基于STM32F103的高速卷繞機橫動導(dǎo)絲控制系統(tǒng)設(shè)計

何 濤

(常州工業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院 信息工程學(xué)院，江蘇 常州 213000)

0 引言

高速卷繞機是塑料成套編織生產(chǎn)線的重要組成部分，保持成組使用狀態(tài)，多臺卷繞機設(shè)備被放置在同一機架組織之上，且能夠在后端動力機組的作用下，實現(xiàn)對拉絲機的連續(xù)擠壓[1]。由于每臺卷繞機設(shè)備外都配置獨立的主驅(qū)動電機元件，所有即便是在橫動導(dǎo)絲塊受到非平均牽引力作用時，經(jīng)過卷繞機處理的塑料編制產(chǎn)品也可以保持平整、平滑的紗包狀態(tài)。經(jīng)過信息化改造處理后，卷繞機組結(jié)構(gòu)固件的應(yīng)用能力得以維護與升級，特別是在復(fù)雜電磁波信號的干擾下，由于機械成套元件的存在，非完整信號波段可被直接隔絕在外，故在整個處理過程中，機組元件的運行能力始終不會發(fā)生改變[2]。

為了實現(xiàn)對機械設(shè)備元件的有效控制，已有多位學(xué)者對此進行了研究，并取得了一定的學(xué)術(shù)成果。基于穩(wěn)態(tài)視覺誘發(fā)電位的控制系統(tǒng)通過調(diào)節(jié)SSVEP電位數(shù)值的方式，確定動態(tài)識別窗口的長度水平，再聯(lián)合偽密鑰體系，確定控制指令在單位周期內(nèi)的執(zhí)行頻度[3]。基于RBF網(wǎng)絡(luò)的矢量控制系統(tǒng)借助PI控制器，對卷繞機設(shè)備的積分遲滯作用進行調(diào)試，又根據(jù)永磁同步電機的實時響應(yīng)速度，確定橫動導(dǎo)絲的當(dāng)前形變程度[4]。然而上述兩類系統(tǒng)的應(yīng)用能力相對有限，并不能保證導(dǎo)絲形變量始終小于極限變形數(shù)值。為解決上述問題，設(shè)計基于STM32F103的高速卷繞機橫動導(dǎo)絲控制系統(tǒng)。STM32F103是一種嵌入式的微控制器元件，由于其在電力網(wǎng)絡(luò)中保持集成式連接狀態(tài)，所以隨著傳輸電流數(shù)值水平的增大，元件設(shè)備所承擔(dān)的負載電壓數(shù)值也會不斷增大。對于高速卷繞機設(shè)備而言，STM32F103芯片可以直接控制橫動導(dǎo)絲的形變水平，在主動運行方面，可以有效避免機組控制行為的出現(xiàn)[5]。

1 控制系統(tǒng)應(yīng)用部件

高速卷繞機橫動導(dǎo)絲控制系統(tǒng)由CPU主控電路、STM32F103控制器、錠軸夾頭等多個部件結(jié)構(gòu)共同組成，本章節(jié)將針對其具體設(shè)計方法展開研究。

1.1 CPU主控電路

CPU主控電路連接于高速卷繞機橫動導(dǎo)絲控制系統(tǒng)的+VCC端口與-VDD端口之間，可以同時調(diào)配多個下級負載電阻，并能夠在C電容元件的作用下，對電量信號進行同步調(diào)節(jié)處理，從而避免因傳輸電量累積對卷繞機橫動導(dǎo)絲的形變水平造成影響。硬件電路的核心連接結(jié)構(gòu)為CPU主控部分，包括兩個CAN驅(qū)動元件、一個SPI信號調(diào)節(jié)設(shè)備和一個AT91RM9200芯片[6-7]。其中，兩個CAN驅(qū)動元件分別與CPU主控部分GCC端口與GND端口相連，前者負責(zé)接收高壓輸入信號，可以根據(jù)CPU主控電路的實際運行情況，對電量信號進行按需整合；后者負責(zé)輸出低壓信號參量，不具備處理傳輸信號的能力，只可以在保障高速卷繞機運轉(zhuǎn)需求的基礎(chǔ)上，將電量信號由一個端口組織傳輸至另一個端口組織。具體的CPU主控電路布局形式如圖1所示。

