基于CORTEX－M3和CAN的印染機(jī)同步控制系統(tǒng)

0 引言

隨著社會(huì)生活的發(fā)展，人們對(duì)現(xiàn)在的印染品的要求也越來越高，特別是布匹與包裝外殼，那么對(duì)現(xiàn)代印染工藝的要求也越來越高。隨著工藝的增加，對(duì)印染設(shè)備是個(gè)不小的挑戰(zhàn)，這里面最主要的是大型印染聯(lián)合機(jī)中多電機(jī)的同步控制問題。

在印染設(shè)備中，電機(jī)的同步控制主要有3方面決定：一是處理器對(duì)張力傳感器數(shù)據(jù)的處理速度，以及電機(jī)對(duì)張力傳感器的反應(yīng)速度；二是不同的電機(jī)組之間機(jī)械性能的差異以及它們產(chǎn)生的實(shí)時(shí)同時(shí)控制問題；三是控制單元與各電機(jī)組之間的通信問題，包括速率，抗干擾等。傳統(tǒng)印染聯(lián)合機(jī)的做法是采用單片機(jī)加AD／DA芯片進(jìn)行數(shù)據(jù)的處理與執(zhí)行，也有為了提高數(shù)據(jù)的處理能力而采用DSP加單片機(jī)的做法。隨著現(xiàn)在技術(shù)的發(fā)展，在研究了基于ARM的CORTEX-M3內(nèi)核的處理器加CAN總線的分總系統(tǒng)設(shè)計(jì)方法。

總控制器和單元控制器，采用ST公司推出的基于ARM公司Cortex-M3核的STM32F103芯片嘗試進(jìn)行新的設(shè)計(jì)。這種設(shè)計(jì)在提高系統(tǒng)性能的基礎(chǔ)上降低了成本同時(shí)實(shí)現(xiàn)了與現(xiàn)有印染設(shè)備的對(duì)接問題。

1 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

1．1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

根據(jù)現(xiàn)有印染行業(yè)的印染聯(lián)合機(jī)的具體情況，主要針對(duì)其控制系統(tǒng)進(jìn)行改進(jìn)。

在大型印染聯(lián)合機(jī)的設(shè)計(jì)中，主要考慮的是多電機(jī)的同步控制問題，需要保證布匹在傳送的過程中要平穩(wěn)，不能因?yàn)殡姍C(jī)的不同步而造成張力過大從而使布匹過度拉伸，也不能因?yàn)閺埩Φ牟蛔愣斐刹计サ鸟薨?。在大型印染?lián)合機(jī)中根據(jù)工藝的復(fù)雜與簡(jiǎn)單，需要同步的電機(jī)從8個(gè)到40多個(gè)不等，采用CAN總線網(wǎng)絡(luò)保證了可以根據(jù)工藝的不同自主的擴(kuò)展單元控制器的個(gè)數(shù)。系統(tǒng)設(shè)計(jì)框圖如圖1所示。

1．2 系統(tǒng)的組成

系統(tǒng)主要由主控制器，單元控制器，CAN總線網(wǎng)絡(luò)，以及變頻器組成。

主控制器是系統(tǒng)的主控單元，主要功能是顯示和控制整個(gè)系統(tǒng)狀態(tài)的工作狀態(tài)，以及設(shè)置和調(diào)節(jié)系統(tǒng)的總要工作參數(shù)，如布速，張力傳感器的靈敏度。協(xié)調(diào)各單元控制的工作狀態(tài)。

單元控制器的功能主要是微調(diào)張力傳感器的靈敏度，實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)個(gè)張力傳感器的數(shù)據(jù)，根據(jù)各張力傳感器的數(shù)據(jù)調(diào)節(jié)輸出電壓從而調(diào)節(jié)對(duì)應(yīng)電機(jī)的工作狀態(tài)，同時(shí)還要應(yīng)對(duì)突發(fā)狀況，例如張力傳感器失靈的處理，以及電機(jī)失速的處理。

1．3 單元控制器的具體設(shè)計(jì)

在設(shè)計(jì)中我采用的是基于ARM的CORTEX-M3內(nèi)核的芯片-STM32f103RCT6如圖2所示。它的特點(diǎn)有：STM32F103系列微處理器是首款基于ARMv 7-M體系結(jié)構(gòu)的32位標(biāo)準(zhǔn)RISC(精簡(jiǎn)指令集)處理器，提供很高的代碼效率；工作頻率為72MHz，內(nèi)置高達(dá)256KB的FLASH存儲(chǔ)器和48KB的SRAM。

