多總線結構提花毛皮機控制系統設計*

顏瑛晟，胡旭東，彭來湖

(浙江理工大學 機械與自動控制學院，浙江 杭州 310018)

0 引言

人造毛皮機是一種特殊的紡織機械，由毛條喂入系統、紗線喂入和編織系統兩部分組成［1］。兩者在控制系統的作用下，將毛條編入織物正面，生成廣泛應用于玩具服裝面料、毛毯及家用裝飾品的人造毛皮。國外人造提花毛皮機的傳統控制技術已趨于成熟，但存在價格昂貴、維護困難等問題［2］。國產毛皮機控制系統大部分采用集中式控制方式，導致系統結構龐大，移植性和兼容性不好，不利于設備的更新與擴展。

單一總線會隨著總線上生產設備增多而使數據傳輸的延時增加，多總線結構能使得各個模塊間的通訊數據進行高效傳輸，簡化了系統結構且能便捷地增加設備數量，使得系統的擴展性和更新性良好，并實現了高速精確的控制編織。

本研究采用多總線結構和嵌入式控制系統模塊化設計方法，研發具有海量花型數據傳輸和通訊實時可靠性能的提花毛皮機控制系統。

1 毛皮機工作原理及控制要求

提花毛皮機主要由針筒電機、喂紗編織部、18 路梳理頭喂毛機構、傳動箱部件、卷布架、給毛監控輪、故障檢測裝置、編織機構和提花毛皮機控制系統組成，提花毛皮機機構示意圖如圖1 所示。

圖1 提花毛皮機機構示意圖

在整個編織過程中，首先由針筒電機來驅動針筒轉動，從而使編織機構和傳動箱部件運轉起來。梳理頭喂毛機構主要由喂毛輪、錫林和道夫組成，通過步進電機驅動來完成毛條的梳理和拉伸。提花編織開始，步進電機與針筒轉速相同步，按照花型圖案將毛條送入梳理頭喂毛機構;選針機構按照花型參數要求來確定是否出針勾取對應的毛條。紗線在喂紗編織部進行編織底布，毛條通過給毛監控輪由梳理頭喂毛機構喂入底布編織成毛皮，然后由卷布架送入盛布桶。毛皮機運行時，給毛監控輪和故障檢測裝置對系統的狀態進行實時監控，在發現故障的情況下可以立即停機保證編織安全。

2 控制系統整體結構設計

提花毛皮機控制系統采用模塊化設計方法，將系統分為人機交互管理層、實時主控層和機構執行層。為了確保整個系統各個層次之間的通訊數據的快速可靠性，本研究采用多總線的控制方式。

多總線結構提花控制系統結構框圖如圖2 所示。

人機交互管理層主要功能是顯示提花毛皮機控制系統的狀態信息及解析花型文件，通過文件解析得到對應的梳理頭喂毛信息和選針器選針信息。為了將解析后的大量信息數據快速地從人機交互管理層傳送到實時主控層，本研究使用GPMC 總線來滿足數據傳輸的實時性。

圖2 多總線結構提花控制系統結構框圖

實時主控層是本控制系統的核心部分，不僅需要將選針信息和喂毛信息傳輸給對應執行機構的控制模塊，還要接收傳感器信號檢測模塊發送各種故障報警信息。為了執行穩定準確的選針動作，本研究利用FPGA 具有的強大的時序控制能力，采用并行總線方式實現高速的選針數據信號的穩定輸出。為了對多路數的梳理頭喂毛動作進行控制，本研究采用CAN 總線來滿足喂毛數據的分布式要求。當毛皮機出現故障需要及時地將報警信號傳輸給實時主控層，并發出停機命令保障工作安全，因此本研究采用高速的RS485 總線將信號準確快速地進行傳輸。利用不同的總線處理不同的通訊任務，系統能夠控制多個模塊進行同步工作，滿足實時多任務的工作需求來實現資源的充分利用。此外，系統還需控制針筒電機轉動、接收編碼器信號和零位信號。

機構執行層包括18 路梳理頭步進電機、18 路選針器及各類傳感器信號檢測。喂毛控制模塊共有5個，每個模塊可驅動4個步進電機，其中一個喂毛控制模塊僅控制2個步進電機，實現18 路梳理頭步進電機控制;選針控制模塊共有5個，每個模塊可驅動4個選針器。各個模塊都有獨立的MCU 控制，可以極易擴展和維護，并提高了實時性。

3 控制系統核心硬件電路設計

3.1 針信號檢測電路

根據當前的針位信息，毛皮機的提花機構進行相應的動作。其針信號包括在旋轉編碼器信號基礎上產生出零位信號和針同步信號，整個系統在針信號電路輸出時序信號的作用下運轉。

編碼器輸出變化的信號脈沖分為兩相，分別從QEPA_IN和QEPB_IN 輸入，經過高速光耦TLP113 到實時主控層芯片STM32F205，二極管起保護作用防止光耦因反向電壓過高而被擊穿，其針信號檢測電路如圖3 所示。

