一种喷气织机的控制系统设计

前 言采用射流牵引纬纱穿过梭口的无梭织机称为喷射织机，喷射织机又分为喷气织机和喷水织机，喷气织机是依靠高速气流与纬纱间产生的摩擦牵引纬纱穿过梭口。喷气织机起源于1914年美国人勃洛克取得专利，1949年捷克斯洛伐克首先制成喷气织机，到20世纪70年代产生的异型筘限气流扩散方法提升了织物的品种范围和质量，再到1976年已经工业化生产。1981年后喷气织机由于喷气技术的突破性进步以及电子计算机、传感器及变频调速技术的应用，大大提高了运转速度，织机的自动监控水平也取得了显著的大进展，经过近10年的不断改进，现代喷气织机已具有速度高、自动监控水平高、产品质量高、品种适应性强等许多优点，成为无梭织机中发展最快的机型新型喷气织机采用了许多先进技术，如电子控制喷气引纬、寻纬，电子送经电子卷取，经纬向断头的检测及原因分析，纬向断头自动修复，机器停车自动控制等，使喷气织机在高速运转下能保证产品质量的稳定与提高。喷气织机采用气流引纬方式，解决了有梭织机机械引纬速度受机械运动的限制、速度不能提的很高的缺点，引纬速度的提高也给控制系统的速度提出了更高的要求，采用PLC控制的话已很难满足喷气织机的速度要求。然而，数字信号处理器DSP(Digital Signal Processor)具有在模拟信号变换成数字信号以后进行高速的实时处理，其处理速度比最快的CPU还快1050倍。在80MHz时钟频率下可达到40兆条指令/s（MIPS）的指令执行速度，很容易满足喷气织机的高速引纬。本文正是基于此种原因，采用DSP技术来实现喷气织机的控制系统设计，相信DSP技术与喷气织机的结合将会大大的改善喷气织机的工作性能。1 喷气织机简单的介绍1.1 喷气织机的发展在很长的时间里，有梭织机一直在织造中占据主导的地位。从人力织机到动力织机，再到自动换梭机的自动织机，虽然在制造技术上有许多的改进，但仍未能消除梭子引纬方式所固有的缺陷，引纬速度的提高受到限制，在降低噪音方面也存在着许多难以克服的困难。为了解决有梭机的这些缺点，人们不断寻求新的引纬方式。从19111914年美国 Brooks提出用气流引纬代替梭子引纬的设想开始，喷气织机成为人们关注的焦点。1960年世界上第一台喷气织机由于射流技术不成熟，喷射的气流速度及压力损失大，只能生产窄幅织物、织机速度低、织物质量差，更谈不上纬纱颜色的变化，只能生产单色的、简单的普通平纹批量坯布织物。1981年后喷气织机由于喷气技术的突破性进步以及电子计算机、传感器及变频调速技术的应用，大大提高了运转速度，织机的自动监控水平也取得了显著的大进展，经过近10年的不断改进，现代喷气织机已具有速度高、自动监控水平高、产品质量高、品种适应性强等许多优点，成为无梭织机中发展最快的机型。新型喷气织机采用了许多先进技术，如电子控制喷气引纬、寻纬，电子送经电子卷取，经纬向断头的检测及原因分析，纬向断头自动修复，机器停车自动控制等，使喷气织机在高速运转下能保证产品质量的稳定与提高1。我国从20世纪80年代开始批量引进国外的喷气织机，台数日益增多。同时一些纺织机械厂在消化吸收国外的先进技术的基础上，自行研发，设计并生产实际的喷气织机。到90年代我国“九五”期间建立具有国际水平的喷气织机制造厂咸阳纺机厂，生产的喷气织机已在我国广为应用，为推动我国喷气织机的发展作出很大贡献但与1999年巴黎展览会上展出的新型喷气织机的性能及适应性相比，已有所落后，我国应当集中精力，加快步伐，在原有基础上努力提高的技术水平及产品适应性，为我国兴建或改造一批具有现代化世界级水平的纺织企业，提供更加先进的喷气织机设备。1.2 喷气织机的速度喷气织机是由喷射具有一定压力的气流进行引纬的，引纬方式不同于有梭织机及其他无梭织机的机械引纬，机械引纬速度受机械运动的限制、速度不能提的很高，如箭杆织机引纬率最快也只有1500-1700米分，引纬频率只有600-700次分，而喷气织机的喷嘴喷射气流的动作是经过电子计算机控制电磁阀的开闭运动完成的，更由于喷气织机的主喷嘴已由单喷嘴改为双喷嘴、四喷嘴，相对于一定的引纬频率、一定的织机转速下，多喷嘴上电磁阀开闭运动的频率可以相应降低，因此喷气织机主喷嘴喷射气流的喷气引纬频率可大大提高，一般喷气织机的引纬率已高达20002500米分，最新型喷气织机转速已高达1800-2000转/分，引纬率3200米分，如津田驹，哔加诺等喷气织机等2。喷气织机的转速、引纬率与所生产的品种、幅宽相关、生产细薄织物与重厚织物、生产宽幅织物与普通宽幅织物的织机转速及引纬率都不相同。