基于fpga的紡機單錠控制系統及方法
【專利摘要】本發明提出一種基于FPGA的紡機單錠控制系統及方法，包括人機交互界面、主控制模塊、N個8路無刷直流電機控制器和8*N個無刷直流電機。本發明根據設定的紗線速度自動協調控制各錠子電機的轉速，從而提高了工作效率和紗線成型質量。本發明通過CAN總線在一臺紡織機設備上有效協調多臺無刷直流電機間的轉速，淘汰齒輪傳動，減少龍帶傳動環節，實現紡機設備的高轉速、高精度和高效率運行，大幅度降低電動驅動裝置的工作能耗，減少噪聲等污染。本發明采用基于ARM和FPGA的8路無刷直流電機控制器，真正實現織機的單錠單控制，同時結構簡單，成本低，維護使用方便。
【專利說明】基于FPGA的紡機單錠控制系統及方法
【技術領域】
[0001]本發明屬于電子技術應用領域，具體屬于紡織電子技術，具體涉及一種基于FPGA的紡機單錠控制系統及方法。
【背景技術】
[0002]紗線成型是影響紡紗品質的關鍵技術，傳統的紡織機械設備，如短纖倍捻機、化纖倍捻機、氣流紡紗機、加彈機、并紗機、槽筒機、包覆絲機、直捻機等，無論是從國外進口還是國內自主研發，其紗線導輪成型系統均由大量的機械結構組成，它包括齒輪傳動機構、凸輪往復機構、齒輪潤滑機構、修邊裝置等，由齒輪箱來驅動橫動桿左右橫動，從而帶動導紗裝置讓紗線規則均勻地繞在繞線筒上。這些紡機設備均存在以下不足之處:①整套機構由鑄鐵件組成，體積大，重量重，整機能耗大；檢修麻煩，需要耗費大量人力。②機構由許多齒輪傳動構成，存在磨損與咬合的問題，磨損大，故障率高；③凸輪往復存在往復速度不能太高的先天不足，導致一些紡織機械由于導絲速度限制而使整機效率低、產量低；④很多高要求成型不能完成，例如需無規則的防疊成型就不能完成；⑤齒輪箱潤滑油需頻繁更換，一年需更換兩次，每次15公斤，在天氣寒冷的北方，需要使用專用的防凍潤滑油，保養成本高導絲動程相對比較短,一般為170mm — 200mm，若需要再增加動程必須增加齒輪箱的體積和重量；⑦橫動的頻率不易控制，特別是橫動的頻率無法與卷繞速率相配合，影響了紗線成品的質量。
[0003]國家十二五紡織產業發展規劃對紡織產業的節能減排提出了新的更高的要求，整個紡織產業在十二五期間要實現節能20%的目標；同時隨著近幾年勞動力成本和能源價格的大幅上升，紡織產業正迫切希望加快紡織機械設備的技術進步，應用高效節能電機、電機變頻調速技術、電子技術和計算機技術來武裝傳統的紡機設備，從而大幅度降低紡機設備能耗，同時提高紡機的運行效率和紡織成品的質量。目前，國內正重點研究推進一錠一電機架構一單綻控制的新型紡機設備，通過淘汰齒輪傳動、皮帶傳動，實現紡機設備的高轉速、高精度和高效率運行，大幅度降低傳動裝置的工作能耗；重點研究多電機協調控制技術、紗線張力控制技術、嵌入式工業控制器、工業以太網、CAN現場總線、數控技術等，通過協調控制每綻紗線工作電機的轉速，減少能源浪費，同時保持每綻紗線速度的同步性和穩定性，提高紗線成品質量和工作效率。
【發明內容】
[0004]本發明目的在于針對現有紡機設備中電機傳動和卷繞成型裝置的技術之不足，提出一種基于FPGA的紡機單錠控制系統及方法。
[0005]為實現以上目的，本發明采用的技術方案為:
[0006]基于FPGA的紡機單錠控制系統包括人機交互界面、主控制模塊、N個8路無刷直流電機控制器和8*N個無刷直流電機；其中I≤ N≤ 100。
