基于STM32F4 嵌入式的劍桿織機(jī)控制系統(tǒng)設(shè)計

葉太強，何 勇，沈小其，梁藝熒

（東華大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院，上海201620）

劍桿織機(jī)屬于無梭織機(jī)[1]，具有功能完善、產(chǎn)品適應(yīng)范圍廣、織物質(zhì)量優(yōu)量、生產(chǎn)率高等優(yōu)點，對紡織行業(yè)的發(fā)展有著舉足輕重的作用[2]。目前，意大利、德國、日本產(chǎn)劍桿織機(jī)處于領(lǐng)先地位，我國則主要生產(chǎn)并出口中低端劍桿織機(jī)，國產(chǎn)少部分高端機(jī)型在控制精確性、可靠性與穩(wěn)定性方面，與國外相比仍差距明顯[3]。因此，研發(fā)高性能的劍桿織機(jī)是國產(chǎn)劍桿織機(jī)行業(yè)研發(fā)的重點[4]。

控制系統(tǒng)是高性能劍桿織機(jī)的核心。通常情況下，用于工業(yè)控制的控制器有PLC、工控機(jī)和單片機(jī)[5]。PLC 和工控機(jī)可靠性高，屬于在單片機(jī)基礎(chǔ)上針對工業(yè)環(huán)境的二次開發(fā)，成本較高；單片機(jī)控制系統(tǒng)，內(nèi)核小，專用性強，具備系統(tǒng)實時性高、開發(fā)難度簡單等優(yōu)點，因此在工業(yè)中得到廣泛使用[6-7]。此外，單片機(jī)嵌入式系統(tǒng)，可移植性好，可以根據(jù)具體工作需求修改，能高效解決生產(chǎn)中的問題。

在此，設(shè)計了一種基于STM32F4 控制器的劍桿織機(jī)控制系統(tǒng)。該系統(tǒng)具有成本低、實時性好、抗干擾能力強、可靠性高的優(yōu)點，滿足600 r/min 轉(zhuǎn)速下穩(wěn)定生產(chǎn)的能力。

1 劍桿織機(jī)設(shè)計方案

劍桿織機(jī)利用開口、引緯、打緯、送經(jīng)和卷曲運動[8]等五大運動來形成織物。控制系統(tǒng)利用主軸角度協(xié)調(diào)五大運動，主軸旋轉(zhuǎn)1 周為1 個織造周期[9]。根據(jù)各自的運動角度，劍桿織機(jī)依次完成開口、引緯、打緯運動，同時通過送經(jīng)和卷曲運動來保證織造動作的連續(xù)性。

控制系統(tǒng)采用基于STM32F4 系列單片機(jī)的雙核架構(gòu)。CPU1 為系統(tǒng)控制核心，負(fù)責(zé)協(xié)調(diào)五大運動，布匹工藝參數(shù)傳輸，電子多臂控制，人機(jī)界面、經(jīng)紗張力控制，各類異常錯誤的處理，伺服電機(jī)控制，等。CPU2 為系統(tǒng)輔佐控制器，負(fù)責(zé)主軸角度的檢測、經(jīng)紗張力檢測、斷緯斷經(jīng)檢測、頻閃儀以及輔佐織造信號的控制。CPU1 與CPU2 通過雙口RAM進(jìn)行數(shù)據(jù)交換。系統(tǒng)的設(shè)計方案如圖1 所示。

圖1 劍桿織機(jī)控制系統(tǒng)設(shè)計方案Fig.1 Design scheme of rapier loom control system

2 控制系統(tǒng)硬件設(shè)計

依據(jù)織物織造原理和信號流向，結(jié)合模塊化思想，把整個劍桿織機(jī)控制系統(tǒng)分為五大子系統(tǒng)：主控子系統(tǒng)、輸入子系統(tǒng)、輸出子系統(tǒng)、電源子系統(tǒng)和制動離合子系統(tǒng)。劍桿織機(jī)控制系統(tǒng)的硬件結(jié)構(gòu)如圖2 所示。各個子系統(tǒng)之間通過上下母板實現(xiàn)電氣連接，采用光電隔離實現(xiàn)可靠傳輸。

圖2 劍桿織機(jī)硬件結(jié)構(gòu)框圖Fig.2 Rapier loom hardware structure block diagram

1）主控子系統(tǒng) 控制系統(tǒng)核心，主要負(fù)責(zé)協(xié)調(diào)各個子系統(tǒng)之間的通訊，解析織造工藝數(shù)據(jù)，監(jiān)控運行狀態(tài)，并于人機(jī)交互屏通訊等。硬件電路設(shè)計主要包括數(shù)據(jù)存儲模塊、電源模塊、顯示屏控制模塊、USB 接口、鍵盤接口電路、掉電復(fù)位模塊和RS232，RS485，CAN，工業(yè)以太網(wǎng)等通訊接口模塊、時鐘電路、電子送經(jīng)驅(qū)動信號、電子卷取驅(qū)動信號等。

