè)比較高的負(fù)壓，若產(chǎn)生的負(fù)壓高于Q2和Q4三極管的最大承受電壓，則可能會(huì)損壞Q2和Q4三極管。這里的亞敏電阻Y1就是消減過(guò)高負(fù)壓的保護(hù)元件。

3 引緯控制系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)
3.1 DSP控制及通信模塊軟件設(shè)計(jì)
在該模塊中DSP采用CAN通信與上位機(jī)傳遞數(shù)據(jù)：DSP接收上位機(jī)設(shè)定的打開(kāi)關(guān)閉角度、慢引緯指令、閥試驗(yàn)指令等數(shù)據(jù)，并向上位機(jī)發(fā)送織機(jī)引緯狀態(tài)、織機(jī)角度等顯示信息。
為了更靈活地進(jìn)行數(shù)據(jù)交換，DSP與FPGA以并行數(shù)據(jù)讀寫(xiě)方式進(jìn)行通信：DSP利用I/O地址空間的高位地址總線(xiàn)的邏輯組合來(lái)產(chǎn)生FPGA片選信號(hào)，低位地址總線(xiàn)產(chǎn)生要訪(fǎng)問(wèn)數(shù)據(jù)的地址；利用16 bit數(shù)據(jù)總線(xiàn)傳輸數(shù)據(jù)。在完成串并行通信的同時(shí)，DSP通過(guò)I/O口把織機(jī)的當(dāng)前狀態(tài)、當(dāng)前花色等信號(hào)輸出給FPGA，保證FPGA中多路選擇器正常工作。
3.2 FPGA信號(hào)產(chǎn)生模塊軟件設(shè)計(jì)
FPGA程序結(jié)構(gòu)框圖如圖3所示，其子模塊有：織機(jī)角度檢測(cè)模塊、并行通信接口模塊、引緯信號(hào)產(chǎn)生模塊、多路選擇模塊、高低壓驅(qū)動(dòng)信號(hào)產(chǎn)生模塊等。

3.2.1 織機(jī)角度檢測(cè)模塊
噴氣織機(jī)的主機(jī)編碼器一般都是相對(duì)型編碼器，其產(chǎn)生角度的A、B、Z三個(gè)差分信號(hào)接FPGA的差分I/O口。Z相是零度信號(hào)，當(dāng)Z相輸出有效信號(hào)時(shí)，主機(jī)角度為0°；A相和B相輸出相位相差90°的正交信號(hào)，當(dāng)A相超前B相90°時(shí)為正轉(zhuǎn)，當(dāng)A相滯后B相90°時(shí)為反轉(zhuǎn)。A相和B相邏輯與之后的脈沖數(shù)為織機(jī)轉(zhuǎn)過(guò)的度數(shù)；每通過(guò)一個(gè)脈沖，正轉(zhuǎn)時(shí)主機(jī)角度加一，反轉(zhuǎn)時(shí)主機(jī)角度減一。在FPGA內(nèi)部做一個(gè)計(jì)數(shù)器，Z相信號(hào)為計(jì)數(shù)器的清零信號(hào)；A相和B相邏輯與之后的信號(hào)為計(jì)數(shù)信號(hào)；A相和B相的相位差為計(jì)數(shù)方向；計(jì)數(shù)器的輸出就是織機(jī)角度，這樣就把相對(duì)型編碼器的信號(hào)轉(zhuǎn)化為0°～360°的織機(jī)角度。
3.2.2 并行通信接口模塊
在FPGA的并行通信接口模塊中，當(dāng)DSP寫(xiě)數(shù)據(jù)到 FPGA中時(shí)，F(xiàn)PGA在DSP的WE信號(hào)的上升沿鎖存數(shù)據(jù)總線(xiàn)上的數(shù)據(jù)；當(dāng)DSP讀取FPGA中數(shù)據(jù)時(shí)，F(xiàn)PGA在DSP的RD信號(hào)的下降沿把數(shù)據(jù)傳輸?shù)綌?shù)據(jù)總線(xiàn)，保證了DSP可以可靠地寫(xiě)入或讀取FPGA的數(shù)據(jù)。
3.2.3 引緯信號(hào)產(chǎn)生模塊
噴氣織機(jī)的引緯系統(tǒng)主要工作在運(yùn)行、慢引緯和閥試驗(yàn)三種狀態(tài)。
慢引緯狀態(tài)是噴氣織機(jī)在慢速運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)的單根引緯狀態(tài)；閥試驗(yàn)狀態(tài)是為了檢測(cè)電磁閥和引緯電路的好壞而設(shè)置的狀態(tài)；運(yùn)行狀態(tài)是噴氣織機(jī)正常工作時(shí)的狀態(tài)。在運(yùn)行狀態(tài)，F(xiàn)PGA控制引緯電磁閥按照預(yù)先設(shè)定的引緯角度依次打開(kāi)和關(guān)閉，形成氣流引導(dǎo)緯紗的運(yùn)動(dòng)。引緯效果的好壞直接關(guān)系到噴氣織機(jī)的整機(jī)性能，也直接決定著布面的質(zhì)量和開(kāi)車(chē)效率?，F(xiàn)以運(yùn)行狀態(tài)為例介紹引緯信號(hào)的產(chǎn)生過(guò)程。
引緯信號(hào)由比較單元比較織機(jī)角度和設(shè)定打開(kāi)角度、設(shè)定關(guān)閉角度而產(chǎn)生，引緯信號(hào)產(chǎn)生框圖如圖4所示。當(dāng)引緯信號(hào)沒(méi)有跨越零度時(shí)，即設(shè)定關(guān)閉角度大于設(shè)定打開(kāi)角度時(shí)，引緯信號(hào)在織機(jī)角度大于設(shè)定打開(kāi)角度且小于設(shè)定關(guān)閉角度時(shí)有效；反之，當(dāng)引緯信號(hào)跨越零度時(shí)，即設(shè)定關(guān)閉角度小于設(shè)定打開(kāi)角度時(shí)，引緯信號(hào)在織機(jī)角度大于設(shè)定打開(kāi)角度或小于設(shè)定關(guān)閉角度時(shí)有效。