[0007]所述的人機交互界面包括群創的8寸IXD數字屏和觸摸屏；[0008]所述的主控制模塊包括ARM處理器STM32F429、CAN主驅動模塊和地址設定裝置；
[0009]所述的每個8路無刷直流電機控制器包括ARM處理器STM32F103、FPGA處理器、三相橋式驅動芯片IR2133、CAN從驅動模塊和地址設定裝置；所述的CAN從驅動模塊通過CAN總線接口與主控制模塊的CAN總線接口相連，主控制模塊通過FSMC總線接口與FPGA模塊的普通1 口相連，FPGA模塊通過普通1 口分別與三相橋式驅動芯片IR2133控制口和無刷直流電機的霍爾信號相連；
[0010]所述的人機交互界面的8寸IXD數字屏和觸摸屏與主控制模塊的ARM處理器STM32F429自帶的IXD控制器接口連接，主控制模塊中CAN主驅動模塊的CAN通信接口與每個8路無刷直流電機控制器中的CAN從驅動模塊的CAN通信接口連接，每個8路無刷直流電機控制器與8路無刷直流電機的U、V、W信號和霍爾信號相連；
[0011]所述的8*N個無刷直流電機選用高轉速無刷直流電機；
[0012]基于FPGA的紡機單錠控制方法，包括以下步驟:
[0013]步驟(1):主控制模塊通過其地址設定裝置將地址設定為0，I號~N號段，8路無刷直流電機控制器通過其各自的地址設定裝置將地址依次設定為1、2、3……N ；
[0014]步驟(2):主控制模塊的ARM處理器獲取人機交互界面裝置中的單錠控制指令信息，將其轉換為CAN命令并存儲于主控制模塊內存中；主控制模塊通過其中的CAN主驅動模塊，將存儲于主控制模 塊內存中的CAN命令下發給I號~N號段8路無刷直流電機控制器；
[0015]步驟(3):1號~N號段8路無刷直流電機控制器通過各自的CAN從驅動模塊接收主控制模塊下發的CAN命令；I號~N號段8路無刷直流電機控制器分析該命令的地址與自己的地址相符時，讀取該命令的內容并轉換成單錠控制指令信息，將其存儲于8路無刷直流電機控制器內存中；
[0016]步驟(4):1號~N號段8路無刷直流電機控制器的ARM處理器根據獲取的單錠控制指令信息，自動調節I號~N號段8路無刷直流電機控制器所在段的無刷直流電機驅動
電機IiQ = 1,2......8)的PWM占空比δ^α = 1,2......8)，并通過FSMC總線將PWM占
SKSi傳給FPGA處理器，通過FPGA處理器獨立控制各自的無刷直流電機Ii的轉速；
[0017]步驟(5):1號~N號段8路無刷直流電機控制器各自的FPGA處理器通過周期法獲得各自的無刷直流電機Ii霍爾傳感器信號的頻率，并計算出各自的無刷直流電機Ii實際
轉速測量值V i α = 1，2......8)，并通過FSMC總線將各自的無刷直流電機驅動電機Ii的
實際轉速Vi傳給各自的8路無刷直流電機控制器的ARM處理器，各自的8路無刷直流電機控制器的ARM處理器根據各自的電機實際轉速Vi與設定轉速值進行對比，然后協調和修正各自的無刷直流電機Ii的轉速，確保單錠控制系統能自動完成紗線成型。
[0018]本發明有益效果是:本發明提出基于FPGA的紡機單錠控制系統及方法，根據設定的紗線速度自動協調控制各錠子電機的轉速，從而提高了工作效率和紗線成型質量。本發明通過CAN總線在一臺紡織機設備上有效協調多臺無刷直流電機間的轉速，淘汰齒輪傳動，減少龍帶傳動環節，實現紡機設備的高轉速、高精度和高效率運行，大幅度降低電動驅動裝置的工作能耗，減少噪聲等污染。本發明采用基于ARM和FPGA的8路無刷直流電機控制器，真正實現織機的單錠單控制，同時結構簡單，成本低，維護使用方便。