即使如此，生产重厚牛仔布的喷气织机转速也在850转分以上，生产高档电子提花装饰织物的引纬率也已达到2800米分提高喷气织机的引纬率，除了要解决好主辅喷嘴在计算机控制下电磁阀高频率的开启、闭合技术之外、储纬器的停止与释放动作也有了相应的改进与提高，在电子计算机的程序控制下，储纬器停放纬纱的动作与上喷嘴喷射气流的电磁阀的开启与闭合动作十分协调3。 1.3喷气织机的控制方案方案一：如果采用传统的可编程逻辑控制器PLC将无法满足喷气织机的控制要求,因为PLC的主要功能是逻辑控制,即开关量控制,它虽然也有一些特殊功能模块,但这些模块是作为PLC的附加模块,在硬件上与PLC之间存在接口,在软件上又无法在PLC程序中统一编程控制,同时,常规的PLC操作系统大多采用单任务的时钟扫描或监控程序,来处理程序本身的逻辑运算指令和外部的I/O通道的状态采集与刷新,这样处理,直接导致了真正意义上的控制速度依赖于应用程序的大小,这一结果,无疑是同喷气织机I/O通道中高实时性的控制要求相违背的。另外,PLC的内存容量只有几十KB,数据运算和处理能力也较为有限。当采用PLC控制时，主轴在完成一周控制时就会产生7度的误差。所以,在喷气织机控制系统中使用PLC完成如此复杂的控制和适应不断提高的工作速度就有些力不从心了。方案二：使用数字信号处理技术，即DSP（Digital Signal Processor）技术。DSP采用哈佛结构，将程序空间与数据空间分开编址，读程序和读/写数据可以分开同时进行，使得速度更快。在80MHZ时钟频率下可达到40兆条指令/s（MIPS）的指令执行速度。他的快速性更适合喷气织机不断提高的工作速度。综上所述，经过两种方案的分析比较。DSP因其自身结构特点和快速性适应了喷气织机的速度要求。本文也正是因此而采用DSP实现喷气织机的控制系统。2 DSP的介绍2.1 DSP介绍2.1.1 DSP的发展DSP发展可分为三个阶段：70年代理论先行，80年代产品普及，90年代突飞猛进。 1982年世界上诞生了首枚DSP芯片。这种DSP器件采用微米工艺NMOS技术制作，虽功耗和尺寸稍大，但运算速度却比MPU快了几十倍，尤其在语音合成和编码解码器中得到了广泛应用。DSP芯片的问世是个里程碑，它标志着DSP应用系统由大型系统向小型化迈进了一大步。至80年代中期，随着CMOS技术的进步与发展，第二代基于CMOS工艺的DSP芯片应运而生，其存储容量和运算速度都到成倍提高，成为语音处理、图像硬件处理技术的基础。 80年代后期，第三代DSP芯片问世，运算速度进一步提高，其应用于范围逐步扩大到通信、计算机领域。 90年代DSP发展最快，相继出现了第四代和第五代DSP器件。现在的DSP属于第五代产品，它与第四代相比，系统集成度更高，将DSP芯核及外围元件综合集成在单一芯片上。这种集成度极高的DSP芯片不仅在通信、计算机领域大显身手，而且逐渐渗透到人们日常消费领域。 经过20多年的发展，DSP产品的应用已扩大到人们的学习、工作和生活的各个方面，并逐渐成为电子产品更新换代的决定因素。目前，对DSP爆炸性需求的时代已经来临，前景十分可观。2.1.2 DSP的应用领域 DSP应用广泛，主要应用于（1）图像处理图像识别，制图，图像信号的压缩。（2）通信加密，电子交换机，高速modem语音识别。（3）语音识别语音分析，语音合成，语音编码，文字语音转换。（4）汽车消费类ABS防抱死系统，噪声消除，声音合成/识别，电子乐器。（5）高速控制伺服马达控制，机器人/数控机床，远程反馈控制，交直流有刷、无刷电机控制。（6）仪器频谱分析，数字滤波，锁相环4 。2.1.3 DSP的典型系统图2-1所示为一个典型的DSP系统。图中的输入信号可以有各种各样的形式。例如，它可以是麦克风输出的语音信号或是电话线来的已调数据信号，可以是编码后在数字链路上传输或存储在计算机里的摄像机图像信号等。图2-1 典型的DSP系统Figure 2-1 typical system of DSP 输入信号首先进行带限滤波和抽样，然后进行A/D（Analog to Digital）变换将信号变换成数字比特流。根据奈奎斯特抽样定理，为保证信息不丢失，抽样频率至少必须是输入带限信号最高频率的2倍。DSP芯片的输入是A/D变换后得到的以抽样形式表示的数字信号，DSP芯片对输入的数字信号进行某种形式的处理，如进行一系列的乘累加操作（MAC）。数字处理是DSP的关键，这与其他系统（如电话交换系统）有很大的不同，在交换系统中，处理器的作用是进行路由选择，它并不对输入数据进行修改。因此虽然两者都是实时系统，但两者的实时约束条件却有很大的不同。