基于開關磁阻電機直驅技術的噴氣織機控制系統的制作方法
【專利摘要】本實用新型公開了一種基于開關磁阻電機直驅技術的噴氣織機控制系統，本實用新型包括主控制卡、氣閥控制卡、電源卡、多臂控制卡、功率控制卡、電子絞邊控制卡和開關磁阻電機控制模塊；所述的主控制卡、氣閥控制卡、電源卡、多臂控制卡、功率控制卡和電子絞邊控制卡之間通過高速LVDS板級總線相連，主控制卡和開關磁阻電機控制模塊采用高速光纖CAN總線相連。本系統引入了開關磁阻電機直驅技術，使噴氣織機車速最高能達2000rpm，開關磁阻電機可以實現小電流大扭矩輸出，開關磁阻電機控制系統自帶調速功能，力矩調整系統，特別是力矩調整織布機布面質量和風格有著決定性作用，而這是靠變頻器無法實現的，同時也起到節能降耗的作用。
【專利說明】
【技術領域】
[0001] 本實用新型涉及的紡織領域，特指是一種基于開關磁阻電機直驅技術的噴氣織機 控制系統。 基于開關磁阻電機直驅技術的噴氣織機控制系統
【背景技術】
[0002] 傳統控制系統要么采用PLC控制系統，但因為其響應速度慢，小于800轉/分的織 機控制還算可以，但隨著速度的提供，PLC控制系統逐漸下降；另外國內部分系統采用傳統 的單片機，使用10或通信連接各個子功能模塊，性能雖有些提升，但并沒有本質性的提高。 為此我們提出了基于FPGA技術的噴氣織機控制系統核心，關鍵信號的處理全部采用硬邏 輯實現，其響應速度和純軟件技術不是一個數量級，而系統中的非實時功能采用軟核來處 理，另外為提高系統的可靠性，所以關鍵信號的處理，以及信號連接都采用了冗余技術，各 子系統的連接也采用當前先進的低壓差分總線技術（LVDS)來滿足各子系統通信的高可靠 和高速度。而對于開關磁阻電機控制系統，其電磁干擾非常強烈，普通電纜連接非常容易將 干擾引入到控制系統本身，但其通信速度要求又非常高，為此本系統特設計了光纖通信接 口用于連接開關磁阻電機控制系統。
[0003] 由于機械結構的原因，傳統噴氣織機需要兩路電源系統，一路是正常的工頻電源， 另一路為提供給系統慢車、找緯等動作的變頻電源，同時為了提高系統啟動力矩，控制系統 一般都帶有所謂的超啟動(三角形與星型電路)電路連接。這種方案確實能滿足大部分噴氣 織機需求，但該系統還有方案還有較大改進空間以提高系統能效比，降低電氣和機械復雜 度，甚至實現可變打緯力控制，為此我們在系統中引入了開關磁阻電機直驅技術，開關磁阻 電機可以實現小電流大扭矩輸出，是織機直驅技術的最好選擇，開關磁阻電機控制系統自 帶調速功能，力矩調整系統，特別是力矩調整織布機布面質量和風格有著決定性作用，而這 是靠變頻器無法實現的。
【發明內容】
[0004] 本實用新型針對現有技術的不足，提出一種基于開關磁阻電機直驅技術的噴氣織 機控制系統。
[0005] 為實現以上目的，本實用新型采用的技術方案為：
[0006] 基于開關磁阻電機直驅技術的噴氣織機控制系統，包括主控制卡、氣閥控制卡、電 源卡、多臂控制卡、功率控制卡、電子絞邊控制卡和開關磁阻電機控制模塊；
[0007] 所述的主控制卡、氣閥控制卡、電源卡、多臂控制卡、功率控制卡和電子絞邊控制 卡之間通過高速LVDS板級總線連接，主控制卡和開關磁阻電機控制模塊采用高速光纖CAN 總線連接；
