CN104032422A - 基于fpga的纺机单锭控制系统及方法 - Google Patents

Abstract

本发明提出一种基于FPGA的纺机单锭控制系统及方法，包括人机交互界面、主控制模块、N个8路无刷直流电机控制器和8*N个无刷直流电机。本发明根据设定的纱线速度自动协调控制各锭子电机的转速，从而提高了工作效率和纱线成型质量。本发明通过CAN总线在一台纺织机设备上有效协调多台无刷直流电机间的转速，淘汰齿轮传动，减少龙带传动环节，实现纺机设备的高转速、高精度和高效率运行，大幅度降低电动驱动装置的工作能耗，减少噪声等污染。本发明采用基于ARM和FPGA的8路无刷直流电机控制器，真正实现织机的单锭单控制，同时结构简单，成本低，维护使用方便。

Description

基于FPGA的纺机单锭控制系统及方法

技术领域

本发明属于电子技术应用领域，具体属于纺织电子技术，具体涉及一种基于FPGA的纺机单锭控制系统及方法。

背景技术

纱线成型是影响纺纱品质的关键技术，传统的纺织机械设备，如短纤倍捻机、化纤倍捻机、气流纺纱机、加弹机、并纱机、槽筒机、包覆丝机、直捻机等，无论是从国外进口还是国内自主研发，其纱线导轮成型系统均由大量的机械结构组成，它包括齿轮传动机构、凸轮往复机构、齿轮润滑机构、修边装置等，由齿轮箱来驱动横动杆左右横动，从而带动导纱装置让纱线规则均匀地绕在绕线筒上。这些纺机设备均存在以下不足之处：①整套机构由铸铁件组成，体积大，重量重，整机能耗大；检修麻烦，需要耗费大量人力。②机构由许多齿轮传动构成，存在磨损与咬合的问题，磨损大，故障率高；③凸轮往复存在往复速度不能太高的先天不足，导致一些纺织机械由于导丝速度限制而使整机效率低、产量低；④很多高要求成型不能完成，例如需无规则的防叠成型就不能完成；⑤齿轮箱润滑油需频繁更换，一年需更换两次，每次15公斤，在天气寒冷的北方，需要使用专用的防冻润滑油，保养成本高；⑥导丝动程相对比较短，一般为170mm—200mm，若需要再增加动程必须增加齿轮箱的体积和重量；⑦横动的频率不易控制，特别是横动的频率无法与卷绕速率相配合，影响了纱线成品的质量。

国家十二五纺织产业发展规划对纺织产业的节能减排提出了新的更高的要求，整个纺织产业在十二五期间要实现节能20％的目标；同时随着近几年劳动力成本和能源价格的大幅上升，纺织产业正迫切希望加快纺织机械设备的技术进步，应用高效节能电机、电机变频调速技术、电子技术和计算机技术来武装传统的纺机设备，从而大幅度降低纺机设备能耗，同时提高纺机的运行效率和纺织成品的质量。目前，国内正重点研究推进一锭一电机架构---单绽控制的新型纺机设备，通过淘汰齿轮传动、皮带传动，实现纺机设备的高转速、高精度和高效率运行，大幅度降低传动装置的工作能耗；重点研究多电机协调控制技术、纱线张力控制技术、嵌入式工业控制器、工业以太网、CAN现场总线、数控技术等，通过协调控制每绽纱线工作电机的转速，减少能源浪费，同时保持每绽纱线速度的同步性和稳定性，提高纱线成品质量和工作效率。

发明内容

本发明目的在于针对现有纺机设备中电机传动和卷绕成型装置的技术之不足，提出一种基于FPGA的纺机单锭控制系统及方法。

为实现以上目的，本发明采用的技术方案为：

基于FPGA的纺机单锭控制系统包括人机交互界面、主控制模块、N个8路无刷直流电机控制器和8*N个无刷直流电机；其中1≤N≤100。

所述的人机交互界面包括群创的8寸LCD数字屏和触摸屏；

所述的主控制模块包括ARM处理器STM32F429、CAN主驱动模块和地址设定装置；

所述的每个8路无刷直流电机控制器包括ARM处理器STM32F103、FPGA处理器、三相桥式驱动芯片IR2133、CAN从驱动模块和地址设定装置；所述的CAN从驱动模块通过CAN总线接口与主控制模块的CAN总线接口相连，主控制模块通过FSMC总线接口与FPGA模块的普通IO口相连，FPGA模块通过普通IO口分别与三相桥式驱动芯片IR2133控制口和无刷直流电机的霍尔信号相连；

所述的人机交互界面的8寸LCD数字屏和触摸屏与主控制模块的ARM处理器STM32F429自带的LCD控制器接口连接，主控制模块中CAN主驱动模块的CAN通信接口与每个8路无刷直流电机控制器中的CAN从驱动模块的CAN通信接口连接，每个8路无刷直流电机控制器与8路无刷直流电机的U、V、W信号和霍尔信号相连；