2）輸入子系統(tǒng) 作為輔助控制器主要對各個輸入信號進(jìn)行采集分析。包括主軸角度信號模塊、斷經(jīng)檢測、斷緯檢測、經(jīng)紗張力檢測、探緯探經(jīng)檢測、頻閃儀以及一系列的輔助織造信號。得益于絕對式編碼器，織造過程中主軸角度能保持異常停車后的連續(xù)性，可以有效避免“開車痕”。通過中斷的方式傳遞主軸信號，以減少CPU2 芯片資源占用，提高系統(tǒng)實時性。同時利用此中斷信號驅(qū)動頻閃儀采集織機(jī)運轉(zhuǎn)速度，提高織機(jī)運轉(zhuǎn)的準(zhǔn)確性。

3）輸出子系統(tǒng) 根據(jù)主控子系統(tǒng)控制指令，在輸出子系統(tǒng)中完成指令的解讀，從而驅(qū)動相應(yīng)的執(zhí)行機(jī)構(gòu)完成織造；包括狀態(tài)指示燈輸出、儲緯器控制輸出、電子多臂信號、選色信號、慢速電機(jī)驅(qū)動以及一系列輔佐信號；并利用LM331 電壓頻率轉(zhuǎn)換模塊檢測輸出的制動離合電壓大小，其原理如圖3所示。

圖3 電壓頻率轉(zhuǎn)換模塊檢測Fig.3 Voltage frequency conversion module detection

CEL為制動離合反饋回來的電壓值，其范圍為0～15 V，途徑電壓頻率轉(zhuǎn)換模塊，根據(jù)

即可獲得與之對應(yīng)頻率的波形，將該波形輸入單片機(jī)捕獲比較器進(jìn)行計數(shù)，可以得到剎車力度值。

4）電源子系統(tǒng) 總輸入為380 V，50 Hz 交流電，根據(jù)每個子系統(tǒng)電源要求，電源子系統(tǒng)分配電源。在供電接口處，并聯(lián)與電壓匹配的瞬態(tài)抑制二極管與壓敏電阻，以降低浪涌沖擊的影響[10]。為提高電源子系統(tǒng)抗干擾能力，在各自子系統(tǒng)電路板上，于2個不同電源地平面邊界之間，每隔（30/Fmax）m 的距離（其中Fmax為電源地之間的最高頻率，MHz），利用0 Ω 電阻和0.01 μF 濾波電容相間排列，橋接2 個不同電源地[11-13]。

5）制動離合子系統(tǒng) 主要為大電流、高電壓的電磁離合信號，包括倒車齒式離合驅(qū)動、慢速離合驅(qū)動、主電機(jī)離合驅(qū)動等。

6）人機(jī)交互 采用威綸通公司的TK6071IQ 觸摸屏。其界面可以實時顯示織機(jī)織造角度與織造狀態(tài)、生產(chǎn)參數(shù)等信息。同時，支持手動更改織造參數(shù)菜單，支持按鍵點動開車、異常故障報警和雙鍵急停等功能。人機(jī)交互主界面如圖4 所示。

圖4 人機(jī)交互主界面Fig.4 Human-computer interaction main interface

3 控制系統(tǒng)的軟件設(shè)計

劍桿織機(jī)控制系統(tǒng)的主要任務(wù)是實現(xiàn)子系統(tǒng)的管理和織造運動的時序，在此采用FreeRTOS 實時操作系統(tǒng)，并設(shè)計了系統(tǒng)任務(wù)模塊、通訊任務(wù)模塊和定時器服務(wù)中斷任務(wù)模塊等3 個主要任務(wù)模塊。其中，定時服務(wù)中斷任務(wù)模塊是織機(jī)生產(chǎn)的基礎(chǔ)，用于實現(xiàn)快速織造、慢速定位停車、斷緯處理、斷經(jīng)處理和異常報警處理這五大織造狀態(tài)的切換。系統(tǒng)利用定時器中斷，每隔5 ms 產(chǎn)生1 次中斷，并根據(jù)織造情況更新狀態(tài)標(biāo)志變量RUN 的值，通過檢測到的RUN 值實現(xiàn)任務(wù)散轉(zhuǎn)。在各自的運動狀態(tài)下，操作系統(tǒng)調(diào)度相應(yīng)的織造任務(wù)入口函數(shù)，同時向人機(jī)交互屏顯示織造參數(shù)。系統(tǒng)織造狀態(tài)切換示意如圖5 所示。

其中，快速織造為劍桿織機(jī)核心生產(chǎn)狀態(tài)，控制系統(tǒng)根據(jù)不同的織造材料，調(diào)用不同的主軸角度中斷鏈表，協(xié)調(diào)各個運動機(jī)構(gòu)的動作。快速織造狀態(tài)下的織機(jī)系統(tǒng)織造流程如圖6 所示。