[0008] 所述的主控制卡包括32位NIOS II軟核FPGA主處理器、32位ARM協處理器，32位 NIOS II軟核FPGA主處理器通過總線與32位ARM協處理器；角度傳感器接器、張力傳感器、 10串化器、人機界面、脈沖指令接口、探緯傳感器、探經傳感器、溫度傳感器、氣壓傳感器、油 壓傳感器分別與32位ARM協處理器的一個I/O 口連接；
[0009] 所述的多臂控制卡為32位ARM處理器，提花輔剎控制器和多臂分別與32位ARM 處理器的一個I/O 口連接；
[0010] 所述的電源卡包括32位ARM處理器和多路開關電源；
[0011] 所述的功率控制卡為2位ARM處理器，自動潤滑系統、輔剎和輔剎溫度傳感器分別 與2位ARM處理器的一個I/O 口連接；
[0012] 所述的電子絞邊控制卡為32位ARM處理器；
[0013] 所述的開關磁阻電機控制模塊包括CAN通信模塊、MCU模塊、旋轉變壓器解碼模 塊、功率驅動模塊、電流傳感器模塊、母線電壓檢測模塊、制動模塊和整流濾波模塊；
[0014] 所述的MCU模塊的4路PWM輸出管腳與功率驅動模塊的IGBT驅動芯片的信號輸 入管腳相連，功率驅動模塊的驅動芯片的電流過流報警反饋引腳與MCU模塊的普通I/O 口 相連，功率驅動模塊輸入電壓連接到整流濾波模塊，整流濾波模塊與母線電壓檢測模塊的 輸入信號端口相連，母線電壓檢測模塊的輸出信號端口連接到MCU模塊的普通10 口，制動 模塊的輸入信號端口連接到MCU模塊的普通10 口，制動模塊的輸出信號端口與整流濾波模 塊連接，功率驅動模塊的一路不對稱橋輸出驅動信號端口與電流傳感器的輸入引腳相連， 電流傳感器模塊的電流傳感器信號輸出接口與MCU模塊的AD輸入口相連，功率驅動模塊的 四路不對稱橋輸出驅動信號端口與開關磁阻電機的四個線包輸入引腳相連，旋轉變壓器解 碼模塊的解碼芯片信號輸出接口與MCU模塊的普通SPI接口相連，旋轉變壓器解碼模塊中 通過旋轉變壓器測量開關磁阻電機的轉子位置，CAN通信模塊通信接口與MCU模塊的CAN通 信接口相連，人機交互界面的按鍵和數碼管引腳與MCU模塊的普通I/O 口連接；
[0015] 所述的CAN通信模塊采用自帶隔離的CAN收發器IS01050 ;所述的MCU模塊采用32 位STM32F103單片機；所述的旋轉變壓器解碼模塊包括旋轉變壓器和旋轉變壓器解碼芯片 AD2S1205 ;所述的功率驅動模塊包括帶有過流保護的IGBT驅動芯片A316J、4塊半橋IGBT 模塊SKM100GAR123D和4塊半橋IGBT模塊SKM100GAL123D組成4路不對稱橋；所述的電流 傳感器模塊采用電流傳感器CSNP661 ;所述的整流濾波模塊和母線電壓檢測模塊構成母線 電壓檢測功能；所述的整流濾波模塊和制動模塊構成放電功能。
[0016] 所述的氣閥控制卡為32位NIOS II軟核FPGA處理器；
[0017] 本實用新型所具有的有益效果是：本系統引入了開關磁阻電機直驅技術，使噴氣 織機車速最高能達2000rpm，開關磁阻電機可以實現小電流大扭矩輸出，是織機直驅技術的 最好選擇，開關磁阻電機控制系統自帶調速功能，力矩調整系統，特別是力矩調整織布機布 面質量和風格有著決定性作用，而這是靠變頻器無法實現的，同時也起到節能降耗的作用。 同時本系統采用基于神經網絡的氣閥自適應控制方法，讓噴氣織機的引緯能夠自適應能力 各種緯紗織造，與傳統噴氣織機引緯控制方式相比，使得不同特性的緯紗混織的情況下變 得非常方便，同時也不用特地浪費大量壓縮空氣來調大噴嘴開啟時間，起到節能環保的功 效。
【專利附圖】
【附圖說明】
[0018] 圖1為本實用新型的系統框圖；