所述的8*N个无刷直流电机选用高转速无刷直流电机；

基于FPGA的纺机单锭控制方法，包括以下步骤：

步骤(1)：主控制模块通过其地址设定装置将地址设定为0，1号～N号段，8路无刷直流电机控制器通过其各自的地址设定装置将地址依次设定为1、2、3……N；

步骤(2)：主控制模块的ARM处理器获取人机交互界面装置中的单锭控制指令信息，将其转换为CAN命令并存储于主控制模块内存中；主控制模块通过其中的CAN主驱动模块，将存储于主控制模块内存中的CAN命令下发给1号～N号段8路无刷直流电机控制器；

步骤(3)：1号～N号段8路无刷直流电机控制器通过各自的CAN从驱动模块接收主控制模块下发的CAN命令；1号～N号段8路无刷直流电机控制器分析该命令的地址与自己的地址相符时，读取该命令的内容并转换成单锭控制指令信息，将其存储于8路无刷直流电机控制器内存中；

步骤(4)：1号～N号段8路无刷直流电机控制器的ARM处理器根据获取的单锭控制指令信息，自动调节1号～N号段8路无刷直流电机控制器所在段的无刷直流电机驱动电机l_i(i＝1,2......8)的PWM占空比δ_i(i＝1,2......8)，并通过FSMC总线将PWM占空比δ_i传给FPGA处理器，通过FPGA处理器独立控制各自的无刷直流电机l_i的转速；

步骤(5)：1号～N号段8路无刷直流电机控制器各自的FPGA处理器通过周期法获得各自的无刷直流电机l_i霍尔传感器信号的频率，并计算出各自的无刷直流电机l_i实际转速测量值ν_i(i＝1,2......8)，并通过FSMC总线将各自的无刷直流电机驱动电机l_i的实际转速v_i传给各自的8路无刷直流电机控制器的ARM处理器，各自的8路无刷直流电机控制器的ARM处理器根据各自的电机实际转速v_i与设定转速值进行对比，然后协调和修正各自的无刷直流电机l_i的转速，确保单锭控制系统能自动完成纱线成型。

本发明有益效果是：本发明提出基于FPGA的纺机单锭控制系统及方法，根据设定的纱线速度自动协调控制各锭子电机的转速，从而提高了工作效率和纱线成型质量。本发明通过CAN总线在一台纺织机设备上有效协调多台无刷直流电机间的转速，淘汰齿轮传动，减少龙带传动环节，实现纺机设备的高转速、高精度和高效率运行，大幅度降低电动驱动装置的工作能耗，减少噪声等污染。本发明采用基于ARM和FPGA的8路无刷直流电机控制器，真正实现织机的单锭单控制，同时结构简单，成本低，维护使用方便。

附图说明

图1为本发明的电路原理框图。

具体实施方式

如图1所示，基于FPGA的纺机单锭控制系统包括人机交互界面、主控制模块、N个8路无刷直流电机控制器和8*N个无刷直流电机；其中1≤N≤100。

所述的人机交互界面包括群创的8寸LCD数字屏和触摸屏；

所述的主控制模块包括ARM处理器STM32F429、CAN主驱动模块和地址设定装置；

所述的8路无刷直流电机控制器包括ARM处理器STM32F103、FPGA处理器、三相桥式驱动芯片IR2133、CAN从驱动模块和地址设定装置；所述的CAN从驱动模块通过CAN总线接口与MCU模块的CAN总线接口相连，MCU模块通过FSMC总线接口与FPGA模块的普通IO口相连，FPGA模块通过普通IO口分别与三相桥式驱动芯片IR2133控制口和无刷直流电机的霍尔信号相连；

所述的8*N个无刷直流电机选用高转速无刷直流电机；

所述的人机交互界面的8寸LCD数字屏和触摸屏与主控制模块的ARM处理器STM32F429自带的LCD控制器接口连接，主控制模块中CAN主驱动模块的CAN通信接口与每个8路无刷直流电机控制器中的CAN从驱动模块的CAN通信接口连接，每个8路无刷直流电机控制器与8路无刷直流电机的U、V、W信号和霍尔信号相连；

基于FPGA的纺机单锭控制方法，包括以下步骤：

步骤(1)：主控制模块通过其地址设定装置将地址设定为0，1号～N号段8路无刷直流电机控制器通过其各自的地址设定装置将地址依次设定为1、2、3……N；

步骤(2)：主控制模块的ARM处理器获取人机交互界面装置中的单锭控制指令信息，将其转换为CAN命令并存储于主控制模块内存中；主控制模块通过其中的CAN主驱动模块，将存储于主控制模块内存中的CAN命令下发给1号～N号段8路无刷直流电机控制器；

步骤(3)：1号～N号段8路无刷直流电机控制器通过各自的CAN从驱动模块接收主控制模块下发的CAN命令；1号～N号段8路无刷直流电机控制器分析该命令的地址与自己的地址相符时，读取该命令的内容并转换成单锭控制指令信息，将其存储于8路无刷直流电机控制器内存中；