最后，经过处理后的数字样值再经D/A（Digital to Analog）变换转换为模拟样值，之后再进行内插和平滑滤波就可得到连续的模拟波形。必须指出的是，上面给出的DSP系统模型是一个典型模型，但并不是所有的DSP系统都必须具有模型中的所有部件。如语音识别系统在输出端并不是连续的波形，而是识别结果，如数字、文字等；有些输入信号本身就是数字信号（如CD：Compact Disk），因此就不必进行模数变换了。2.1.4 DSP系统的特点数字信号处理系统是以数字信号处理为基础，因此具有数字处理的全部优点： (1) 接口方便。DSP系统与其他以现代数字技术为基础的系统或设备都是相互兼容的，与这样的系统接口以实现某种功能要比模拟系统与这些系统接口要容易得多5； (2) 编程方便。DSP系统中的可编程DSP芯片可使设计人员在开发过程中灵活方便地对软件进行修改和升级； (3) 稳定性好。DSP系统以数字处理为基础，受环境温度以及噪声的影响较小，可靠性高； (4) 精度高。16位数字系统可以达到的精度； (5) 可重复性好。模拟系统的性能受元器件参数性能变化比较大，而数字系统基本不受影响，因此数字系统便于测试、调试和大规模生产； (6) 集成方便。DSP系统中的数字部件有高度的规范性，便于大规模集成。当然，数字信号处理也存在一定的缺点。例如，对于简单的信号处理任务，如与模拟交换线的电话接口，若采用DSP则使成本增加。DSP系统中的高速时钟可能带来高频干扰和电磁泄漏等问题，而且DSP系统消耗的功率也较大。此外，DSP技术更新的速度快，数学知识要求多，开发和调试工具还不尽完善。2.1.5 DSP与CPU的比较在循环方面，DSP有诸如重复n次（repeat n）或循环n次（do loop n）等指令，使DSP能迅速完成n次循环，而不必每次检查是不是已经循环了n次了。这就是DSP在做数字信号处理方面的优势与独到之处，也是DSP区别于CPU的地方。在结构方面，DSP往往采用哈佛结构，而传统的CPU多为冯诺曼结构（Von Neuman）。冯诺曼结构指的是将程序与数据统一编制，不区分存储器的程序空间和数据空间;而哈佛结构是指将程序空间与数据空间分开编址，这样在DSP处理数据空间运算与数据传书的同时可以并行的从程序空间读取下一条指令。在内核设计方面，DSP采用多重流水线结构。流水线的层次结构深度可以从3级到6级。2.2 Motorola DSP 56807系列的特点该喷气织机的控制系统设计我使用的是Motorola公司生产DSP56807系列。现对简单介绍如下：2.2.1 DSP 56807 系列的内核结构（1）算术逻辑单元ALU图2-2 DSP56800内核框图Figure 2-2 DSP56800 kernel block diagramALU内部有3个16位的数据输入寄存器X0、Y0、Y1，其中Y0和Y1可以看成1个32位的寄存器，2个32位的累加器A和B。A和B又可看成是2个16位的寄存器A0，A1，B0，B1。A2和B2是2个4位寄存器可以将A，B两个寄存器扩展成36位。A、B寄存器是当作36位还是32位来使用，由用户在应用程序中设定，即对程序控制器中的运行模式寄存器OMR中的CC位编程。算术逻辑单元中的乘/加器MAC在1个周期内可以以并行方式完成乘、加运算。ALU中的累加移位器与循环移位器用于算术和逻辑左移、右移。1个极值限制器用于处理包含扩展寄存器的36位或32位操作，使在执行从36位到32位或从20位到16位的传输、运算指令时不至于出现错误。乘/加器MAC可完成又符号或无符号16位乘以16位的分数运算或16位乘以16位的有符号整数运算，32位的乘积可以加到36位的A或B寄存器中去，或者加到16位的X0、Y1、Y0寄存器中去。算术逻辑单元中还有1个极值限制器。使用极限制器做饱和处理是DSP中处理数据溢出的一种手段。（2）地址产生单元AGUAGU中主要有4个通用地址寄存器R0，R1，R2，R3，一个堆栈指针SP，一个地址偏移量寄存器M01。AGU的主要功能：1给数据空间地址总线XAB1提供地址，并能在指令执行前或指令执行后实现自动加减1的地址操作。2同时给XAB1和XAB2提供2个不同的地址，并能在指令执行后自动完成刷新。2.2.2 程序控制器PCUPCU包括计数器PC、状态寄存器MR/CCR、运行模式寄存器OMR以及专门用于循环指令的循环地址寄存器LA、循环次数寄存器LC和硬件堆栈HWS。2.2.3 DSP56807存储空间的分配分为程序空间和数据空间，各有64K字，字长16位，128个中断向量占据程序空间低端，从 $0到$7F。外设的I/O短寻址空间占据数据空间的高端，从$FFC0到$FFFF共64个.