[0019] 圖2為開關磁阻電機控制模塊的結構示意圖。
【具體實施方式】
[0020] 如圖1所示，基于開關磁阻電機直驅技術的噴氣織機控制系統，包括主控制卡、氣 閥控制卡、電源卡、多臂控制卡、功率控制卡、電子絞邊控制卡和開關磁阻電機控制模塊；
[0021] 所述的主控制卡、氣閥控制卡、電源卡、多臂控制卡、功率控制卡和電子絞邊控制 卡之間通過高速LVDS板級總線連接，主控制卡和開關磁阻電機控制模塊采用高速光纖CAN 總線連接；
[0022] 所述的主控制卡包括32位NIOS II軟核FPGA主處理器、32位ARM協處理器，32位 NIOS II軟核FPGA主處理器通過總線與32位ARM協處理器；角度傳感器接器、張力傳感器、 10串化器、人機界面、脈沖指令接口、探緯傳感器、探經傳感器、溫度傳感器、氣壓傳感器、油 壓傳感器分別與32位ARM協處理器的一個I/O 口連接；
[0023] 所述的多臂控制卡為32位ARM處理器，提花輔剎控制器和多臂分別與32位ARM 處理器的一個I/O 口連接；
[0024] 所述的電源卡包括32位ARM處理器和多路開關電源；
[0025] 所述的功率控制卡為2位ARM處理器，自動潤滑系統、輔剎和輔剎溫度傳感器分別 與2位ARM處理器的一個I/O 口連接；
[0026] 所述的電子絞邊控制卡為32位ARM處理器；
[0027] 所述的開關磁阻電機控制模塊包括CAN通信模塊、MCU模塊、旋轉變壓器解碼模 塊、功率驅動模塊、電流傳感器模塊、母線電壓檢測模塊、制動模塊和整流濾波模塊；
[0028] 如圖2所示，所述的MCU模塊的4路PWM輸出管腳與功率驅動模塊的IGBT驅動芯 片的信號輸入管腳相連，功率驅動模塊的驅動芯片的電流過流報警反饋引腳與MCU模塊的 普通I/O 口相連，功率驅動模塊輸入電壓連接到整流濾波模塊，整流濾波模塊與母線電壓 檢測模塊的輸入信號端口相連，母線電壓檢測模塊的輸出信號端口連接到MCU模塊的普通 10 口，制動模塊的輸入信號端口連接到MCU模塊的普通10 口，制動模塊的輸出信號端口與 整流濾波模塊連接，功率驅動模塊的一路不對稱橋輸出驅動信號端口與電流傳感器的輸入 引腳相連，電流傳感器模塊的電流傳感器信號輸出接口與MCU模塊的AD輸入口相連，功率 驅動模塊的四路不對稱橋輸出驅動信號端口與開關磁阻電機的四個線包輸入引腳相連，旋 轉變壓器解碼模塊的解碼芯片信號輸出接口與MCU模塊的普通SPI接口相連，旋轉變壓器 解碼模塊中通過旋轉變壓器測量開關磁阻電機的轉子位置，CAN通信模塊通信接口與MCU 模塊的CAN通信接口相連，人機交互界面的按鍵和數碼管引腳與MCU模塊的普通I/O 口連 接；
[0029] 所述的CAN通信模塊采用自帶隔離的CAN收發器IS01050 ;所述的MCU模塊采用32 位STM32F103單片機；所述的旋轉變壓器解碼模塊包括旋轉變壓器和旋轉變壓器解碼芯片 AD2S1205 ;所述的功率驅動模塊包括帶有過流保護的IGBT驅動芯片A316J、4塊半橋IGBT 模塊SKM100GAR123D和4塊半橋IGBT模塊SKM100GAL123D組成4路不對稱橋；所述的電流 傳感器模塊采用電流傳感器CSNP661 ;所述的整流濾波模塊和母線電壓檢測模塊構成母線 電壓檢測功能；所述的整流濾波模塊和制動模塊構成放電功能。
[0030] 所述的氣閥控制卡為32位NIOS II軟核FPGA處理器；
