基于DSP的織機送經控制系統的設計

胡玉汞

(三明職業技術學院，福建 三明 365001 )

送經系統是織機傳動系統中的重要環節,直接關系到布面質量。送經傳動機構經歷了機械式消極送經和積極送經階段,在近20年中,進入到電子送經時代。隨著電子技術的進步,送經系統中的驅動電機也經歷了從變頻電機、步進電機、DC伺服電機到AC伺服電機的過程。現代先進織機多數都采用了以交流伺服電機作驅動電機,配以應變片式張力傳感器經紗張力信號采集系統的電子送經裝置,具有響應速度快、恒力矩、不失步和控制精度高的特點。隨著控制理論的發展和計算機運行速度的提高,國外各大織機制造商采用的送經系統控制方法也是日新月異。本文采用DSP為核心的送經卷取控制器并配以AC伺服電機作為執行控制機構系統,然后對送經進行PID控制,較全面地分析了電子送經控制系統的工作機理[1]。

1 控制系統的設計

1.1 技術方案

系統采用高速的數字信號處理器(DSP)作主控制器。采用的核心算法為智能模糊PID算法。控制電機采用交流伺服電機，保證了控制的準確性和快速性。系統在織機主軸旋轉一周的不同時刻，實時檢測經紗的張力和主軸運動位置，實時地控制交流伺服電機的轉速和轉向，保證了各個織造周期張力的一致性，現就系統方案說明如下:

DSP(數字信號處理器)采用了多總線的哈佛結構和流水線結構，內部設置了專用硬件乘法器以及專用的DSP命令，所以使DSP實現了高速運算功能—在1個周期內就能完成乘法運算，這比通用微處理機快10～100倍。DSP是一種高速專用微處理器(MCU)，其運算功能強大，能實現高速輸入和高速率傳輸數據，它專門處理以運算為主不允許遲延的實時信號，高效進行快速傅立葉變換運算。它包含有靈活可變的I/O接口和片內I/O管理，高速并行數據處理算法的優化指令集。DSP的精度高、可靠性好，為電機控制提供高效可靠的平臺[2]。

目前，國內推廣應用最為廣泛的DSP器件是美國德州儀器(TI)公司生產的TMS320系列。TMS320 LF2407 A控制器是為了滿足控制應用而設計的。通過把一個高性能的DSP內核和微處理器的片內外圍設備集成為一個芯片的方案，非常適合于工業控制領域。它的指令周期為40 ns，有高達32 K字的FLASH程序存貯器，高達1.5 K字的數據/程序RAM, 544字雙口RAM , 2 K字的單口RAM，兩個適合于電機控制的事件管理器模塊集成有10位A/D轉換器。所以控制系統選用TMS320 LF240 FA作為系統主控制器[2]。

傳統PID控制算法在設計PID控制器時，是依靠經驗和試驗在系統調試時確定PID控制器的參數KP、KI、KD。在以后的使用過程中，或者保持參數不變，或者在外部條件發生重大變化時，重新手動選擇參數。織機送經控制系統是一個非線性、時變和分布參數系統，這就要求PID參數能夠在線調整，以適應改變了的模型。而常規PID控制不能滿足這一要求，因此在設計控制器時，一個關鍵的問題就是PID參數的實時整定。在選擇控制器算法時，采用轉向定量和定性相結合的方法——模糊控制。在PID控制的基礎上采用模糊控制，發揮模糊控制靈活性、適應性強和PID控制精度高的優點。根據經驗制定出PID參數的調整規則，在線進行模糊推理，分別調整PID的3個參數，解決控制系統中PID參數實時整定的問題。控制中采用位置控制和小偏差微量調整控制方法。控制方式為先由初始狀態自動算出一個控制量，根據張力偏差通過智能模糊PID算法計算得出一個調整補償量，然后由這兩個量的代數和去控制交流伺服系統，所以控制精準、平穩，不會出現大的波動。

1.2 控制系統硬件組成及功能

控制系統硬件原理框圖見圖1。圖1中，系統主控制器為TMS320 LF2407 A，實時完成對各種輸入輸出數據的處理，以及模糊PID算法的運算。

光電碼盤用來在程序執行過程中的特定位置產生中斷以采樣張力信號。它的端口A、B、Z經電平轉換芯片74LVTH245 A轉換后，分別與TMS320 LF2407 A的QEPI , QEP2, CAP3相連得到主軸的轉速、角度、方向,為系統控制、停車位置、開車補償提供依據,使送經與卷取同步。74LVTH245 A完成碼盤5 V電平到3.3 V的轉換。TMS320 LF2407 A的事件管理模塊的計數器對碼盤脈沖進行計數,當計數脈沖數與設定值相同時，產生中斷,對張力進行采樣。

