CN101551647A

CN101551647A - 基于微控制器智能控制系统的粗纱机

Info

Publication number: CN101551647A
Application number: CNA2009100263472A
Authority: CN
Inventors: 徐旭; 蒋学军; 佘志强; 孙平
Original assignee: Jiangsu Zhonghui Textile Machinery Co Ltd
Current assignee: Jiangsu Zhonghui Textile Machinery Co Ltd
Priority date: 2009-04-21
Filing date: 2009-04-21
Publication date: 2009-10-07

Abstract

本发明公开了一种基于微控制器智能控制系统的粗纱机，在粗纱机上设置有控制装置，其中第二微控制器与安装在锭翼电机上的锭翼变频器连接，第三微控制器与安装在罗拉电机上的罗拉变频器连接，第四微控制器与安装在卷绕电机上的卷绕变频器连接，第五微控制器与安装在升降电机上的升降变频器连接；所述第一为控制器用于控制第二微控制器、第三微控制器、第四微控制器、第五微控制器、第六微控制器以及存储器；所述光电隔离器分别与锭翼电机、罗拉电机、卷绕电机、升降电机、第二微控制器、第三微控制器、第四微控制器、第五微控制器以及第六微控制器连接。本发明节约了控制成本，提高了纺纱同步控制精度和效率。

Description

基于微控制器智能控制系统的粗纱机

技术领域

本发明涉及一种纺纱领域的粗纱机，特别是一种基于微控制器智能控制系统的粗纱机。

背景技术

目前的电脑粗纱机相对于传统粗纱机的主要改进之处在于锭翼、罗拉、龙筋升降和筒管的传动控制直接使用相应的4单元传动系统来取代传统的单电机传动，使用单板机、PLC或IPC同步控制交流变频器来驱动电机直接对机构进行传动。虽然现有电脑粗纱机变频传动控制系统较传统粗纱机的纯机械传动已大为改进，但仍有几个值得注意的问题。

一是同步控制效果不够理想。目前使用的电脑粗纱机多以4轴和7轴电机同步传动为主，且4轴同步方式最为典型。在4轴同步的系统中，4台电机分别驱动锭翼等机构，这些机构负载量差别很大，而且负载形式也不同，例如：锭翼电机近似风机负载，而龙筋升降电机则是直线负载。各机构采用的电机也有变频电机及伺服电机之分。电机的实际输出还受电机特性和负载形式的影响，这些因素的综合作用使得准确控制电机同步运行的难度增加。

二是抗干扰问题，电脑粗纱机的控制系统在实际使用过程中存在着各种干扰信号，常见的干扰包括对串行通讯的干扰，I/O信号传输的干扰，触摸屏的干扰，中断程序的干扰以及对集团编码器的干扰等等，如果不解决好干扰引起的问题，各个电机的开、关和速度控制都会影响，结果导致电脑粗纱机的纺纱质量下降。

三是控制系统成本偏高。许多高级电脑粗纱机的控制系统使用了更复杂的控制算法，通常以PLC，或IPC为核心或二者配合使用因IPC价格较高，使整系统偏高。

发明内容

发明目的：本发明所要解决的技术问题是针对现有技术的不足，提供一种基于微控制器智能控制系统的粗纱机。

技术方案：本发明公开了一种基于微控制器智能控制系统的粗纱机，在粗纱机上设置有控制装置，所述控制装置包括互相连接的第一微控制器、第二微控制器、第三微控制器、第四微控制器、第五微控制器、第六微控制器、光电隔离器以及存储器；其中第二微控制器与安装在锭翼电机上的锭翼变频器连接，第三微控制器与安装在罗拉电机上的罗拉变频器连接，第四微控制器与安装在卷绕电机上的卷绕变频器连接，第五微控制器与安装在升降电机上的升降变频器连接；所述第一为控制器用于控制第二微控制器、第三微控制器、第四微控制器、第五微控制器、第六微控制器以及存储器；所述光电隔离器分别与锭翼电机、罗拉电机、卷绕电机、升降电机、第二微控制器、第三微控制器、第四微控制器、第五微控制器以及第六微控制器连接。

本发明中，优选地，所述第六微控制器还与一触摸屏连接。

本发明在硬件上采用基于嵌入式并行处理的设计思想，以多个MCU组合成的嵌入式系统代替分离的电机控制器；在软件上使用基于自适应预测的智能控制算法，能综合考虑电机种类、纺纱材料、小纱至大纱的张力变化验室以及车间的相对湿度等因素，并自动进行相应的调整，以保证卷绕张力从粗纱机启动至停止始终恒定，控制系统由六个微控制器构成的MCU阵列单元、4台变频器，触摸屏、E²PROM存储器、控制信号输出接口，光电隔离等组成。