[0031 ] 所述的角度傳感器接口，該接口提供一路旋轉變壓器角度解碼模塊，選擇旋轉變 壓器而不選擇更方便的光電編碼器的原因是考慮到織機糟糕的工作環境，高溫，高濕，強震 動；
[0032] 所述的張力傳感器模塊（即模擬量輸入模塊），該模塊并沒有采用傳統的ADC方 案，而是采用了 V/F變換，這樣不緊有利于系統隔離，而且FPGA采樣也非常方便；
[0033] 所述的10串化器接口，織機系統中包含大量的輸入輸出，為了提高系統的可靠 性，這些10通常都需要光或磁隔離，過多的10必然需要大量的隔離器和CPU資源，而10串 化不僅大大減少CPU資源，而且其隔離成本也是非常之低；
[0034] 所述的人機界面，主控制卡采用常見的CAN總線接口與人機界面相連；
[0035] 所述的脈沖指令接口，用于連接伺服驅動器；
[0036] 所述的探緯傳感器，系統采用基于鎖相放大技術緯紗探測方案，其靈敏度大大優 于傳統的調幅檢波檢測方案；
[0037] 所述的探經傳感器，是用于檢測斷經狀態的裝置；
[0038] 所述的溫度傳感器，是用于檢測如織機油溫，軸溫等需要進行溫度監視的機構；
[0039] 所述的氣壓傳感器，是用于檢測壓縮空氣的氣壓；
[0040] 所述的油壓傳感器，是用于監視潤滑系統油壓信息；
[0041] 所述的氣閥控制卡根據系統角度信息查詢經過神經網絡整定后的控制規律或人 工設定規律進行氣閥的開啟或關閉；
[0042] 所述的電源卡的多路開關電源各路自帶過流、過壓、欠壓等保護功能，整個系統的 電源保護集中在該控制卡完成；
[0043] 所述的功率控制卡用于驅動織機系統大電壓，大電流設備，如剎車，離合等，本系 統是使用開關磁阻電機直驅技術的織機，所以該控制主要提供輔助剎車，潤滑系統以及各 種信號燈的驅動，另外該控制卡同時監視其控制對象的溫度信息，但該功能需要被控對象 封裝溫度傳感器；
[0044] 所述的多臂控制卡實現多臂機花紋控制，并能與多臂執行機構形成閉環控制；對 于使用提花龍頭的織機，該控制卡可以提供一路提花輔助剎車控制；
[0045] 所述的電子絞邊控制卡實現電子凸輪功能。
[0046] 基于開關磁阻電機直驅技術的噴氣織機控制系統的工作過程：
[〇〇47] 控制系統實時檢測擋車工的操作命令以及織機工作狀態，如開車、停車、找緯、慢 車等命令；斷經、斷緯、故障等狀態，主控制卡將這些命令、狀態以及實時角度信息等通過 LVDS總線分發到各個子系統而其中的開關磁阻電機系統需通過光纖傳送，各子系統根據接 收到的命令狀態和角度信息來控制各個執行機構，另外為了系統的安全一個用于監視系統 離線狀態的心跳數據也在在系統內實時傳播，各個子系統會實時檢測自己在線狀態，若發 現異常則立即執行緊急停車處理。
【權利要求】
1. 基于開關磁阻電機直驅技術的噴氣織機控制系統，包括主控制卡、氣閥控制卡、電 源卡、多臂控制卡、功率控制卡、電子絞邊控制卡和開關磁阻電機控制模塊； 所述的主控制卡、氣閥控制卡、電源卡、多臂控制卡、功率控制卡和電子絞邊控制卡之 間通過高速LVDS板級總線連接，主控制卡和開關磁阻電機控制模塊采用高速光纖CAN總線 連接。
2. 根據權利要求1所述的基于開關磁阻電機直驅技術的噴氣織機控制系統，其特征在 于：所述的主控制卡包括32位NIOS II軟核FPGA主處理器、32位ARM協處理器，32位NIOS Π 軟核FPGA主處理器通過總線與32位ARM協處理器；角度傳感器接器、張力傳感器、10串 化器、人機界面、脈沖指令接口、探緯傳感器、探經傳感器、溫度傳感器、氣壓傳感器、油壓傳 感器分別與32位ARM協處理器的一個I/O 口連接。