圖1 CPU主控電路布局結(jié)構(gòu)

SPI信號調(diào)節(jié)設(shè)備與AT91RM9200芯片之間保持單向連接關(guān)系，在整個CPU主控電路中，起到承上啟下的過渡作用。一般來說，為避免高速卷繞機橫動導(dǎo)絲出現(xiàn)過于明顯的形變狀態(tài)，單位時間內(nèi)經(jīng)由單向回路中傳輸?shù)碾娏啃盘柌灰诉^多。

1.2 STM32F103控制器

作為高速卷繞機橫動導(dǎo)絲控制系統(tǒng)的核心應(yīng)用部件，STM32F103控制器對于卷繞機組設(shè)備的控制包括同步反饋、電量信號傳輸兩種基礎(chǔ)模式，具體連接結(jié)構(gòu)如圖2所示。CPU主控電路輸出的電量信號直接進入控制器組件的STM32F103-C8T6設(shè)備之中，且設(shè)備體具備自主運行的能力，可以二次調(diào)取未被完全消耗的電信號參量。STM32F103-C8T6設(shè)備外部負載多個引腳結(jié)構(gòu)，是電量信號的輸出通路，當(dāng)這些信號參量完全達到下級Cortex-M3內(nèi)核時，STM32F103控制器機組就實現(xiàn)了經(jīng)由電量信號傳輸模式的機械控制行為[8]。

圖2 STM32F103控制器的結(jié)構(gòu)簡圖

由STM32F103-C8T6設(shè)備直接指向Cortex-M3內(nèi)核的就是STM32F103控制器機組的同步反饋模式。由于Cortex-M3內(nèi)核同時負載3個普通定時器和一個高級定時器，且這些結(jié)構(gòu)元件分別與不同的端口組織相連，所以STM32F103控制器在對高速卷繞機橫動導(dǎo)絲形變量進行控制時，并不局限于一種運行模式[9]。Cortex-M3內(nèi)核、定時器元件、端口組織共同組成了STM32F103控制器的核心運行機制，且為了配合CPU主控電路與高速卷繞機零部件結(jié)構(gòu)不同的運行需求，該機組元件中負載的端口組織必須保持完全閉合的連接狀態(tài)。

1.3 高速卷繞機橫動導(dǎo)絲的主要零部件

高速卷繞機橫動導(dǎo)絲的主要組成部件包括錠軸夾頭和機械卷繞頭，前者負責(zé)夾持生產(chǎn)線上的塑料制品，后者則提供了橫動導(dǎo)絲發(fā)生形變時所需的力學(xué)作用。

1.3.1 錠軸夾頭

錠軸夾頭連接在高速卷繞機械內(nèi)部，借助上、下兩個端轉(zhuǎn)子與機組設(shè)備固定在一起，在高速卷繞機運行過程中，端轉(zhuǎn)子所提供的力學(xué)作用方向完全一致，所以外部負載皮帶在CPU主控電路的作用下，呈現(xiàn)出循環(huán)運行狀態(tài)，因此當(dāng)塑料制品被運輸至既定位置處之后，皮帶還會在循環(huán)力作用下，再次回到初始運輸位置之處[10]。錠軸夾頭與CPU主控電路元件之間的連接需借助電機觸片，這兩個片狀結(jié)構(gòu)負載于傳輸皮帶內(nèi)部隔板之上，且在傳輸皮帶的運動過程中，其連接位置與連接形態(tài)并不會發(fā)生改變。絕緣板存在于傳輸皮帶與CPU主控電路之間，負責(zé)阻隔電量信號，從而避免錠軸夾頭結(jié)構(gòu)呈現(xiàn)帶電狀態(tài)[11]。錠軸夾頭的具體連接結(jié)構(gòu)，如圖3所示。