步骤(4)：1号～N号段8路无刷直流电机控制器的ARM处理器根据获取的单锭控制指令信息，自动调节1号～N号段8路无刷直流电机控制器所在段的无刷直流电机驱动电机l_i(i＝1,2......8)的PWM占空比δ_i(i＝1,2......8)，并通过FSMC总线将PWM占空比δ_i传给各自的FPGA处理器，通过各自的FPGA处理器独立控制各自的无刷直流电机l_i的转速；

步骤(5)：1号～N号段8路无刷直流电机控制器各自的FPGA处理器通过周期法获得各自的无刷直流电机l_i霍尔传感器信号的频率，并计算出各自的无刷直流电机l_i实际转速测量值ν_i(i＝1,2......8)，并通过FSMC总线将各自的无刷直流电机驱动电机l_i的实际转速v_i传给各自的8路无刷直流电机控制器的ARM处理器，各自的8路无刷直流电机控制器的ARM处理器根据各自的电机实际转速v_i与设定转速值进行对比，然后协调和修正各自的无刷直流电机l_i的转速，确保单锭控制系统能自动完成纱线成型。

Claims (4)

1.基于FPGA的纺机单锭控制系统，包括人机交互界面、主控制模块、N个8路无刷直流电机控制器和8*N个无刷直流电机；其中1≤N≤100；

其特征在于:所述的主控制模块包括ARM处理器STM32F429、CAN主驱动模块和地址设定装置；

所述的每个8路无刷直流电机控制器包括ARM处理器STM32F103、FPGA处理器、三相桥式驱动芯片IR2133、CAN从驱动模块和地址设定装置；所述的CAN从驱动模块通过CAN总线接口与主控制模块的CAN总线接口相连，主控制模块通过FSMC总线接口与FPGA模块的普通IO口相连，FPGA模块通过普通IO口分别与三相桥式驱动芯片IR2133控制口和无刷直流电机的霍尔信号相连；

所述的人机交互界面的8寸LCD数字屏和触摸屏与主控制模块的ARM处理器STM32F429自带的LCD控制器接口连接，主控制模块中CAN主驱动模块的CAN通信接口与每个8路无刷直流电机控制器中的CAN从驱动模块的CAN通信接口连接，每个8路无刷直流电机控制器与8路无刷直流电机的U、V、W信号和霍尔信号相连。

2.根据权利要求1所述的基于FPGA的纺机单锭控制系统，其特征在于：所述的8*N个无刷直流电机选用高转速无刷直流电机。

3.根据权利要求1所述的基于FPGA的纺机单锭控制系统，其特征在于：所述的人机交互界面包括群创的8寸LCD数字屏和触摸屏。

4.一种如权利要求1所述的基于FPGA的纺机单锭控制系统的控制方法，其特征在于：包括以下步骤：

步骤(1)：主控制模块通过其地址设定装置将地址设定为0，1号～N号段，8路无刷直流电机控制器通过其各自的地址设定装置将地址依次设定为1、2、3……N；

步骤(2)：主控制模块的ARM处理器获取人机交互界面装置中的单锭控制指令信息，将其转换为CAN命令并存储于主控制模块内存中；主控制模块通过其中的CAN主驱动模块，将存储于主控制模块内存中的CAN命令下发给1号～N号段8路无刷直流电机控制器；

步骤(3)：1号～N号段8路无刷直流电机控制器通过各自的CAN从驱动模块接收主控制模块下发的CAN命令；1号～N号段8路无刷直流电机控制器分析该命令的地址与自己的地址相符时，读取该命令的内容并转换成单锭控制指令信息，将其存储于8路无刷直流电机控制器内存中；

步骤(4)：1号～N号段8路无刷直流电机控制器的ARM处理器根据获取的单锭控制指令信息，自动调节1号～N号段8路无刷直流电机控制器所在段的无刷直流电机驱动电机l_i(i＝1,2......8)的PWM占空比δ_i(i＝1,2......8)，并通过FSMC总线将PWM占空比δ_i传给FPGA处理器，通过FPGA处理器独立控制各自的无刷直流电机l_i的转速；

步骤(5)：1号～N号段8路无刷直流电机控制器各自的FPGA处理器通过周期法获得各自的无刷直流电机l_i霍尔传感器信号的频率，并计算出各自的无刷直流电机l_i实际转速测量值ν_i(i＝1,2......8)，并通过FSMC总线将各自的无刷直流电机驱动电机l_i的实际转速v_i传给各自的8路无刷直流电机控制器的ARM处理器，各自的8路无刷直流电机控制器的ARM处理器根据各自的电机实际转速v_i与设定转速值进行对比，然后协调和修正各自的无刷直流电机l_i的转速，确保单锭控制系统能自动完成纱线成型。