3. 根據權利要求1所述的基于開關磁阻電機直驅技術的噴氣織機控制系統，其特征在 于：所述的多臂控制卡為32位ARM處理器，提花輔剎控制器和多臂分別與32位ARM處理器 的一個I/O 口連接。
4. 根據權利要求1所述的基于開關磁阻電機直驅技術的噴氣織機控制系統，其特征在 于：所述的電源卡包括32位ARM處理器和多路開關電源。
5. 根據權利要求1所述的基于開關磁阻電機直驅技術的噴氣織機控制系統，其特征在 于：所述的功率控制卡為2位ARM處理器，自動潤滑系統、輔剎和輔剎溫度傳感器分別與2 位ARM處理器的一個I/O 口連接。
6. 根據權利要求1所述的基于開關磁阻電機直驅技術的噴氣織機控制系統，其特征在 于：所述的電子絞邊控制卡為32位ARM處理器。
7. 根據權利要求1所述的基于開關磁阻電機直驅技術的噴氣織機控制系統，其特征在 于：所述的開關磁阻電機控制模塊包括CAN通信模塊、MCU模塊、旋轉變壓器解碼模塊、功率 驅動模塊、電流傳感器模塊、母線電壓檢測模塊、制動模塊和整流濾波模塊； 所述的MCU模塊的4路PWM輸出管腳與功率驅動模塊的IGBT驅動芯片的信號輸入管腳 相連，功率驅動模塊的驅動芯片的電流過流報警反饋引腳與MCU模塊的普通I/O 口相連，功 率驅動模塊輸入電壓連接到整流濾波模塊，整流濾波模塊與母線電壓檢測模塊的輸入信號 端口相連，母線電壓檢測模塊的輸出信號端口連接到MCU模塊的普通10 口，制動模塊的輸 入信號端口連接到MCU模塊的普通10 口，制動模塊的輸出信號端口與整流濾波模塊連接， 功率驅動模塊的一路不對稱橋輸出驅動信號端口與電流傳感器的輸入引腳相連，電流傳感 器模塊的電流傳感器信號輸出接口與MCU模塊的AD輸入口相連，功率驅動模塊的四路不對 稱橋輸出驅動信號端口與開關磁阻電機的四個線包輸入引腳相連，旋轉變壓器解碼模塊的 解碼芯片信號輸出接口與MCU模塊的普通SPI接口相連，旋轉變壓器解碼模塊中通過旋轉 變壓器測量開關磁阻電機的轉子位置，CAN通信模塊通信接口與MCU模塊的CAN通信接口 相連，人機交互界面的按鍵和數碼管引腳與MCU模塊的普通I/O 口連接； 所述的CAN通信模塊采用自帶隔離的CAN收發器IS01050 ;所述的MCU模塊采用32 位STM32F103單片機；所述的旋轉變壓器解碼模塊包括旋轉變壓器和旋轉變壓器解碼芯片 AD2S1205 ;所述的功率驅動模塊包括帶有過流保護的IGBT驅動芯片A316J、4塊半橋IGBT 模塊SKM100GAR123D和4塊半橋IGBT模塊SKM100GAL123D組成4路不對稱橋；所述的電流 傳感器模塊采用電流傳感器CSNP661 ;所述的整流濾波模塊和母線電壓檢測模塊構成母線 電壓檢測功能；所述的整流濾波模塊和制動模塊構成放電功能。
8.根據權利要求1所述的基于開關磁阻電機直驅技術的噴氣織機控制系統，其特征在 于：所述的氣閥控制卡為32位NIOS II軟核FPGA處理器。
【文檔編號】G05B19/042GK203882135SQ201420205773
【公開日】2014年10月15日 申請日期:2014年4月24日 優先權日:2014年4月24日
【發明者】李波, 章永亮, 高明煜, 金崇程, 王亮, 呂程輝, 戴岳堯 申請人:杭州坦諾電氣自動化有限公司