圖3 錠軸夾頭的結(jié)構(gòu)示意圖

電機觸片前端支出兩個帶有墊子的支撐桿，在錠軸夾頭抓取塑料制品時，墊子出現(xiàn)壓縮狀態(tài)，由于其平均密度相對較小，在外力作用下會呈現(xiàn)出明顯的粗糙狀態(tài)，所以在負載皮帶的運動過程中，不會因夾頭出現(xiàn)松動而出現(xiàn)物品脫落的情況。

1.3.2 機械卷繞頭

機械卷繞頭為高速卷繞機橫動導(dǎo)絲的物理形變提供了動力學(xué)作用，隨著CPU主控電路不斷向外輸出電量信號，該元件的轉(zhuǎn)動速率也會不斷加快。正常運行狀態(tài)下，機械卷繞頭設(shè)備受到水平、豎直、縱深3個方向上的力學(xué)作用，具體受力情況如圖4所示。

圖4 機械卷繞頭受力分析

整個卷繞頭部件的兩端連線相對較為平滑，所以在高速卷繞機設(shè)備受力運動過程中，電量信號并不會在元件外側(cè)大量累積，而這也是錠軸夾頭在夾持塑料制品時外表并不帶電的主要原因[12-13]。分析圖4可知，機械卷繞頭設(shè)備首部、中部、尾部的受力狀態(tài)完全相同，當(dāng)力學(xué)作用累積量足夠大時，機械卷繞頭拉動橫動導(dǎo)絲，使其呈現(xiàn)出形變狀態(tài)，此時力學(xué)作用水平分量與豎直分量之間的夾角數(shù)值保持不變，而豎直分量與縱深分量、水平分量與縱深分量之間的夾角數(shù)值卻會不斷增大。

2 高速卷繞機動力學(xué)建模

為完成控制系統(tǒng)的設(shè)計，還應(yīng)根據(jù)聯(lián)接關(guān)系處理結(jié)果，確定變卷裝轉(zhuǎn)化標(biāo)準(zhǔn)，再聯(lián)合求解所得的橫動導(dǎo)絲同步渦動頻率指標(biāo)，推導(dǎo)得到標(biāo)準(zhǔn)的彈性微分方程表達式。

2.1 聯(lián)接關(guān)系處理

對于高速卷繞機設(shè)備而言，在設(shè)計橫動導(dǎo)絲控制系統(tǒng)時，聯(lián)接關(guān)系是指錠軸夾頭元件與機械卷繞頭元件之間的對應(yīng)相連關(guān)系。所謂聯(lián)接關(guān)系處理就是指確定錠軸夾頭元件、機械卷繞頭元件之間的動力學(xué)轉(zhuǎn)換關(guān)系，在動力累積量數(shù)值足夠大的情況下，如若使錠軸夾頭元件、機械卷繞頭元件均保持自由連接狀態(tài)，則有可能導(dǎo)致橫動導(dǎo)絲出現(xiàn)過于明顯的形變，故而為解決此問題，可以分別對二者的動力學(xué)狀態(tài)進行求解，再通過聯(lián)合計算的方式，確定聯(lián)接關(guān)系處理結(jié)果[14-15]。具體計算流程如下：

錠軸夾頭元件的動力學(xué)狀態(tài)：

(1)

機械卷繞頭元件的動力學(xué)狀態(tài)：

(2)

聯(lián)接關(guān)系處理表達式：

(3)