数据空间的实际字节数为（64K-64）*2B。DSP56800的程序空间加数据空间的总和为128K字。这128K又份为片内存储器和可扩展的片外存储器。各种型号的56800系列DSP都可以工作在单片方式下，不需要外部扩展ROM和RAM；而外部扩展的RAM对程序的调试是有用的。在调试程序时，将程序下载到外部RAM中比下载到内部Flash中要快的多。程序空间又分为程序ROM（Flash）和程序RAM。各种型号的56800系列DSP片内还有2KB启动（boot）Flash，可以用于加电复位时的系统初始化与系统启动；DSP的启动有多种方式，可从片内Flash启动，也可以从片外Flash启动，也可以从I/O口下载一段程序到片内程序RAM中启动。综上所述，56800系列DSP片内有：程序Flash、程序RAM、数据Flash、数据RAM、启动Flash几种。2.2.4 并行处理的实现DSP56800内核的内部地址总线有7条：（1）程序空间地址总线PAB，用于读取程序（2）程序空间数据总线PDB，用于读写程序空间的数据（3）数据地址总线XAB1，用于读/写数据空间的存储器（4）数据地址总线XAB2，只与片内存储器相连，对外部存储器不起作用，可以与XAB1同时工作，实现对存储器的并行操作（5）内部全局数据总线CGDB，用于读写内部寄存器（6）外设全局数据总线PGDB，用于以I/O短寻址方式读写外设（7）外部数据总线XDB2这7条总线可以分别在程序空间和数据空间并行的工作。虽然每一条指令都要经过读取指令、指令译码、执行指令的过程、但由于采用了流水线结构，读指令、译码、执行看起来好象在一个时钟周期内就完成了。大大提高了DSP内核的运行效率。2.2.5 脉宽调制模块PWM模块主要用于电机控制。为了控制直流电动机，需要半导体功率器件进行驱动。大多数直流电动机驱动采用了开关型驱动方式，其中又以定频脉宽调制（PWM）为常见。其优越性在于驱动电子设备的简单性和计算机接口的容易性。PWM信号是一个周期固定而脉冲宽度可变的脉冲序列。在每个固定长度的周期中有一个脉冲出现，该固定长度的周期称为PWM周期，它的倒数称为PWM频率。通常，在一个电机控制中，通过功率器件将所需的电流和能量传送到电机线圈绕组中来控制电机的速度和转矩，而PWM信号即是用来控制功率器件的开启和关闭时间的6。Motorola DSP56F800系列每个模块有6个输出引脚，称6通道，从PWM0PWM5。这6通道的输出可以被配置成1对、2对、3对互补通道对或6个独立的通道方式。在互补操作方式下，允许可编程的死时间插入，通过电流传感的输出波形扭曲矫正和独立的顶、底输出引脚极性控制，支持无级变频。边对齐和中心对齐的脉宽产生方式，支持占空比从0%到100%。PWM模块可以支持大多数电机类型：交流感应电机ACIM、无刷直流电机BLDC和有刷直流电机BDC、开关磁阻电机SRM和变磁阻电机VRM以及步进电机。（1）PWM脉宽调制模块的主要特性3对互补的PWM信号或6个独立的PWM信号在互补通道模式下：1、可编程死时间的插入。2、可通过电流状态输出后软件独立的顶/底通道脉宽纠正；独立的顶部和底部通道极性控制；边对齐和中心对齐的脉宽产生方式；15位精度；半周期参数重载能力；从1到16的整数重载频率；单独的软件控制PWM输出；可编程的出错保护；极性控制；PWM引脚有20mA电流吸入能力；带有寄存器写保护功能。（2）PWM脉冲调制模块的主要功能描述预分频：为了得到较低频率的PWM输出，模块内带有预分频电路，它将IP bus时钟频率除以1、2、4、8后作为PWM的时钟频率。PWM控制寄存器中的PRSC0和PRSC1 PWM参数重载周期开始时，PWM发生器才能够使用新频率。除了COP看门狗定时器之外，所有的外围 设备都是以IP bus时钟频率运行。IP bus时钟频率是芯片工作频率除以2得到的。芯片最大的运行频率是80MHz，与此对应的最大IP bus时钟频率为40MHz。PWM发生器：PWM发生器用一个15位的增量/减量计数器来产生输出信号，同时有几个选项可以选择。对齐方式：通过配置寄存器FMCFG中的EDGE位设置来决定是中心对齐(见图2-3)还是边沿对齐（见图2-4）。 图2-3 中心对齐方式下的PWM输出Figure 2-3 outset of PWM图2-4 边沿对齐方式下的PWM输出 Figure 2-4 outset of PWM周期：通过对PWM计数模寄存器PWMCM设置来决定。实际上还受预分频因子和对齐方式的影响。