有益效果：本发明针对目前普遍使用的电脑粗纱机控制系统的不足之处，提出了一种新型的电脑粗纱机控制系统方案，在硬件上采用MCU阵列代替现有的IPC+PLC结构，在提高同步控制精度的同时，降低了系统的硬件成本，其主要部件的费用仅为现有系统的20％-30％，同时I²C总线的应用使系统具有很强的抗干扰能力。其软件采用智能化的自适应预测算法，使恒张力的控制精度提高了约10％左右。

附图说明

下面结合附图和具体实施方式对本发明做更进一步的具体说明，本发明的上述和/或其他方面的优点将会变得更加清楚。

图1为本发明所述基于微控制器智能控制系统的粗纱机控制装置部分示意图。

图2为本发明所述基于微控制器智能控制系统的粗纱机实施例示意图。

具体实施方式：

如图1所示，本发明公开了一种基于微控制器智能控制系统的粗纱机，在粗纱机上设置有控制装置，所述控制装置包括互相连接的第一微控制器1、第二微控制器2、第三微控制器3、第四微控制器4、第五微控制器5、第六微控制器6、光电隔离器以及存储器；其中第二微控制器与安装在锭翼电机上的锭翼变频器连接，第三微控制器与安装在罗拉电机上的罗拉变频器连接，第四微控制器与安装在卷绕电机上的卷绕变频器连接，第五微控制器与安装在升降电机上的升降变频器连接；所述第一为控制器用于控制第二微控制器、第三微控制器、第四微控制器、第五微控制器、第六微控制器以及存储器；所述光电隔离器分别与锭翼电机、罗拉电机、卷绕电机、升降电机、第二微控制器、第三微控制器、第四微控制器、第五微控制器以及第六微控制器连接。所述第六微控制器6还与一触摸屏连接。

本发明汇总软件上使用基于自适应预测的智能控制算法，能综合考虑电机种类、纺纱材料、小纱至大纱的张力变化验室以及车间的相对湿度等因素，并自动进行相应的调整，以保证卷绕张力从粗纱机启动至停止始终恒定。

更具体地说，如图2所示，本发明的控制系统由MCU阵列单元1～6、4台变频器，触摸屏、E²PROM、控制信号输出接口，光电隔离等组成，其结构如图1所示。

MCU 1负责工艺数据、控制模型参数、控制算法实时整定参数等管理和处理，将参数保存到E²PROM中，MCU 2～5分别控制锭翼、罗拉、筒管和龙筋升降机构的变频器、变频器在控制信号作用下分别驱动各自电机，电机的转速通过光电编码器测量出来，经光电隔离后送至相应的MCU单元处理，MCU 6为主控单元，负责完成协调整个阵列的信息交换，各电机转速控制的匹配以及人机界面的控制。

从整个系统结构图可以看出，控制系统中形成了两个完整的闭环控制，其一速度闭环，其二为张力控制闭环，将这种硬件结构与软件上的自适应系统预测算法相配合，可以有效保证卷绕张力控制的准确性和快速性。

控制系统硬件系统结构如图所示。E²PROM为电可擦除只读存储器，专门用来保存系统的各种配置参数值。由于存入该芯片中的信息掉电之后不会丢失，因而保证了系统在意外情况下停止之后，能在下次开始时依旧保持最后一次正常工作的工况，极大地方便了纺纱车间的管理。

MCU采用飞利浦公司的P89LPC932型号微控制器。LPC932采用高性能的处理器结构，指令执行时间只需求到来个时钟周期，6倍于标准80C51器件。同时，它还集成了许多系统级的功能，可大幅度减少外围元件的数量和电路板的面积，使整个系统的成本非常低廉。全部MCU都通过I2C总线连接成一个整体，以便进行高速的数据通信。由于各MCU间能快速共享信息，因而每台电机在使用较复杂的算法控制时也能保证实时性，从而为电机在更好的同步状态下运行提供了保障。

使用I²C总线连接MCU和SPI总线连接外围设备及光电编码器，还使系统更紧凑并具有更好的抗干扰能力。许多现有的系统，如山西经纬FA436型粗纱机，河北FA467型粗纱机也都采用CAN总线以及PC104嵌入式总线开发，以减少干扰。此外，I2C总线及SPI总线均具有备主从式控制方式，使系统使用单个主MCU就完成了其他系统中上位机需要完成的功能。换言之，以5个MCU(1主4从)的体系结构代替了其他系统IPC(作为上位机)加上PLC(作为下位机)体系结构。