2.2 變卷裝轉(zhuǎn)化

變卷裝轉(zhuǎn)化從動力學(xué)角度出發(fā)，聯(lián)合多個動力參量，在確定高速卷繞機橫動導(dǎo)絲實時形變量的同時，判斷錠軸夾頭元件、機械卷繞頭元件之間的聯(lián)接關(guān)系是否符合控制系統(tǒng)的動力學(xué)建模需求[16]。如果STM32F103控制器能夠?qū)Ω咚倬砝@機橫動導(dǎo)絲零部件進行直接調(diào)試，那么就表示當(dāng)前情況下推導(dǎo)所得機械元件聯(lián)接關(guān)系能夠符合控制系統(tǒng)的動力學(xué)建模需求。所謂“變”是對高速卷繞機運動狀態(tài)的描述，受到動力作用的影響，橫動導(dǎo)絲元件的實時形變量并不能保持絕對穩(wěn)定的數(shù)值狀態(tài)，因此在求解變卷裝轉(zhuǎn)化表達式時，應(yīng)對多個不同的導(dǎo)絲形變量參數(shù)進行同步取值[17]。設(shè)i1、i2、…、in表示n個隨機選取的高速卷繞機橫動導(dǎo)絲形變量參數(shù)，其取值條件滿足公式(4)所示的數(shù)學(xué)表達式。

(4)

聯(lián)立式(3)、式(4)，可將變卷裝轉(zhuǎn)化表達式定義為：

(5)

式中，q表示與STM32F103控制器運行狀態(tài)相匹配的變積分參數(shù)。如果高速卷繞機設(shè)備未能在STM32F103控制器元件的配合下實現(xiàn)對橫動導(dǎo)絲的卷裝處理，那么式(5)也就無法求得實值結(jié)果。

2.3 橫動導(dǎo)絲同步渦動頻率

同步渦動描述了高速卷繞機設(shè)備中電量信號的渦流傳輸行為，由正向渦動、逆向渦動兩種形式共同組成。橫動導(dǎo)絲作為高速卷繞機設(shè)備中的核心負載元件，其對于正向渦動的規(guī)定就是指由設(shè)備正向轉(zhuǎn)動而帶來的電量信號渦流傳輸行為(逆向渦動是指由設(shè)備逆向轉(zhuǎn)動而帶來的電量信號渦流傳輸行為)，一般來說，兩類渦動指標(biāo)的頻率水平不可能相等，且正方向上頻率指標(biāo)的取值始終較大，故而規(guī)定正向同步渦動參量的取值為ymax、逆向同步渦動參量的取值為ymin。設(shè)U表示橫動導(dǎo)絲內(nèi)的動力負載向量，且U≠0的不等式取值條件恒成立，若U>0則表示系統(tǒng)主機在控制高速卷繞機時承載正向力學(xué)作用，若U<0則表示系統(tǒng)主機在控制高速卷繞機時承載逆向力學(xué)作用[18-19]。在上述物理量的支持下，聯(lián)立式(5)，推導(dǎo)橫動導(dǎo)絲同步渦動頻率的計算結(jié)果如下：

(6)

如果兩個同步渦動參量的取值方向相同，則規(guī)定數(shù)值較小的一個參量指標(biāo)為ymin，另一個則為ymax(如兩個同步渦動參量的取值同時為負方向，在對其數(shù)值進行對比時，首先應(yīng)求解兩個參數(shù)指標(biāo)的絕對值結(jié)果)。

2.4 彈性微分方程

STM32F103控制器元件是具有彈性作用能力的微分應(yīng)用設(shè)備，其對于高速卷繞機橫動導(dǎo)絲的控制遵循彈性微分思想，所以即便是在同步渦動頻率求解數(shù)值不能保持規(guī)律分布狀態(tài)的情況下，經(jīng)過多次微分處理，STM32F103元件依然可以實現(xiàn)對高速卷繞機橫動導(dǎo)絲結(jié)構(gòu)的精準(zhǔn)控制[20]。所謂彈性微分就是一種較為理想化的微分處理思想，特別是在同步渦動參量取值不唯一的情況下，這種處理方式能夠?qū)M動導(dǎo)絲形變量參數(shù)細化為多個極為接近的參量指標(biāo)，且彈性思想要求，任意兩個指標(biāo)之間的差值水平都不會超過當(dāng)前情況下橫動導(dǎo)絲形變量的真實數(shù)值。對于彈性微分方程的求解滿足公式(7)：