在中心对齐方式下：PWM周期=（PWMCM）*（PWM时钟周期）*2在边沿对齐方式下：PWM周期=（PWMCM）*（PWM时钟周期）脉宽：由PWM模块的计数值寄存器PWMVAL决定。占空比：PWM模块的计数值寄存器PWMVAL/PWM计数模寄存器PWMCM（3）独立通道模式和互补通道模式在PWM配置寄存器PMCFG中，向INDEP位写入逻辑1就将相应两路PWM输出配置为独立的PWM通道。每一路PWM输出都有它自己的PWM计数值寄存器PWMVAL，对它的操作独立于对其他独立通道相应寄存器的操作。在PWM配置寄存器PMCFG中，向INDEP位写入逻辑0就将相应两路PWM输出配置为互补PWM通道。（4）死时间产生器 在互补通道模式下，每一对互补的的PWM通道可以用来驱动顶/底三极管，理想的情况是一对互补通道对的两路信号应该是完全相反的。，当顶部PWM通道为有效电平是，底部PWM通道应该是无效电平，反过来也是。但是为了防止电机驱动电路的DC电源线瞬间短路，击穿三极管，所以必须保证顶三极管和底三极管的导通在时间上没有重叠。然而由于三极管的特性，它的关断时间大于导通时间，所以如果两个三极管的触发信号同时收到，那么就会存在一个短时间的2个三极管同时导通过程，从而击穿三极管。所以要在向三极管送出信号前插入死时间是非常有必要的，用来保护三极管不被击穿。2.2.6 相位检测器相对于Motorola 的单片机来说DSP5680系列中的相位检测器是一个新增的模块，可用来进行相位检测。这在电机控制中非常有用；特别时在直流无刷电机的控制中相位检测器用的较多。在直流无刷电机的控制中相位检测器应用很多，DSP56F807中有两个相位检测器模块.一般来说相位检测器0和相位检测器1一般和四定时器A和B共享引脚.每个相位检测器有4个输入引脚,分别为PHASEB,PHASEB,INDEX和HOME.2.2.7 串行通信接口SCIDSP56807系列串行通信接口SCI（Serial Communication Interface）是一个通用的异步接收器/发送器UART（Universal Asynchronous Receiver/Transmitter）类型的异步通信接口，通过RS-232、RS-485等串行通信协议与主机系统（如PC、终端）通信。图2-5 SCI结构图Figure 2-5 SCI block diagram（1）SCI 功能标准不归零NRZ（Non Return to Zero）数据格式。标准不归零NRZ 格式（1个起始位，8个或9个数据位和1个停止位），最常用的数据格式是8位。SCI系统完成发送数据的所有细节工作包括附加起始位和停止位以符合串行通信格式，发送器有一个2B 的起始位，并通过采样接收数据。接收串行数据并变换成并行数据的所有工作均由SCI完成，不需要CPU的干预接收到数据后，CPU简单地从数据接收寄存器读取数据即可。数据格式通过对SCR控制寄存器该寄存器的M位的设置来选择，即，当M=1，1个起始位，9个数据位，1个停止位；当M=0，1个起始位，8个数据位，1个停止位。此外，M位也可控制空闲码和中止码的长度。（2）SCI寄存器DSP56807系列DSP提供了4个16位的寄存器来控制和监视SCI的工作状态。每个寄存器的读写数据必须以字为单位。这些寄存器的地址为基地址加偏移地址之和。SCI波特率寄存器SCIBR：SCIBR用于选择SCI系统的波特率。波特率的计算公式为： SCI波特率 = （2-1）SBR是分频因子，由第0位到第12位共13位二进制数的大小决定。SCI控制寄存器SCICR：SCICR是可读/写寄存器。TE：发送器使能位（位3）。1=发送器使能；0=发送器禁止，TXD高阻抗状态。RE：发送器使能位（位2）。1=发送器使能：0=发送器禁止。SCI状态寄存器SCISR：SCISR是只读寄存器。TDRE：发送数据寄存器空标志（位15）。1=内容已发送给移位寄存器，发送数据寄存器空；0=内容未发送给移位寄存器。（3）RS-232C通信协议RS-232C的全称是EIA-RS-232C标准，它是于数据传输速率在020000b/s范围内的通信，对信号线功能、电气特性都做了规定。电气特性TxD和RxD数据上（负逻辑）：逻辑1（MARK）=-3-15逻辑0（SPACE）=+3+15RTS、CTS、DSR、CD等控制线上：信号有效（接通，ON状态，正电压）=+3+15信号无效（断开，OFF状态，负电压）=-3-15机械特性1.连接器2.电缆长度3.最大直接传输距离RS-232的特性参数工作模式：单端发单端收。在传输线上允许的驱动器和接受器数目：驱动器和接受器各1个。最大电缆长度：15m。最大数据传输速度：20kb/s。