它內(nèi)部集成了12位的A／D以及雙通道的12位的D／A，還有專門面向工業(yè)控制的控制器區(qū)域網(wǎng)絡(luò)(CAN)，它提供兼容規(guī)范2．0A和2．0B(主動(dòng))，位速率高達(dá)1 Mb／s。它可以接收和發(fā)送11位標(biāo)識(shí)符的標(biāo)準(zhǔn)幀，也可以接收和發(fā)送29位標(biāo)識(shí)符的擴(kuò)展幀。具有3個(gè)發(fā)送郵箱和2個(gè)接收FIFO，3級(jí)14個(gè)可調(diào)節(jié)的濾波器。

1．4 CAN總線接口設(shè)計(jì)

因?yàn)镾TM32的CAN總線控制器的邏輯電平均采用LVTTL，所以采用德州儀器公司生產(chǎn)的CAN總線收發(fā)器SN65HVD230。SN65HVD230可用于較高干擾環(huán)境下。它采用差分接收，具備抗寬范圍的共模干擾、電磁干擾能力。6N137構(gòu)成的隔離電路，這樣就可以很好地實(shí)現(xiàn)CAN總線上各節(jié)點(diǎn)的電氣隔離。增加隔離電路雖然增加了節(jié)點(diǎn)的復(fù)雜性，但它卻提高了節(jié)點(diǎn)的穩(wěn)定性和安全性。此外，為避免信號(hào)反射，導(dǎo)致通信的可靠性與抗干擾能力下降，甚至無法通信，因此，在CAN總線的兩端需要加有2個(gè)120Ω的總線阻抗匹配電阻。CAN接口設(shè)計(jì)如圖3所示。

2 系統(tǒng)工作原理

系統(tǒng)的工作原理主要包括4部分：系統(tǒng)的工作前的調(diào)節(jié)，系統(tǒng)的啟動(dòng)，工作中的時(shí)時(shí)同步調(diào)節(jié)以及對(duì)故障的處理。

(1)在系統(tǒng)工作前，因?yàn)橛∪驹O(shè)備的各電機(jī)單元機(jī)械部分屬性不可能都相同，所以要在傳送布匹前調(diào)節(jié)各個(gè)部分的運(yùn)轉(zhuǎn)同步系數(shù)Li使其沒有負(fù)載時(shí)線速度一樣。在這里一般設(shè)置第1個(gè)單元控制器的第1個(gè)電機(jī)單元為主令單元，其他的為從動(dòng)單元。需要調(diào)節(jié)個(gè)從動(dòng)電機(jī)單元的運(yùn)轉(zhuǎn)速度與主動(dòng)單元的線速度一致。這個(gè)系數(shù)Li設(shè)置后就在以后的運(yùn)行中固定下來。

(2)系統(tǒng)的啟動(dòng)是由主控制器先向各單元控制器發(fā)出控制命令，包括設(shè)置布速V，以及達(dá)到布速v的上升時(shí)間間隔，然后主控制器給出總的啟動(dòng)命令，單元控制器根據(jù)主控制器的命令設(shè)置對(duì)應(yīng)的8路信號(hào)輸出，從而控制各電機(jī)單元按照預(yù)先的設(shè)置的上升時(shí)間間隔運(yùn)轉(zhuǎn)至設(shè)定的轉(zhuǎn)速。

(3)系統(tǒng)工作中的調(diào)節(jié)，根據(jù)印染聯(lián)合機(jī)的實(shí)際工作中，當(dāng)當(dāng)電機(jī)轉(zhuǎn)速增加時(shí)，會(huì)改變張力傳感器的測(cè)量數(shù)據(jù)。根據(jù)公式：

Vout=V0Li+KiFi (1)

式中：Vout為D／A轉(zhuǎn)化的輸出電壓；Li為系統(tǒng)啟動(dòng)前設(shè)置的運(yùn)轉(zhuǎn)同步系數(shù)；V0為主動(dòng)電機(jī)單元的D／A輸出電壓；Fi為張力傳感器的輸出；Ki為VOUT輸出對(duì)張力傳感器輸出反饋Fi的靈敏性。通過輸出反饋Fi，在電機(jī)的控制端組成了一個(gè)小的閉環(huán)系統(tǒng)。張力傳感器示意圖如圖4所示。