【專利附圖】
【附圖說明】[0019]圖1為本發明的電路原理框圖。
【具體實施方式】
[0020]如圖1所示，基于FPGA的紡機單錠控制系統包括人機交互界面、主控制模塊、N個8路無刷直流電機控制器和8*N個無刷直流電機；其中KNS 100。
[0021]所述的人機交互界面包括群創的8寸IXD數字屏和觸摸屏；
[0022]所述的主控制模塊包括ARM處理器STM32F429、CAN主驅動模塊和地址設定裝置；
[0023]所述的8路無刷直流電機控制器包括ARM處理器STM32F103、FPGA處理器、三相橋式驅動芯片IR2133、CAN從驅動模塊和地址設定裝置；所述的CAN從驅動模塊通過CAN總線接口與MCU模塊的CAN總線接口相連，MCU模塊通過FSMC總線接口與FPGA模塊的普通1口相連，FPGA模塊通過普通1 口分別與三相橋式驅動芯片IR2133控制口和無刷直流電機的霍爾信號相連；
[0024]所述的8*N個無刷直流電機選用高轉速無刷直流電機；
[0025]所述的人機交互界面的8寸IXD數字屏和觸摸屏與主控制模塊的ARM處理器STM32F429自帶的IXD控制器接口連接，主控制模塊中CAN主驅動模塊的CAN通信接口與每個8路無刷直流電機控制器中的CAN從驅動模塊的CAN通信接口連接，每個8路無刷直流電機控制器與8路無刷直流電機的U、V、W信號和霍爾信號相連； [0026]基于FPGA的紡機單錠控制方法，包括以下步驟:
[0027]步驟(1):主控制模塊通過其地址設定裝置將地址設定為0，I號~N號段8路無刷直流電機控制器通過其各自的地址設定裝置將地址依次設定為1、2、3……N ;
[0028]步驟(2):主控制模塊的ARM處理器獲取人機交互界面裝置中的單錠控制指令信息，將其轉換為CAN命令并存儲于主控制模塊內存中；主控制模塊通過其中的CAN主驅動模±夾，將存儲于主控制模塊內存中的CAN命令下發給I號~N號段8路無刷直流電機控制器；
[0029]步驟(3):1號~N號段8路無刷直流電機控制器通過各自的CAN從驅動模塊接收主控制模塊下發的CAN命令；I號~N號段8路無刷直流電機控制器分析該命令的地址與自己的地址相符時，讀取該命令的內容并轉換成單錠控制指令信息，將其存儲于8路無刷直流電機控制器內存中；
[0030]步驟(4):1號~N號段8路無刷直流電機控制器的ARM處理器根據獲取的單錠控制指令信息，自動調節I號~N號段8路無刷直流電機控制器所在段的無刷直流電機驅動
電機IiQ = 1,2......8)的PWM占空比δ^α = 1,2......8)，并通過FSMC總線將PWM占
SKSi傳給各自的FPGA處理器，通過各自的FPGA處理器獨立控制各自的無刷直流電機Ii的轉速；
[0031]步驟(5):1號~N號段8路無刷直流電機控制器各自的FPGA處理器通過周期法獲得各自的無刷直流電機Ii霍爾傳感器信號的頻率，并計算出各自的無刷直流電機Ii實際
轉速測量值V i α = 1，2......8)，并通過FSMC總線將各自的無刷直流電機驅動電機Ii的
實際轉速Vi傳給各自的8路無刷直流電機控制器的ARM處理器，各自的8路無刷直流電機控制器的ARM處理器根據各自的電機實際轉速Vi與設定轉速值進行對比，然后協調和修正各自的無刷直流電機Ii的轉速，確保單錠控制系統能自動完成紗線成型。
【權利要求】