(7)

3 模態(tài)控制量

模態(tài)控制量并不是一個實體概念，但對于高速卷繞機橫動導(dǎo)絲控制系統(tǒng)而言，其實際控制能力受到STM32F103元件的直接影響，故而根據(jù)邊界條件推導(dǎo)模態(tài)控制量指標(biāo)，將決定有限元模態(tài)系數(shù)是否能夠適應(yīng)控制系統(tǒng)的實時運行需求。

3.1 邊界條件

受到STM32F103控制器運行特性的影響，高速卷繞機橫動導(dǎo)絲控制系統(tǒng)設(shè)計過程中所涉及的所有邊界條件均為有限元邊界，且具體邊界范圍的限定還必須考慮彈性微分方程表達式的實際求解結(jié)果。邊界是一個相對寬泛的數(shù)值范圍，由于控制系統(tǒng)的實際運行需求是有效調(diào)節(jié)高速卷繞機橫動導(dǎo)絲的形變量水平，所以在推導(dǎo)邊界條件表達式時，應(yīng)在同一機械運動平面內(nèi)選取大量的數(shù)據(jù)樣本，以保證所得結(jié)果能夠?qū)⒄鎸嵾吔缤耆ㄔ趦?nèi)[22-23]。對于邊界條件的計算如下：

(8)

3.2 有限元模態(tài)系數(shù)

(9)

受到STM32F103控制器運行特性的影響，如果有限元模態(tài)系數(shù)求解結(jié)果與邊界條件表達式不匹配，則表示系統(tǒng)主機不能對高速卷繞機橫動導(dǎo)絲進行有效控制。

4 實驗結(jié)果與分析

4.1 實驗準(zhǔn)備

橫動導(dǎo)絲是具有一定彎曲能力的設(shè)備元件，對于高速卷繞機設(shè)備而言，在力學(xué)作用下，橫動導(dǎo)絲的形變量越大，其與帶電卷棒之間的間隔距離就越小，當(dāng)前情況下，由于機械元件間滑動摩擦力的不斷增大，設(shè)備結(jié)構(gòu)運行過程所承擔(dān)的相對阻力也會隨之增大，而這種阻力作用就是導(dǎo)致高速卷繞機空轉(zhuǎn)問題的主要原因。因此本次實驗的核心目的就是選擇應(yīng)用系統(tǒng)對橫動導(dǎo)絲形變量進行控制，從而避免高速卷繞機空轉(zhuǎn)問題的出現(xiàn)。以圖5所示的高速卷繞機設(shè)備作為實驗對象，借助雙絞線將電機設(shè)備與220 V交流電源相連，使舵輪進入轉(zhuǎn)動狀態(tài)，待其轉(zhuǎn)速達到額定標(biāo)準(zhǔn)水平后，開始實驗。

圖5 實驗用高速卷繞機設(shè)備

舵機轉(zhuǎn)動為橫動導(dǎo)絲提供了力學(xué)作用，而電機則為橫動導(dǎo)絲提供了電力作用，因此高速卷繞機設(shè)備的運行能力受到力學(xué)、電學(xué)作用的同時影響。

4.2 流程與步驟

本次實驗的具體實施流程如下：

1)將圖5所示的高速卷繞機設(shè)備接入實驗環(huán)境，閉合控制開關(guān)。

2)以本文中基于STM32F103的高速卷繞機橫動導(dǎo)絲控制系統(tǒng)作為實驗組應(yīng)用方法，記錄在該系統(tǒng)控制下，導(dǎo)絲形變量的實驗數(shù)值。

