CN207193517U - 嵌入式电脑横机控制系统 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开一种嵌入式电脑横机控制系统，包括主控单元，以及与主控单元相连的多个电机、电磁铁和检测传感器，其中，所述主控单元包括主处理器，以及通过CAN模块与主处理器相连的MCU；所述电机包括与主处理器相连的伺服电机、力矩电机，以及与MCU相连的步进电机；所述电磁铁包括与MCU相连的选针器电磁体、换纱电磁铁和动作电磁铁。本实用新型所述的嵌入式电脑横机控制系统采用独立的主处理器，可以外加flash芯片等扩充存储容量，存储更多的花型数据，同时采用MCU单独控制机头，使速度可达到1.2米/秒，在错误率方面，可控制织布出错概率在1%之内，达到了工业生产的要求。

Description

嵌入式电脑横机控制系统

技术领域

本实用新型涉及一种嵌入式电脑横机控制系统，属于机械控制技术领域。

背景技术

要实现对横机的全自动化控制，并使横机能够正常的完成编织工作，需要对多个电机、电磁铁、同步检测信号进行控制。目前常规的横机控制系统更多的是以机械结构为主，控制部分多采用简单的单片机芯片处理，数据存储量不大，无法满足大量花型的需要，同时也需要人工手动操作，限制了工作效率。而且，现有的机头速度达不到1米/秒。

有鉴于此，本实用新型人对此进行研究，专门开发出一种嵌入式电脑横机控制系统，本案由此产生。

实用新型内容

本实用新型的目的是提供一种嵌入式电脑横机控制系统。

为了实现上述目的，本实用新型的解决方案是：

嵌入式电脑横机控制系统，包括主控单元，以及与主控单元相连的多个电机、电磁铁和检测传感器，其中，所述主控单元包括主处理器，以及通过CAN模块与主处理器相连的MCU；所述电机包括与主处理器相连的伺服电机、力矩电机，以及与MCU 相连的步进电机；所述电磁铁包括与MCU相连的选针器电磁体、换纱电磁铁和动作电磁铁。

作为优选，所述选针器电磁体通过第一隔离驱动电路与MCU相连，所述换纱电磁铁、动作电磁铁通过第二隔离驱动电路与MCU相连，所述步进电机通过第三隔离驱动电路与MCU相连。

作为优选，所述步进电机包括与MCU相连的密度电机和压脚电机。

作为优选，所述控制系统还包括与主处理器相连的摇床电机。

作为优选，所述检测传感器包括分别与主处理器相连的电机检测传感器、针床检测传感器和故障信号检测传感器。

作为优选，所述主处理器采用型号为S3C2440的处理器。

作为优选，所述主处理器还连接有存储器，用于花型数据等存储。

作为优选，所述CAN模块采用型号为MCP2515的CAN 控制器。

本实用新型所述的嵌入式电脑横机控制系统采用独立的主处理器，可以外加flash芯片等扩充存储容量，存储更多的花型数据，同时采用MCU单独控制机头，使速度可达到1.2米/秒，在错误率方面，可控制织布出错概率在1%之内，达到了工业生产的要求。

以下结合附图及具体实施例对本实用新型做进一步详细描述。

附图说明

图1为本实施例的嵌入式电脑横机控制系统框图；

图2为本实施例的MCU接口扩展示意框图；

图3为本实施例的第一隔离驱动电路原理图；

图4为电磁铁的示意图；

图中COM 接 24V 电压，G1、G2 分别接图5的输出控制信号输出1、输出2；

图5为本实施例的第二隔离驱动电路原理图；

图6为本实施例的第三隔离驱动电路原理图。

具体实施方式

如图1所示，嵌入式电脑横机控制系统，包括主控单元1，以及与主控单元1相连的1套伺服电机2，1套力矩电机3，11 套步进电机，64 个选针器电磁铁5(用于控制每个织针是否被选中)，16 个换纱电磁铁6(用于选择纱嘴)，12 个动作电磁铁7(用于控制花板上的三角与压片，控制织针走不同的编织轨迹)，电机检测传感器9、针床检测传感器10和故障信号检测传感器11（包括断纱、落布、撞针等）。所述主控单元1包括主处理器101，以及通过CAN模块102与主处理器相连的MCU103。其中，64 个选针器电磁铁5通过第一隔离驱动电路12与MCU103相连，16 个换纱电磁铁6、12 个动作电磁铁7通过第二隔离驱动电路13与MCU103相连，所述11 套步进电机包括 8 套用于控制编织密度的密度电机15，2 套用于控制压脚的压脚电机8，1 套用于控制摇床的摇床电机4；所述密度电机15和压脚电机8通过第三隔离驱动电路14与MCU103相连，所述摇床电机4与主处理器101相连。所述电机检测传感器9、针床检测传感器10和故障信号检测传感器11分别与主处理器101的输入端相连，所述伺服电机2和力矩电机3分别与主处理器101的输出端相连。所述伺服电机2用于驱动机头运动，通过同步传送带带动机头在导轨上往复运动；所述力矩电机3用于驱动罗拉牵拉机构。