驱动器输出（最大电压值）：25V。接受器输入电压范围：15。接受器输入阻抗：27千欧。3 喷气织机的组成及控制系统 3.1喷气织机的组成喷气织机一般由筒子架、纬纱筒子、前和后张力器、储纬器、主喷嘴、辅助喷嘴、电磁阀、储气罐、异型扣、探纬器、剪刀和拉伸喷嘴等组成。通过这些结构的协调工作来完成正常的工作7。现对以上的各个不分作简要的介绍：1.筒子架：是用来放置纬纱工作筒子和预备筒子的，其形式因机型而异。2.张力器：喷气织机上常见纬纱筒子与储纬器之间安装有后张力器，储纬器与主喷嘴之间安装有前张力器。后张力器主要作用于调节因筒子退绕半径大小不同而引起的张力差异，用于保证输入储纬器绕在储纬滚筒上的纬纱张力均匀一致。前张力器的主要作用在于防止纬纱从储纬滚筒表面高速退下时纬圈的脱落，以及纬纱输入主喷嘴时因张力的大小不合适所引起的引纬故障和织边的不良疵点8。3.储纬器：作用一，为消除筒纱因直径由大变小时退绕张力的差异。二，为可降低引纬时纬纱张力的平均值，因此而成为无梭织机高速运转不可缺少的重要部件之一。4.主喷嘴主喷嘴的作用是对气流进行调节、加速，并对纬纱进行充分作用，使之获得与车速和引纬实践相适应的飞行速度。另外，主喷嘴的主喷气流合成的方向起着主导作用。5.辅助喷嘴辅助喷嘴的唯一作用就是不断地、接力式地向异型扣槽补充气流，已形成引纬所需的、稳定的速度流厂，保证纬纱顺利的飞过梭口9。6.电磁阀喷气织机的转速越高，主喷嘴特别是辅主喷嘴每次喷射的作用时间越短（约在1640ms之间），因此，高速的喷气织机已全部改用电磁阀来控制主、辅喷嘴的喷射时间。7.储气罐喷气织机上所装配为的储气罐能使有空气压机房经管道输送到织机上的气流得到膨胀和稳定压力的作用。8.异型筘为了适应高密度宽幅织物的要求，采用了异形筘来形成引纬通道。同时，异型筘筘槽一面敞开，虽有能使打纬机构摆角减小，而有利于织机高度和辅喷气流容易射入筘槽内与主喷气流合成的优点，但却有筘槽因一面敞开气流扩散毫无阻挡的缺陷。9.探纬器光电式探纬器是用来探测纬纱的有无和判断因为是否正常的。目前多数喷气织机都采用安装两个探纬头的方案，探纬头一安装在正常引纬长度的地方用来探测纬纱的有无或短纬，探纬头二安装在超出正常引纬长度的外边，用来探测发生断纬和长纬的故障10，从而成为保证引纬的正常与否不可缺少的部件。10.边剪喷气织机是单侧引纬，所以不需于每次引纬之前先将一根纬纱按时剪断。边剪的作用就是万无一失的能将每次引纬于进口侧布边处剪断。11.拉伸嘴喷对于强捻纬纱或弹力纬纱，加装拉伸喷嘴以防止纬缩疵点十分有效11。对于喷气织机各个组成部分应该熟练了解，有利于我们理解喷气织机的工作过程，有利于后面的硬件设计以及软件设计。3.2织机的五大运动喷气织机的运动主要有五大运动组成分别是：开口、打纬、卷取、送经、储纬。现对五大运动简要介绍如下：1.开口在织机上按照织物组织的要求，把经纱上下分开，形成梭口的运动，简称开口。完成开口动作的结构称为开口机构。 2.引纬喷气织机使用的是气流引纬技术，依靠高速气流与纬纱间产生的摩擦力牵引纬纱穿过梭口，实现经纬线的交织12。3.打纬是指通过打纬机构将引入梭口的纬纱一根根推向纬口，实现与纬纱的交织。形成需求的织物。4.卷取为了使织造过程能够连续进行，通过织机主轴匀速的将织物引离织造区即为卷取。5.送经 在卷取机构把织物引离织造区的同时，通过送经机构送出定量长度的经纱并且要保证经纱张力的稳定13。3.3喷气织机的电气控制系统目前常规喷气织机电气控制系统主要包括以下方面:1.喷气织机基本动作控制包括织机的启动、运行、停止,并在运行过程中检测织机的各种工艺故障和设备故障,根据工艺要求发出相关指令,控制织机的动作。2.引纬系统控制主要指对织机的主喷嘴电磁阀、辅助喷嘴电磁阀及挡纱销的协调控制14。3.送经系统控制即电子送经控制系统根据织机工艺要求设定参数,计算送经量和送经补偿量以及送经速度,从而控制伺服电机,实现精确送经,有效防止停车档。4.功能参数设置、故障报警提示及生产管理统计完成喷气织机的各项参数设置,详细、准确提供故障、报警信息,监察织机工作状态,汇集生产管理方面所需信息，喷气织机的所有动作均与织机角度息息相关,它对系统I/O信号的响应速度、处理时间、定位停车的位置和电磁阀的开启、关闭角度的准确性以及送经系统的控制精度均有很高要求。我们以转速为600r/min的织机为例,其每毫秒旋转角度为3.6,而织机的角度控制精度要求达到2也就是说,系统必须在一毫秒以内完成对多个信号的处理。这些信号中还包括主机和伺服电机的编码器高频信号、张力传感器的毫伏级模拟量信号、伺服电机的模拟量控制信号等诸多非开关量信号。