1.基于FPGA的紡機單錠控制系統，包括人機交互界面、主控制模塊、N個8路無刷直流電機控制器和8*N個無刷直流電機；其中I < N < 100 ; 其特征在于:所述的主控制模塊包括ARM處理器STM32F429、CAN主驅動模塊和地址設定裝置； 所述的每個8路無刷直流電機控制器包括ARM處理器STM32F103、FPGA處理器、三相橋式驅動芯片IR2133、CAN從驅動模塊和地址設定裝置；所述的CAN從驅動模塊通過CAN總線接口與主控制模塊的CAN總線接口相連，主控制模塊通過FSMC總線接口與FPGA模塊的普通1 口相連，FPGA模塊通過普通1 口分別與三相橋式驅動芯片IR2133控制口和無刷直流電機的霍爾信號相連； 所述的人機交互界面的8寸LCD數字 屏和觸摸屏與主控制模塊的ARM處理器STM32F429自帶的IXD控制器接口連接，主控制模塊中CAN主驅動模塊的CAN通信接口與每個8路無刷直流電機控制器中的CAN從驅動模塊的CAN通信接口連接，每個8路無刷直流電機控制器與8路無刷直流電機的U、V、W信號和霍爾信號相連。
2.根據權利要求1所述的基于FPGA的紡機單錠控制系統，其特征在于:所述的8*N個無刷直流電機選用高轉速無刷直流電機。
3.根據權利要求1所述的基于FPGA的紡機單錠控制系統，其特征在于:所述的人機交互界面包括群創的8寸IXD數字屏和觸摸屏。
4.一種如權利要求1所述的基于FPGA的紡機單錠控制系統的控制方法，其特征在于:包括以下步驟: 步驟(1):主控制模塊通過其地址設定裝置將地址設定為0，I號~N號段，8路無刷直流電機控制器通過其各自的地址設定裝置將地址依次設定為1、2、3……N ; 步驟(2):主控制模塊的ARM處理器獲取人機交互界面裝置中的單錠控制指令信息，將其轉換為CAN命令并存儲于主控制模塊內存中；主控制模塊通過其中的CAN主驅動模塊，將存儲于主控制模塊內存中的CAN命令下發給I號~N號段8路無刷直流電機控制器； 步驟⑶:1號~N號段8路無刷直流電機控制器通過各自的CAN從驅動模塊接收主控制模塊下發的CAN命令；I號~N號段8路無刷直流電機控制器分析該命令的地址與自己的地址相符時，讀取該命令的內容并轉換成單錠控制指令信息，將其存儲于8路無刷直流電機控制器內存中； 步驟(4):1號~N號段8路無刷直流電機控制器的ARM處理器根據獲取的單錠控制指令信息，自動調節I號~N號段8路無刷直流電機控制器所在段的無刷直流電機驅動電機li(i = 1,2......8)的PWM占空比SiQ = 1,2......8)，并通過FSMC總線將PWM占空比δ i傳給FPGA處理器，通過FPGA處理器獨立控制各自的無刷直流電機Ii的轉速； 步驟(5):1號~N號段8路無刷直流電機控制器各自的FPGA處理器通過周期法獲得各自的無刷直流電機Ii霍爾傳感器信號的頻率，并計算出各自的無刷直流電機Ii實際轉速測量值ViQ = 1,2......8)，并通過FSMC總線將各自的無刷直流電機驅動電機Ii的實際轉速Vi傳給各自的8路無刷直流電機控制器的ARM處理器，各自的8路無刷直流電機控制器的ARM處理器根據各自的電機實際轉速Vi與設定轉速值進行對比，然后協調和修正各自的無刷直流電機Ii的轉速，確保單錠控制系統能自動完成紗線成型。
【文檔編號】D01H13/00GK104032422SQ201410242377
【公開日】2014年9月10日 申請日期:2014年5月30日 優先權日:2014年5月30日
【發明者】高明煜, 劉云飛, 黃繼業, 曾毓, 何志偉 申請人:杭州電子科技大學