噴氣織機(jī)引緯信號(hào)多達(dá)幾十路（根據(jù)花色和幅寬的不同而不同），并且引緯信號(hào)對(duì)控制精度和控制的一致性要求非常高，一般引緯信號(hào)的控制誤差要求不超過(guò)1°，在織機(jī)速度為1 200 r/min的情況下，織機(jī)角度1°對(duì)應(yīng)為130 ms左右[4]。
市場(chǎng)上現(xiàn)有的噴氣織機(jī)都是由DSP、單片機(jī)等處理器產(chǎn)生的。由于處理器的程序是順序執(zhí)行的，如果控制誤差不超過(guò)1°，就必須在織機(jī)旋轉(zhuǎn)1°的時(shí)間內(nèi)計(jì)算完成幾十路的引緯信號(hào)。也就是說(shuō)在130 ms內(nèi)完成主程序的一個(gè)循環(huán)，這種速度對(duì)于一般的處理器是很難實(shí)現(xiàn)的，特別是在主程序還要完成數(shù)據(jù)的讀取、角度的計(jì)算、通信等功能的情況下，對(duì)于更高速的織機(jī)更是無(wú)法實(shí)現(xiàn)。因此市場(chǎng)上現(xiàn)有的噴氣織機(jī)速度一般都不會(huì)超過(guò)1 000 r/min，引緯性能也受限于控制的精度、速度和一致性[5]。
FPGA本質(zhì)上是由硬件組成的，其編程語(yǔ)言也為VHDL等硬件描述語(yǔ)言，它的程序并行執(zhí)行，也就是說(shuō)一旦主機(jī)角度或設(shè)定的打開(kāi)關(guān)閉角度有變化，幾十路的引緯信號(hào)就會(huì)立即同時(shí)輸出，誤差僅為信號(hào)的建立時(shí)間，只有幾納秒。因此FPGA產(chǎn)生的引緯信號(hào)可以很好地滿(mǎn)足噴氣織機(jī)對(duì)引緯控制精度和控制一致性的要求，從根本上改變處理器產(chǎn)生引緯信號(hào)的弊端。引緯信號(hào)仿真圖如圖5所示：設(shè)定打開(kāi)角度為80°，設(shè)定關(guān)閉角度為96°，引緯信號(hào)在這個(gè)區(qū)間內(nèi)有效。由圖5可以看出，引緯信號(hào)的產(chǎn)生和關(guān)閉幾乎沒(méi)有任何延時(shí)。