3)以文獻[3]中基于穩(wěn)態(tài)視覺誘發(fā)電位的控制系統(tǒng)作為A對照組應(yīng)用方法，記錄在該系統(tǒng)控制下，導(dǎo)絲形變量的實驗數(shù)值。

4)以文獻[4]中基于RBF網(wǎng)絡(luò)的矢量控制系統(tǒng)作為B對照組應(yīng)用方法，記錄在該系統(tǒng)控制下，導(dǎo)絲形變量的實驗數(shù)值。

5)將所得實驗結(jié)果與橫動導(dǎo)絲變形極值進行對比，總結(jié)實驗規(guī)律。

4.3 結(jié)果討論

對于高速卷繞機橫動導(dǎo)絲變形極值的求解滿足下式：

σ=ξ×ψ

(10)

其中：ξ表示勁度系數(shù)，ψ表示承力參量，本次實驗過程中，σ取值恒為10.0 mm。

空卷狀態(tài)下的導(dǎo)絲形變量如圖6所示。

圖6 導(dǎo)絲形變量(空卷狀態(tài))

空卷狀態(tài)下，實驗組導(dǎo)絲形變量保持先增大、再穩(wěn)定、最后繼續(xù)增大的數(shù)值變化態(tài)勢，A對照組、B對照組導(dǎo)絲形變量則都保持不斷增大的變化態(tài)勢，當(dāng)力學(xué)作用強度達到8.0×108N時，實驗組最大值為0.77 mm、A對照組最大值為1.26 mm、B對照組最大值為1.62 mm，很明顯實驗組導(dǎo)絲形變水平最低。

滿卷狀態(tài)下的導(dǎo)絲形變量如圖7所示。

圖7 導(dǎo)絲形變量(滿卷狀態(tài))

滿卷狀態(tài)下，實驗組、A對照組、B對照組導(dǎo)絲形變量都保持不斷增大的數(shù)值變化態(tài)勢，當(dāng)力學(xué)作用強度達到8.0×108N時，實驗組最大值為8.35 mm、A對照組最大值為12.24 mm(超過導(dǎo)絲變形極值)、B對照組最大值為11.90 mm(超過導(dǎo)絲變形極值)，很明顯實驗組導(dǎo)絲形變水平最低。

綜上可知本次實驗結(jié)論為：

1)基于穩(wěn)態(tài)視覺誘發(fā)電位的控制系統(tǒng)、基于RBF網(wǎng)絡(luò)的矢量控制系統(tǒng)的應(yīng)用，不足以使橫動導(dǎo)絲形變量始終小于變形極值，所以在特定情況下，依然有可能存在高速卷繞機空轉(zhuǎn)的問題。

2)基于STM32F103的高速卷繞機橫動導(dǎo)絲控制系統(tǒng)的應(yīng)用，空卷狀態(tài)下、滿卷狀態(tài)下橫動導(dǎo)絲形變量均小于導(dǎo)絲變形極值，這就表示高速卷繞機的空轉(zhuǎn)問題能夠得到較好解決，符合對機械設(shè)備元件進行有效控制的實際應(yīng)用需求。

5 結(jié)束語

高速卷繞機橫動導(dǎo)絲控制系統(tǒng)在STM32F103控制器元件的支持下，聯(lián)結(jié)CPU主控電路、錠軸夾頭與機械卷繞頭零部件，求解高速卷繞機的動力學(xué)建模表達式，又根據(jù)有限元模態(tài)系數(shù)的求解結(jié)果，確定模態(tài)控制量的實際取值范圍。相較于基于穩(wěn)態(tài)視覺誘發(fā)電位的控制系統(tǒng)、基于RBF網(wǎng)絡(luò)的矢量控制系統(tǒng)，這種新型系統(tǒng)的應(yīng)用，可以解決因橫動導(dǎo)絲形變量過大而造成的高速卷繞機空轉(zhuǎn)問題，實現(xiàn)對機械設(shè)備元件的有效控制。