4 硬件控制系统的实现4.1硬件结构的特点1.Harvard结构程序与数据存储空间分开，各有独立的地址总线和数据总线，取指和读数可以同时进行，从而提高速度，目前的水平已达到90亿次浮点运算/秒（9000MFLOPS）。2.采用流水作业（pipline）3.独立的硬件乘法器 乘法指令在单周期内完成，优化卷积、数字滤波、FFT、相关、矩阵运算等算法中的大量重复乘法。4.循环寻址（Circular addressing），位倒序（bit-reversed）等特殊指令使FFT、卷积等运算中的寻址、排序及计算速度大大提高。1024点FFT的时间已小于1s。5.独立的DMA总线和控制器 有一组或多组独立的DMA总线，与CPU的程序、数据总线并行工作，在不影响CPU工作的条件下，DMA速度已达800Mbyte/s以上。6.多处理器接口使多个处理器可以很方便的并行或串行工作以提高处理速度。7.JTAG（Joint Test Action Group）标准测试接口（IEEE 1149标准接口）便于对DSP作片上的在线仿真和多DSP条件下的调试。4.2硬件设计方案4.2.1硬件结构设计 控制系统分为控制器，接口电路，主驱动器，辅驱动器，各种检测传感器，以及控制器LED，驱动器LED。其硬件设计的结构如图4-1所示，现将设计的结构及每部分实现的作用介绍如下：1.控制器是硬件系统的核心部分，它主要用于对外部信号的计算处理，以驱动器LED控制器LED输入输出接口主驱动器传感器主喷、增压喷、故障灯、接触器、制动辅喷、储纬辅驱动器控制器图4-1 硬件设计结构图Figure 4-1 hardware design structure diagram此来控制整个喷气织机的运动。同时实现对主辅驱动器的控制。2.控制器LED是用来显示控制器的控制状态。3.输入输出接口是用来实现控制器与其他外设硬件信号的通信。同时接受喷气织机上的各种故障传感器，及检侧传感器检测到的信号，通过接口电路输入到控制器，实现对检测到的信号及时的处理4.主驱动是用于控制主喷嘴，增压喷嘴，故障灯LAMP以及接触器的控制。同时向辅助控制器提供12V、24V、48V电源，以及控制信号。5.驱动器LED是用于显示主驱动器的控制状态。6.辅助驱动器有主驱动器控制实现对辅助喷嘴，储纬器的控制。4.2.2硬件原理实现为了更好的，形象的说明硬件电路实现的功能。本文现在介绍喷气织机控制系统与外围设备连接情况，见图4-2 ：图4-2硬件原理图Figure 4-2 hardware principle diagramDSP运动控制系统与外设备的通信分为五大部分分别介绍如下：1.IO模块。IO模块与触摸屏的通信，主要实现人机交互功能，通过触摸屏按键可以通过DSP控制系统控制喷气织机的一些动作。同时通过触摸屏监视机器的工作以及调取机器参数。2.PWM模块。它通过伺服驱动器控制交流伺服电机。交流伺服电机用于带动送经轴的旋转，与A/D模块协同工作，根据A/D模块接收的张力信息控制送经轴旋转的快慢，是实现张力控制的主要手段16。3.A/D模块。张力传感器测得的信号经过模拟信号处理电路处理后，经过A/D模块把模拟信号转换为DSP能够识别的数字信号。4.I/O中断保护模块。主要接收机器在工作时产生的各种故障中断以及保护电路产生的中断17。5.QEP模块。绝对值编码器测得的信号由电平转换器转换后，经该模块传送到DSP控制系统中处理。6.JTAG接口。主要用于DSP系统程序的传送。4.3主轴电机的电气控制系统喷气织机的主轴电机主要是给整个机器提供动力。当喷气织机工作时要求电机在不同的工作状态实现不同的动作。而对电机的控制使用了传统的方法，即通过接触器来控制电机的动作。其电气原理图如图4-3所示：图4-3电机的电器控制原理图Figure 4-3 electronic control system of motor 上图描述了电机控制系统的实现，图中的u、v、w、x、y、z分别表示三相电机三个线圈的六个端，其中u与x、v与y、w与z分别是三个线圈的两端。其中KMB，KMG分别控制变工频的接通。KMZ，KMF分别控制正反转。KMX，KMS分别控制星三角形的转换。根据喷气织机的工艺要求15，上电时电机工作在变频，星形工作状态。为了保证在没有按启动按钮机器不动作，使正反转接触器不闭合。当启动按钮按下时正反转才动作，实现电机的运转。同时为了避免误动作的产生，在硬件设计中考虑了变频与工频、正转与反转、星形与三角之间的互锁。硬件电路实现互锁方法的示意图如图4-4所示图中RE是继电器，为了使上电时电机与工频电连接，上电时控制端设计输入为高电平，三极管导通，1、5端导通。