3.2.4 多路選擇模塊
由于紡織工藝的要求，不同花色的引緯參數(shù)和引緯系統(tǒng)的不同狀態(tài)需要不同的引緯控制信號(hào)控制電磁閥，在FPGA中可以采用多路選擇器的方式來(lái)選擇需要的引緯信號(hào)，并且由于是硬件選擇，基本上不會(huì)產(chǎn)生任何誤差和延時(shí)。
3.2.5 高低壓驅(qū)動(dòng)信號(hào)產(chǎn)生模塊
為了保證引緯的可靠穩(wěn)定，電磁閥一般采用雙電壓供電方式，即48 V電壓打開(kāi)電磁閥，9 V的電壓保持電磁閥的打開(kāi)狀態(tài)。根據(jù)高速電磁閥性能的要求，控制48 V電壓的信號(hào)要求為精確的8 ms，時(shí)間太短，電磁閥不能可靠打開(kāi)，時(shí)間太長(zhǎng)電磁閥容易發(fā)熱損壞。
在FPGA中雖然沒(méi)有單穩(wěn)態(tài)電路，但是可以采用時(shí)鐘計(jì)數(shù)的方式來(lái)模擬單穩(wěn)態(tài)的產(chǎn)生：在信號(hào)的上升沿開(kāi)始計(jì)數(shù)并設(shè)置單穩(wěn)態(tài)信號(hào)有效，計(jì)滿(mǎn)8 ms的時(shí)鐘脈沖個(gè)數(shù)后停止計(jì)數(shù)并設(shè)置單穩(wěn)態(tài)信號(hào)無(wú)效，這樣就可以輸出精確的8 ms單穩(wěn)態(tài)信號(hào)。例如，假設(shè)采用8 k的計(jì)數(shù)時(shí)鐘頻率，64個(gè)計(jì)數(shù)時(shí)鐘周期就是8 ms，單穩(wěn)態(tài)信號(hào)的誤差不會(huì)超過(guò)0.125 ms，高低壓驅(qū)動(dòng)信號(hào)仿真圖如圖6所示，其中signal_8ms為8 ms單穩(wěn)態(tài)驅(qū)動(dòng)信號(hào)，signal_hold為低壓驅(qū)動(dòng)信號(hào)。

在這種方式中，計(jì)數(shù)時(shí)鐘頻率越高，誤差就越小，大大提高了單穩(wěn)態(tài)信號(hào)控制精度和一致性，完全可以滿(mǎn)足引緯電磁閥的要求。高低壓驅(qū)動(dòng)信號(hào)完全在FPGA中實(shí)現(xiàn)，不需要任何附加的硬件電路，不受溫度和電阻電容精度的影響，保證了引緯的可靠性、穩(wěn)定性和控制的一致性，同時(shí)也簡(jiǎn)化電路，減少了硬件故障，降低了成本。
本文提出的引緯控制系統(tǒng)采用FPGA產(chǎn)生引緯信號(hào)，達(dá)到了處理器控制中無(wú)法實(shí)現(xiàn)的控制速度和控制精度，具有精度高、一致性好、誤差小、穩(wěn)定性好、電路簡(jiǎn)單可靠等優(yōu)點(diǎn)。同時(shí)利用DSP與上位機(jī)及DSP與FPGA之間的通信，可以實(shí)時(shí)調(diào)整引緯參數(shù)，實(shí)現(xiàn)控制的靈活性。實(shí)踐和應(yīng)用情況說(shuō)明，本引緯控制系統(tǒng)完全克服了高速?lài)姎饪棛C(jī)在引緯控制精度方面的障礙，對(duì)高速織機(jī)的發(fā)展具有重要的意義。
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