圖5 系統(tǒng)織造狀態(tài)切換Fig.5 System weaving state switching

圖6 劍桿織機(jī)系統(tǒng)初始化流程Fig.6 Rapier loom system initialization flow chart

在快速織造狀態(tài)下系統(tǒng)首先進(jìn)行變量的初始化，接著根據(jù)布料的織造要求設(shè)置相關(guān)參數(shù)，再讀入輸入子系統(tǒng)相關(guān)信號，經(jīng)解析之后，判斷各類參數(shù)是否異常。若異常，置相關(guān)標(biāo)志位，并調(diào)用相應(yīng)的異常處理模塊。在配置好各類織造參數(shù)的基礎(chǔ)上，調(diào)用快速織造主軸角度表，并驅(qū)動相應(yīng)電機(jī)，同時向屏幕顯示織機(jī)狀態(tài)，控制相應(yīng)指示燈，如此循環(huán)反復(fù)保證連續(xù)織造。

4 測試與分析

主控系統(tǒng)開發(fā)環(huán)境為KEIL5 MDK，基于C 語言開發(fā)的系統(tǒng)。控制系統(tǒng)硬件測試平臺如圖7 所示。

圖7 主控系統(tǒng)硬件測試平臺Fig.7 Main control system hardware test platform

4.1 系統(tǒng)通訊測試

利用人機(jī)交互屏和串口打印測試結(jié)果。經(jīng)測試，RS232 通訊正常；RS485 與人機(jī)交互屏幕正常通訊；U 盤能良好讀寫FAT32 文件； 利用控制器的CAN1 通道，在環(huán)回模式下也能實現(xiàn)自收自發(fā)，說明CAN 設(shè)計良好。在以太網(wǎng)調(diào)試中，用網(wǎng)線將主控系統(tǒng)的RJ45 接口與PC 網(wǎng)口相連，設(shè)置好本地協(xié)議屬性后，用Windows 操作系統(tǒng)的ping 命令監(jiān)控以太網(wǎng)通訊，結(jié)果如圖8 所示。

圖8 工業(yè)以太網(wǎng)驗證輸出Fig.8 Industrial Ethernet verification output

通過圖8（a）串口窗口中可以獲得網(wǎng)口相關(guān)信息，包括網(wǎng)口IP，MAC，子關(guān)掩碼及網(wǎng)關(guān)等；在圖8（b）ping 命令窗口中，網(wǎng)口通訊數(shù)據(jù)包發(fā)送量等于接收量，以及零丟失的情況。由此證明系統(tǒng)通訊功能良好。

4.2 系統(tǒng)測量精度測試

往輸出子系統(tǒng)電壓頻率轉(zhuǎn)換模塊輸入端分別輸入1 V 和2 V 電壓，通過示波器來檢測轉(zhuǎn)換精度。示波器采集模塊輸出端波形如圖9 所示。

圖9 剎車力度采集模塊輸出波形Fig.9 Brake force acquisition module output waveform

由圖9（a）可得，電壓輸入端為1 V 時，頻率為4.803 kHz，而理論頻率為4.78 kHz，誤差約為0.5%；由圖9（b）可得，輸入端電壓為2 V 時，信號頻率為9.366 kHz，理論頻率為9.56 kHz，誤差約為2.0%。由此證明系統(tǒng)能準(zhǔn)確采集剎車力度值。

4.3 抗干擾測試

通過往主控子系統(tǒng)板外接雜波較大的電源模塊以測試其抗干擾能力。具體測試結(jié)果如圖10所示。

圖10 外置電源與主控子系統(tǒng)電源波形Fig.10 External power supply and power waveform of main control subsystem

由圖10（a）得到的外部電源波形雜亂、頻率無章；經(jīng)過處理之后的結(jié)果如圖10（b）所示，即外部干擾信號得到了很明顯的過濾與凈化。同時，電磁干擾頻率約為6.406 MHz，符合德國規(guī)定的IEC BS 800 標(biāo)準(zhǔn)——電源頻率范圍為10 kHz～30 MHz[14]，證明抗干擾設(shè)計良好。

5 結(jié)語

劍桿織機(jī)作為關(guān)鍵紡織設(shè)備之一，擁有自主研發(fā)而高端劍桿織機(jī)，對我國成為紡織業(yè)強國有著重要意義。設(shè)計了一種基于雙核STM32F4 系列單片機(jī)嵌入式劍桿織機(jī)控制系統(tǒng)。該系統(tǒng)具有成本低、實時性好、移植性好，可靠性強等特點。通過利用模塊化設(shè)計思想，劃分硬件控制系統(tǒng)，更易于系統(tǒng)功能的擴(kuò)展和配置。軟件上采用FreeRTOS 嵌入式實時操作系統(tǒng)，在確定系統(tǒng)實時性的同時，增強了系統(tǒng)工作效率。經(jīng)測試，該系統(tǒng)在織機(jī)為600 r/min 轉(zhuǎn)速下運行穩(wěn)定，對國產(chǎn)劍桿織機(jī)的高性能與可靠性的提升具有指導(dǎo)意義。