圖1 硬件原理框圖

系統由安裝在織機上的張力傳感器實時測得經紗的張力。張力傳感器把張力轉化成電壓信號,該電壓信號經模擬處理電路處理后,由DSP芯片的A/D模塊的ADCIN00通道接收。經過A/D轉換，轉換成數字信號，與設定值比較后，經由智能模糊PID算法處理[3]。

外部數據RAM主要用來進行外部仿真調試，掉電保護RAM主要用來存放掉電時系統的一些重要參數。

液晶模塊采用間接控制方式與TMS320 LF2407 A相連，用TMS320 LF2407 A的I/O端口控制，用軟件模擬操作時序。鍵盤設定分別由TMS320 LF2407 A的I/O端口控制，軟件結構簡單，液晶和鍵盤相結合來完成經紗張力和故障顯示、故障診斷、張力設定，自動、手動控制等功能。

系統所采用電機為交流伺服電機，采用位置控制模式，由TMS320 LF2407 A的PWM端口I/O端口分別控制交流伺服驅動器的PULSE和SIGN，即由PWM發出相應頻率和數量的脈沖控制伺服電機的轉速和轉的位置，I/O端口控制伺服電機的轉向。

系統中，JTAG接口電路主要完成外部仿真調試和程序下載到FLASH中。

1.3 控制系統原理

傳統PID控制雖具有結構簡單、穩定性好、可靠性高等特點,但對于一個具有隨機干擾強、動態時變的非線性經紗張力系統來說,其魯棒性差,對于控制對象的模型參數過于依賴。經紗張力控制采用自調整模糊PID控制方法,見圖2。

圖2 系統控制原理框圖

在一個機織周期里多個不同時刻通過張力傳感器實時地檢測經紗的張力，與設定值進行比較，再由主控制器DSP根據偏差通過智能模糊PID算法計算得出一控制量，實時地控制交流伺服系統。

首先,控制器求得張力誤差e與張力誤差變化率de/dt,并把它們當作模糊控制器的輸入;其次,對e與de/dt進行模糊化求得模糊量E、EC,根據E、EC分別查詢存儲在FLASH中的二維模糊控制表(E和EC與ΔKp、ΔKi、ΔKd)獲得ΔKp、ΔKi、ΔKd;最后,根據PID參數修整式(1),確定參數Kp、Ki、Kd,應用增益PID控制伺服系統的轉速。

根據張力系統控制特性,二維模糊控制表的設計遵照以下原則:

(1)在控制初期,誤差e最大,為盡快減少誤差,ΔKp適當小、ΔKi較大、ΔKd較大。

(2)在控制中期,為提高響應速度并保持張力穩定,漸漸增大ΔKp和ΔKi，ΔKd在中等偏小位置。

(3)在控制后期,為提高張力控制精度,并具有良好的穩定性和降低調節時間,ΔKp逐漸減少、ΔKi加大、ΔKd減少。

參數修整公式:

(1)

式中Kp0、Ki0、Kd0—PID的比例、積分、微分初始化參數;Kp、Ki、Kd—PID的比例、積分、微分在線參數;a、b、c—調整系數;ΔKp、ΔKi、ΔKd—PID在線修正參數。

增益PID控制算法:

ΔP(k)=P(k)-P(k-1)=

式中ΔP(k)—兩次的輸出值差;P(k)—第k次輸出量;P(k-1)—第k-1次輸出量;ek—第k次采樣所獲得的偏差數;Δek—第k次采樣和第k-1次采樣值偏差之差;Δek-1—第k-1次采樣和第k-2次采樣值偏差之差。

1.4 軟件構成

系統軟件設計方案見圖3。

系統管理程序——負責對所有子程序模塊的管理。

人機交換接口程序——負責對系統參數的設定和調整，以及故障診斷的顯示和查詢。

開停機處理程序——負責開停機時對一些參數的處理和優化補償。

模糊算法——負責對系統PID參數的在線模糊整定。

圖3 系統軟件設計方案

PID算法——負責用PID算法計算出輸出量控制電機。

故障診斷保護程序——負責對系統故障的診斷和保護。

掉電數據保護程序——負責對系統掉電時對數據的保護以及再次操作時對數據的恢復。

系統總程序框圖見圖4，碼盤中斷程序框圖見圖5。

圖4 系統總程序框圖

圖5 碼盤中斷程序框圖

2 結束語

由于系統采用了以DSP為核心的送經卷取控制器并配以伺服電機作為系統的執行機構；該系統實時性好、響應快，并具有自適應調節功能，各個織造周期張力的一致性好，且送經量精確、控制平穩，能滿足高檔織機的送經要求。

參考文獻：

[1] 沈丹峰,葉國銘.電子送經控制系統的數學分析[J].紡織學報，2006，(9)：32—35.

[2] 劉和平.DSP原理及電機控制應用:基于TMS320LF240x系列[M].北京：北京航空航天大學出版社，2006.

[3] 董 杰，張清珍，劉振玲.寬幅有梭織機送經機構的改造[J].山東紡織科技，2011，52(5)：34—35.