此时，2端常闭触点与COM端交流AC220L断开，而3端常开触点与COM端AC220L接通。采用该结构的继电器使得常开于常闭触点不能同时打开，避免了误动作引起电机的损坏18，起到了很好的保护作用。图4-4互锁示意图Figure 4-4 interlock sketch map硬件电路还设计了紧急制动功能，实现的电路原理图如图4-5所示。A图中电容一端接继电器的4端一端接地（该地与B图中的地为同一地），B图中制动H与制动L之间接负载。上电时电路设计成控制端为高电平，此时三极管VT导通，继电器RE的常闭触电NC与接有电容的COM端关断，而常开触电NO与COM端接通。当B图中的控制端控制为低电平输入时MOS管导通闭合。使得交流AC220L 经二极管T 、电阻R再经电容到地 ，由二极管T3 回到220V电源。给电容充电。当A图中的控制端给出低电平信号，COM 端与常闭触点NC导通，与常开触点NO断开，接电器的NC触点接B图中的制动H端。同时，B图中的控制端给出高电平使MOS管导通。此时，电容经NC制动端到B图中的负载，经制动L端，经MOS管回到地最终回到电容，产生高压放电。起到对负载的高压制动。 A 图B 图图4-5 紧急制动原理图Figure 4-5 urgency trig principle 5 软件控制系统的实现5.1 ModBus协议5.1.1简介ModBus是MODICON公司最先倡导的一种通信协议.经过许多公司的实际应用.逐渐被认可.成为一种应用于工业控制器上的标准通信协议.通过该协议.不同厂商生产的控制设备可以连接成工业网络.实现集散控制.ModBus通信采用主从方式.在同一个网络中有一个主设备及最多达255台从设备.从设备的地址编码为1255。通常情况下,主设备只与1台从设备通信.但当主设备发出的地址码为0即采用广播方式时,可以将消急发送给所有的从设备。标准的ModBus使用RS-232C串行接口.因此ModBus通信以帧为单位.帧的数据结构与RS-232C帧相同。ModBus一次通信其发送和接收的数据包山若干帧组成.协议正是定义了这些帧的意义.控制器只要按照协议解释其接收和发送的帧数据19.就能与在同一网络中采用同样协议的控制器实现通信。ModBus协议有两种通信模式:ASC II模式和RTU(远程终端单元)模式.ASC II模式是将一个字节分为两个ASCII字符发送.而RTU模式以十六进制传送数据一个字节就是一帧.因而数据传送的效率高于ASC II模式.大多数工业控制器采用RTU模式。在同一个网络中.无论主机还是从机.都必须采用相同的通信模式及相同的传输速率。日前.ModBus协议常用的传输速率为1200 bit/s19200 bit/s.本设计采用ModBus协议实现触摸屏与控制系统核心DSP的通信。下面对ModBus协议的数据包格式以及通信命令格式介绍如下：5.1.2 ModBus协议数据包的格式一个典型的ModBus协议数据包的格式如图5-1所示。3.5帧 空闲3.5帧帧1 帧2 帧N-1 帧N图5-1 协议数据包的格式Figure 5-1 agreement data package format其中.第1帧为从机地址,第2帧为功能码,第3,4帧为主机欲访问的从机的起始寄存器地址.第5, 6帧为要访问的寄存器个数.最后两帧为16位CRC校验码。对任何一个ModBus协议数据包.其第1,2,3帧及最后两帧的意义都是相同的.其他帧则根据功能码不同而有所区别。通信开始时首先由主机向从机发送地址.所有从机都会接收到地址并与本机地址比较.若地址不同则可不接收其余帧或对其余帧不做处理.若地址相同则准备接收本次数据包的其他帧。从机接收完毕后.生成接收数据(CRC码除外)的CRC校验码并与主机发送的CRC码比较.若相同则认为接收正确.从机按功能码的要求完成操作并生成回送数据包发送给主机.若校验出错则从机向主机发送出错数据包.出错数据包的特征是将功能码的最高位置位.即大于127的功能码是出错功能码。主机发送的两个数据包之间的间隔应大于3.5帧,从机检测到线路上空闲时间大于3.5帧就认为主机的数据包已经发送结束,下一帧数据即为地址帧,所有的从机都将接收20,因此在一个数据包中帧与帧的间隔不能超过3.5帧,否则将可能引发通信出错.5.1.3 ModBus通信命令格式 下面是2个ModBus命令的主从机收发的数据包格式21,其余的命令可以参照其格式。(1)功能码03H代码功能:读寄存器数据。数据包格式:见表5-1和表5-2。表5-1 主机发送数据包格式Table 5-1 TXD p