在本实施例中，所述主处理器101采用型号为S3C2440的微处理器，主要用于电脑横机编织控制、检测横机运行状态、读取花型数据文件、接受键盘输入、显示各种编织参数。所述主处理器101还连接有存储器16，具体可以选用flash芯片等，用于存储花型数据，所述花型数据包含花型信息，还有编织中要做出的选针数据以及控制数据，花型数据通过 U 盘传输给与主处理器相连的flash芯片。

由于主处理器S3C2440A 内部没有集成 CAN 控制器，需要选用独立的 CAN模块实现 CAN 通信功能，本实施例的CAN模块102选用Microchip 公司的CAN 控制器MCP2515，其符合 CAN2.0B 技术规范，用于实现 CAN 总线上报文发送与接受的所有功能，并可以通过检测相应的寄存器来确定总线故障与状态；通过 SPI 接口实现与主处理器之间的通信，内部的所有寄存器都可以通过 SPI 接口进行读写。

所述MCU103主要用于机头子系统控制，具体选用的是基于 ARM 的 Cortex-M3 内核的微控制器，具有 32-bit 的高性能，其内部集成大众多外设，系统集成度高，大大缩小了电路板的面积，节约成本。机头子系统需要控制的器件众多，采用 CPLD 扩展 MCU 的接口，可以方便的控制每一个受控的器件独立动作。通过MCU 片内集成的 EPI 与 CPLD 连接，采用传统的三种线结构，即数据总线、地址总线、控制总线，实现两者之间的通信，另外CPLD 的时钟也是由该 MCU 提供的。机头子系统中的 CPLD 采用 Altera 公司的 MAXⅡ系列的芯片，该款芯片跟同类器件相比成本大大降低，大约为其他同类 CPLD 的一半，器件采用 0.18 微米工艺，功耗也大大降低。

机头子系统需要输出的控制信号有：16 个换纱电磁铁6，每个电磁铁需要两个控制信号，共需要32 路控制信号；10 个步进电机（其中有 8 个用于控制编织物密度的度目电机，2 个生克电机），每个电机需要 4 路控制信号（ 1 路控制方向，1 路输出驱动脉冲，2路用于配置步进电机驱动芯片），总共需要 40 路输出信号；8 个选针器电磁铁，每个选针器电磁铁有 8 把刀片，每个刀片需要 2 个控制信号，总共需要 128 路控制信号；12个控制三角和压片的动作电磁铁，每个电磁铁需要2 个输出信号控制，总共需要 24路控制信号。如图2所示，需要扩展如此多的输出接口，机头子系统需用到3 片 CPLD，其内部首先实现译码输出片选信号，片选译码模块的输入为 MCU 地址线ADDR[8:7]，译码信号将不同控制功能模块的输出信号映射到不同的存储器地址上，通过对相应地址执行写操作输出具体控制信号。根据不同的功能，结合机头内机械器件的位置，分别将两个编织系统的选针器和动作电磁铁采用独立的 CPLD 实现，每片 CPLD 扩展出 88 路控制信号，换纱电磁铁采用独立的一片 CPLD 实现输出信号的接口扩展。机头子系统的接口扩展实质上就是通过译码电路实现的，另外实现输出信号的锁存功能。换纱电磁铁模块需要 32 路控制信号，设计一个 5-32 的译码电路既可以实现，输入信号为来自机头子系统的主控制 MCU的 EPI 模块的地址线 ADDR[4:0]；选针器电磁铁和三角及压片动作电磁铁模块需要 88 路控制信号，译码电路的输入信号需要的地址线为 ADDR[6:0]。步进电机的控制信号采用 74 系列的译码和锁存芯片实现，机头子系统主控制 MCU 的地址线 ADDR[5:3]译码输出片选信号 CS[5:0]，ADDR[2:0]经74HC259 译码后产生用于控制每一个具体步进电机的控制信号。

所述MCU接口扩展输出的控制信号传输给具体的机械器件之前还要经过隔离驱动电路，使信号足够驱动要控制的机械器件，机头子系统底层的驱动电路包括：用于驱动选针器电磁铁5的第一隔离驱动电路12、用于驱动换纱电磁铁6、动作电磁铁7的第二隔离驱动电路13，用于驱动密度电机15、压脚电机8的第三隔离驱动电路14。