圖3 針信號檢測電路

3.2 針筒電機驅動電路

變頻器通過采用電壓控制的方式進行驅動，從而帶動變頻電機傳動至針筒。系統根據對變頻器輸入不同的模擬電壓來控制變頻電機的轉速，從而實現編織速度的調節。變頻器驅動主要由使能信號和速度信號控制。為了保證使能信號的可靠性，本研究使用光耦TLP185 進行信號控制，前端信號電壓為3.3 V，后端電壓為12 V，并且有MOS 管和二極管作為電壓保護以保障信號的正確傳輸。STM32F205 輸出特定占空比的PWM 波，經光耦隔離和二階濾波后，使得后面LM358構成的跟隨電路中的運放正向輸入端輸入與占空比成正比例的穩定模擬電壓，實現速度信號的控制。

3.3 選針驅動電路

選針器選用200 V 的WAC 型壓電陶瓷選針器來控制毛條的勾取與否。本研究采用并行總線的驅動方式，選針器驅動電路接收從實時主控層的FPGA 傳送來的8個并行信號和1個時鐘信號。該電路選用CME-M1 FPGA 作為選針器控制核心，用雙光耦并聯的方式切換200 V和200 V GND 兩個電壓來實現壓電陶瓷片的打上打下狀態［3］。本研究選用驅動電壓最大值為300 V 的光耦LTV-352T 來滿足壓電陶瓷片驅動要求與選針器動作頻率，光耦前端電阻要滿足3.3 V時最低的通斷電流以減低功耗，輸出端電阻需保證滿足壓電陶瓷片正常工作狀態。

3.4 梳理頭電機驅動電路

梳理頭電機用來控制毛條的喂入和梳理。本研究選用兩相四線混合式步進電機作為梳理頭電機，控制芯片為飛思卡爾的KE06，采用TB6600HG 作為步進電機驅動芯片。步進電機控制信號(ENABLE、RESET、TQ、CLK、CW/CCW)通過光耦分別與TB6600HG 的對應引腳相連接，實現數字電平3.3 V～5 V 的轉換，并對信號進行隔離。根據TB6600HG 的數據手冊的計算公式，設置驅動芯片的參考電壓為1.5 V，其驅動電流為2.5 A，滿足梳理頭大電流步進電機要求。通過焊接電阻的方式來確定8 細分的電機細分模式，其擁有自動的混合衰減模式可以降低電路調試的復雜度。

3.5 總線接口電路

人機交互管理層的AM3354 處理器與實時主控層的FPGA 之間是以 GPMC 總線的方式連接，STM32F205 通過并行總線讀取FPGA 存儲數據，從而形成在一個SRAM 存儲器上具有兩套完全獨立的數據線、地址線和讀寫控制線的雙口RAM，并允許兩個獨立的系統對該存儲器進行同時異步地訪問［4］。

雙口RAM 的硬件連接方式如圖4 所示。

圖4 雙口RAM 硬件連接方式

GPMC 是AM3354 芯片上的一種總線，全稱為通用存儲控制器。它是一個16 位的外部存儲控制器，可以為NOR Flash、NAND Flash，pSRAM 等傳統存儲器件提供讀寫接口［5］。GPMC 采用地址和數據非復用的連接方式，GPMC_A［0..11］為地址線，雙口RAM 空間為4 KB 大小;GPMC_AD［0..7］為位寬8 Bit 的數據線;GPMC_CS3n 表示采用CS3n 片選線控制外部讀寫;GPMC_WEn 表示寫使能;GPMC_OEn_REn 表示讀使能。實時主控層中F_A［0..13］是14 位地址總線，F_D［0..7］是8 位數據總線，它們與片選信號F_NE1和F_NE2、寫信號F_NWE、讀信號F_NOE、等待信號F_NWAIT使得FPGA 與STM32F205 相連。

實時控制層與機構執行層的選針器采用并行總線的方式進行通訊。實時控制層的FPGA 輸出8個并行總線信號AD0～AD7和1個時鐘信號ADCLK1 來實現對選針器的驅動控制。用LVXC3245 實現選針信號AD0～AD7 從3.3 V～5 V 的電壓轉換，74AHC1G14 采用電位觸發方式利用反相緩沖功能輸出穩定選針時鐘信號SACLK1，并行總線接口電路如圖5 所示。

圖5 并行總線接口電路

實時控制層與機構執行層的梳理頭步進電機采用CAN 總線進行信息通訊。通過采用1 Mbps 的CAN 通訊波特率，可以滿足對喂毛數據的實時傳輸以完成編織［6］。筆者在設計中采用TJA1050 芯片作為CAN 收發器，高速光耦TLP113 可以提高信號的抗干擾能力并且減少信號在高速傳播時的波形失真，同時實現3.3 V～5 V 的電壓轉換。光耦前端的限流電阻為光耦提供合適的驅動電流;輸出端電阻保證TLP113 中的光敏三極管導通時輸出低電平，截止時輸出高電平，符合CAN 總線要求。TJA1050 末端的CANH 與CANL管腳之間有120 Ω 的終端電阻，起阻抗匹配的作用。