为最大程度减少用户的投资，同时使控制系统具有更好的适应性，在设计硬件系统时，采用标准RS485作为与变频器进行通讯的协议。将富士、日立、西门子、西门4XO，EM-ERSON、三菱，施耐德、丹弗斯等变频器参数保存在E²PROM中，在使用时只需在菜单上根据需要选择，8种不同公司生产的变频器直接相连而不需要任何附加的设置。

为提供良好的人机界面，控制系统提供了触摸屏用来做人机交互。触摸屏驱动摸块由1号MCU负责控制，驱动LCD显示及处理触摸屏的输入信号。

对于无锥轮电脑粗纱机而言，控制软件设计的关键是科学，正确地设定一落纱中纱管卷绕转速以及锭翼的速度。因为它们直接影响着卷绕张力的控制和纺纱离心力的控制。经过理论分析和推导可知，筒管转速nb、锭翼转速ns和前罗拉速度Vf的关系可表示为：

Nb＝ns+Vf/π〔D0+2πδ₁+(n-1)/Δ〕

式中，D0为筒管空管直径mm；

δ₁为始绕厚度mm；

n为卷绕层数；

Δ为纱层增值差；

始绕厚度δ1主要受粗纱定量和粗纱密度影响，卷绕层数会在卷绕过程中不断变化，而纱层增值差主要受锭翼结构压掌形式影响。

基于多个微控制器和粗纱控制系统则使用完全不同的方法，整个算法的核心是自适应预测控制，自适应控制的优点是具备学习能力，而预测控制MPC的主要优点是在线处理控制量和状态量的约束并通过滚动优化，使其动态满足要求。

将自适应控制思想与预测控制相结合，集其优点为一体，只需在第一次使用系统时，由操作人员点动调整若干次，就可由光电编码器的反馈信号测得该纺纱机相关参数，并进行自整定。

虽然软件的核心算法相对复杂，但其界面设计却简单明了，使得软件核心的复杂性对用户的操作来说是透明的，为使用户更容易掌握各项功能，系统在触摸屏上提供了信WINDOWS风格的用户界面，且有很多图形化符号提示。

用户能方便地设定卷绕系数，卷绕厚度、捻度等纺纱工艺参数，通过移动滚动条，还可以对“纺纱速度设定”及“成形工艺设定”的参数进行设定。

整个操作都在触摸屏上进行，并且对用户输入的不合理参数，系统会给出相应的提示，从而使系统的使用更加人性化。

以上针对目前普遍使用的电脑粗纱机控制系统的不足之处，提出了一种新型的电脑粗纱机控制系统方案，在硬件上创新性采用MCU阵列代替现有的IPC+PLC结构，在提高性能的同时，大降低了系统的硬件成本，其主要部件(不含变频器)的费用仅为现有系统的20％-30％。同时I²C总线的应用使系统具有很强的抗干扰能力。

软件对现有的算法进行了革新，采用智能化的自适应预测算法，使恒张力的控制精度提高了约10％左右。整个系统目前已在机型上投入使用，6块MCU分工协作，同时工作，不仅提高了整机的运算速度，使设备运行精度提高，适于高速运行，同时提高了计算机的运行可靠性。

本发明提供了一种基于微控制器智能控制系统的粗纱机的思路及方法，具体实现该技术方案的方法和途径很多，以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。本实施例中未明确的各组成部份均可用现有技术加以实现。

Claims

1、一种基于微控制器智能控制系统的粗纱机，其特征在于，在粗纱机上设置有控制装置，所述控制装置包括互相连接的第一微控制器、第二微控制器、第三微控制器、第四微控制器、第五微控制器、第六微控制器、光电隔离器以及存储器；其中第二微控制器与安装在锭翼电机上的锭翼变频器连接，第三微控制器与安装在罗拉电机上的罗拉变频器连接，第四微控制器与安装在卷绕电机上的卷绕变频器连接，第五微控制器与安装在升降电机上的升降变频器连接；所述第一为控制器用于控制第二微控制器、第三微控制器、第四微控制器、第五微控制器、第六微控制器以及存储器；所述光电隔离器分别与锭翼电机、罗拉电机、卷绕电机、升降电机、第二微控制器、第三微控制器、第四微控制器、第五微控制器以及第六微控制器连接。

2、根据权利要求1所述的基于微控制器智能控制系统的粗纱机，其特征在于，所述第六微控制器还与一触摸屏连接。