1）第一隔离驱动电路12

本实施例选用电磁式选针器，用电磁铁控制刀片的上下运动。电磁式选针器的原理是：利用电磁感应效应，给线圈通不同方向的电流，由于电磁感应在线圈上就会产生不同的极性，进而可以驱动选针器的刀片运动。控制电磁铁动作的电路要采用瞬间通电的方式，防止通电时间过长造成功率过大将电磁铁烧坏的故障发生，由于选针器电磁铁需要的驱动力比较小，所以电磁铁的通电时间很短就可以驱动刀片运动。驱动选针器刀片的电磁铁选用的是具有双稳态的电磁铁，线圈缠绕的铁芯选用的是永磁体，具有磁保持的能力，这样就可以保证在线圈断电后，选针器的刀片状态仍然可以保持。在有些系统中选针器没有磁保持的能力，采用二级控制的方式，首先通过一个较大的电压驱动选针器的刀片动作，动作完成后还要提供一个比较小的电压是线圈保持极性，握持住选针器的刀片。这样的系统不仅控制复杂，电路结构相对也较复杂，本系统很好的解决了这一问题，并且降低了系统的功耗。本实施例所述控制系统的每个选针器有 8 把刀片，每个刀片由一个双向磁保持电磁铁控制，每个选针器有 9 个输入接口，其中 8 把刀片每个由一个输入信号控制，共占用 8个输入端口，另外一个是公共端，用于接地。对应每个刀片的输入端口连接到驱动增强电路的对应输出端口上，有输出端口的不同电压值控制选择器内线圈的电流流向，从而使铁芯产生不同的极性。在驱动电路中除了要有驱动增强功能外，还增加了光耦隔离的功能，这样能有效的将外部的高电压以及大电流与内部的控制信号隔离开来，提高了系统的抗干扰能力，进而提高了系统的稳定性和可靠性，如图3所示，当两个信号输入电平相同时，选针器电磁铁不会改变状态，只有当两个输入端输入不同的电平时电磁铁状态才会改变，驱动刀片动作。从图中可以看出，不同的输入信号组合输出的电压值不同，由于选针器的公共端接地，输入不同的电压值线圈的电流方向正好相反，铁芯的极性也就相反，这就是选针器的工作原理。

2）第二隔离驱动电路13

不同于选针器电磁铁，用于选择导纱器的电磁铁和机头中三角及压片的驱动电磁铁采用的是另一种电磁铁，这种电磁铁也是具有双稳态的双向自保持电磁铁，不同的是这种电磁铁具有两个线圈，三个输入端，其中一端是公共端。这种电磁铁的控制原理是：将公共端接+24V电源，另外两端接驱动电路的输出信号，输出信号其中一个为低电平，另一个为高阻态时，只有一个线圈有效，电磁铁动作，两个输出信号均为高阻态时，电磁铁保持不变。电磁铁的示意图如图4所示。

如图5所示，电磁铁输入端输入1、输入2只能有一个为低电平，不能同时为低电平，另一个为高阻态，此时对应的线圈中没有电流。当输入1的控制信号为低电平时，电磁铁的铁芯运动到A位置处；输入2的控制信号为低电平时，电磁铁的铁芯运动到B 位置处，铁芯在A、B位置分别表示选中电磁铁和释放电磁铁。在控制此类电磁铁时同样要求电磁铁线圈只能瞬间通电，足够保证铁芯完成动作即可，由于该电磁铁的需要的驱动力比选针器电磁铁要大，所以通电时间相对较长，为15ms左右。

3）第三隔离驱动电路14

本实施例中选用的步进电机是两相步进电机，驱动信号由驱动芯片直接输出，具体选用 TOSHIBA（东芝）公司的专门用于驱动步进电机的双极性驱动芯片，该芯片可实现整步、1/2 细分、 1/8 细分、 1/16 细分步进电机驱动模式；对步进电机实现正反向控制，是一款高性能的步进电机驱动芯片。第三隔离驱动电路的控制信号经光耦隔离后输出给驱动芯片，电路原理图如图 6所示。每个电机需要四个控制信号，分别为脉冲信号、方向控制信号、两个模式选择信号，其中脉冲信号对时间要求比较高，选用高速的光耦隔离器件。

上述实施例和图式并非限定本实用新型的产品形态和式样，任何所属技术领域的普通技术人员对其所做的适当变化或修饰，皆应视为不脱离本实用新型的专利范畴。

Claims (7)

1.嵌入式电脑横机控制系统，其特征在于：包括主控单元，以及与主控单元相连的多个电机、电磁铁和检测传感器，其中，所述主控单元包括主处理器，以及通过CAN模块与主处理器相连的MCU；所述电机包括与主处理器相连的伺服电机、力矩电机，以及与MCU 相连的步进电机；所述电磁铁包括与MCU相连的选针器电磁体、换纱电磁铁和动作电磁铁；所述选针器电磁体通过第一隔离驱动电路与MCU相连，所述换纱电磁铁、动作电磁铁通过第二隔离驱动电路与MCU相连，所述步进电机通过第三隔离驱动电路与MCU相连。

2.如权利要求1所述的嵌入式电脑横机控制系统，其特征在于：所述步进电机包括与MCU相连的密度电机和压脚电机。

3.如权利要求1所述的嵌入式电脑横机控制系统，其特征在于：所述控制系统还包括与主处理器相连的摇床电机。

4.如权利要求1所述的嵌入式电脑横机控制系统，其特征在于：所述检测传感器包括分别与主处理器相连的电机检测传感器、针床检测传感器和故障信号检测传感器。

5.如权利要求1所述的嵌入式电脑横机控制系统，其特征在于：所述主处理器采用型号为S3C2440的处理器。

6.如权利要求1所述的嵌入式电脑横机控制系统，其特征在于：所述主处理器还连接有存储器。

7.如权利要求1所述的嵌入式电脑横机控制系统，其特征在于：所述CAN模块型号为MCP2515的CAN 控制器。