CAN 總線接口電路如圖6 所示。

在編織過程中，需要對毛皮機的斷條、斷紗、壞針、缺油、破門等故障進行檢測［7］。針對較多的傳感器信號檢測，本研究采用單板的方式將所有的傳感器檢測接口集中在一起，使用RS485 總線與實時主控板進行報警通訊。實時主控層無需在每次動作的循環中檢測各種故障，能更好地集中資源處理動作信息，提高實時性。設計中筆者采用SP490E 芯片作為RS485 收發器，其數據傳輸速率可達到10 Mbps，可以實現數據差分高速傳輸，提高RS485 抗干擾能力，保證通訊穩定可靠。

圖6 CAN 總線接口電路

RS485 總線接口電路如圖7 所示。

圖7 RS485 總線接口電路

4 控制系統關鍵程序設計與實現

4.1 選針控制程序

選針器選用8 刀頭WAC 型選針器，當針同步脈沖到來時，STM32F205 從Flash 花型存儲器中取出這一針對應的3 Byte 選針數據。3 Byte 的數據中前18位是有效位，從低到高依次存儲在字節內，18 位數據分別控制18 路選針器。

1 184 針的提花毛皮機系統每轉一圈會產生1 184個針同步和一個零同步。選針數據在一圈中有1 184×3 Byte，存放在數組Cir 里。按照公式(1)的花型解析算法提取出每個選針器的執行數據:

通過公式(1)可以很容易地讀取第x個選針器在第n 圈的第y 針的數據，即其位置在Cirn數組中第Xy針的第(x/8+1)字節的第x%8 位。并行總線時序為:當ADCLK1 從0～1 上升沿觸發時，AD0～AD7 輸出地址數據;當ADCLK1 從1～0 下降沿觸發時，AD0～AD7 輸出選針數據。

選針控制流程圖如圖8 所示。

4.2 喂毛控制程序

喂毛數據的提取方法與選針數據提取原理相同。提花前先要根據花型顏色數的多少將梳理頭和選針器分組，每組中的一個梳理頭負責一種顏色毛條的饋送，相應的選針器則負責對該顏色鉤毛的控制［8-10］。

提花毛皮機的梳理頭結構圖如圖9 所示，從圖9可以看出，毛條進入喂毛輪后，經過錫林梳理傳送到道夫處的鉤針處，由鉤針勾走。因此，從毛條喂入到鉤針勾取需要經過一段時間，喂毛信號必須比選針信號提前發出才可以使鉤針處有毛可鉤。同時在不勾毛時，要求梳理頭停止喂毛，否則會由于鉤針未鉤毛而致使多余的毛條堆積在道夫上造成對后續編織的影響，甚至卡死道夫和錫林［11］。

梳理頭結構圖如圖9 所示。

圖9 梳理頭結構圖

從上面分析可知，梳理頭的喂毛數據既需要受到花型數據變化的控制，還需要以一定的提前量優先于選針數據，才能保證兩者得到一致的處理。喂毛提前量時間為:

式中:V1—錫林的線速度;V2—道夫的線速度;Labc，Lcde—如圖9 所示的弧長。

用喂毛提前量時間除以單個針脈沖信號所用的時間，就可以得出需要提前喂毛的脈沖個數。經實際的現場調試，一般喂毛數據比選針數據提前90～120個同步脈沖，一個針同步脈沖步進電機可以根據需求設定為走2～4 步。

喂毛控制流程圖如圖10 所示。

圖10 喂毛控制流程圖

5 系統測試

筆者以某臺18 路毛皮機為機械本體，用本研究的提花控制系統進行重復性的毛皮編織測試。72 h 內，毛皮機在轉速為30 r/min 的情況下進行編織毛皮。為了保證系統的可靠性和實時性，本研究對實時主控層發出的選針并行信號和梳理頭CAN 總線進行測試。測試結果顯示，選針器的并行總線信號工作頻率為10 MHz，300 ms 內選針器打上打下的邏輯控制輸出完全正確;梳理頭的CAN 總線數據傳輸一幀的時間為141 μs，與數據擴展幀的傳輸延時時間公式的計算數據相符合［12-13］。兩個總線信號的傳輸速率能滿足毛皮機的選針器和梳理頭的實時控制需求。

結果表明，該系統發送和接收數據正常，編織毛皮與花型圖案一致，具有較好的實時性和擴展性，可以實現高效率和高質量的毛皮編織。

6 結束語

本研究研發的多總線結構提花毛皮機控制系統實現了各個模塊間通訊數據的高速準確傳輸，比單一總線為各類執行機構提供更多的通訊節點，減少了總線負載，提高了總線數據傳輸速率，同時提高了系統的實時性和抗干擾能力;通過不同的總線可以對發生故障的機構進行快速的判斷，同時使得對各個模塊的系統調試更加方便，利于系統的改造和擴大。

運行結果表明，該系統滿足提花毛皮機的準確通訊和控制要求，運行穩定，可以十分便捷地對故障模塊進行修理、維護和設備更新，通用性好，具有很好的市場應用前景。

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