文獻標識碼: A
DOI:10.16157/j.issn.0258-7998.181696
中文引用格式: 郭偉軍,,章國青,,孫以澤. 基于STM32和PCL6045BL的經(jīng)編機電子橫移系統(tǒng)設(shè)計[J].電子技術(shù)應(yīng)用,2018,,44(12):36-39.
英文引用格式: Guo Weijun,,Zhang Guoqing,Sun Yize. Design of warp knitting electronic shogging system based on STM32 and PCL6045BL[J]. Application of Electronic Technique,,2018,,44(12):36-39.
0 引言
梳櫛橫移機構(gòu)作為經(jīng)編機五大基本機構(gòu)之一,,其動作性能直接決定著成圈編織過程的成敗與產(chǎn)品品質(zhì)的優(yōu)劣,對經(jīng)編產(chǎn)品的花式效果,、性能和檔次,,以及花型研發(fā)的創(chuàng)作空間都有著重要的影響[1]。電子橫移的應(yīng)用,,順應(yīng)了目前全新的個性化小批量,、訂制化多品種的短周期經(jīng)編產(chǎn)品市場競爭需求,為經(jīng)編操作提供了極大的便利和靈活性[2],。目前,,國外經(jīng)編企業(yè)已開發(fā)出了多種適用于不同機型的電子橫移產(chǎn)品,但其價格相對比較昂貴,,因此,,開發(fā)適合國內(nèi)經(jīng)編企業(yè)成本低廉、性能穩(wěn)定的高性價比電子橫移系統(tǒng)有著深遠的意義,。本文結(jié)合并發(fā)揮嵌入式微控制器和專用運動控制芯片的特點及優(yōu)勢,,設(shè)計了一套嵌入式經(jīng)編機電子橫移系統(tǒng)。
1 系統(tǒng)總體設(shè)計方案
經(jīng)編機梳櫛橫移運動具有大加速啟停、高精度定位和高頻率往復(fù)等特點,,因此所設(shè)計的系統(tǒng)必須滿足運動平穩(wěn),、定位精確、響應(yīng)快速等要求[3-4],。系統(tǒng)設(shè)計采用三層架構(gòu)進行規(guī)劃,,依次是:運動管理層、運動控制層和運動執(zhí)行層,,圖1即為系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)框圖,。運動管理層,采用工控機作為系統(tǒng)管理支持,,配備編寫或組態(tài)的上位機軟件向上與操作用戶直接交互,,向下與運動控制層經(jīng)由通信網(wǎng)絡(luò)進行數(shù)據(jù)通信,。運動控制層,,作為系統(tǒng)控制核心,其主要任務(wù)是完成對多軸伺服驅(qū)動機構(gòu)的實時運動控制,,并與上位機進行通信,,獲取并存儲工藝數(shù)據(jù)、系統(tǒng)參數(shù),,執(zhí)行上位機控制或反饋上位機監(jiān)測等,。運動執(zhí)行層,主要包括由伺服驅(qū)動器與伺服電動機,、電缸組成的電氣伺服執(zhí)行機構(gòu)和由導(dǎo)紗梳櫛,、撐桿與拉簧組成的機械傳動機構(gòu)兩部分。
2 運動管理層設(shè)計
選用工控機作為系統(tǒng)管理支持,,有著運行穩(wěn)定和數(shù)據(jù)處理能力強等優(yōu)點,。本文采用北京昆侖通態(tài)的MCGSE進行系統(tǒng)的上位機軟件組態(tài)開發(fā),,應(yīng)用Modbus TCP協(xié)議與運動控制層進行數(shù)據(jù)通信。設(shè)計的上位機軟件主界面如圖2所示,其他內(nèi)部界面根據(jù)功能需求開發(fā)設(shè)計,。
3 運動控制層設(shè)計
經(jīng)編機電子橫移系統(tǒng)涉及的關(guān)鍵技術(shù)即為運動控制技術(shù),運動控制技術(shù)是制造業(yè)自動化前進的旋律,,是推動新的產(chǎn)業(yè)革命的關(guān)鍵技術(shù)[5],。隨著微電子技術(shù)的不斷發(fā)展,基于嵌入式系統(tǒng)的運動控制日益增多,。本文結(jié)合嵌入式微控制器STM32與專用運動控制芯片PCL6045BL兩者的特點及優(yōu)勢,,設(shè)計了一套嵌入式經(jīng)編機電子橫移控制器,滿足系統(tǒng)對復(fù)雜的控制功能和高速,、高精度運動控制的要求,,同時兼顧系統(tǒng)成本和結(jié)構(gòu)。
3.1 運動控制器硬件設(shè)計
運動控制器硬件結(jié)構(gòu)主要包含兩大部分:STM32主控板和PCL6045BL運動控制板,兩塊板之間通過STM32的FSMC(Flexible Static Memory Controller)總線進行通信,,系統(tǒng)硬件總體結(jié)構(gòu)框圖如圖3所示,。其中,主控芯片STM32F103ZET6是ST公司生產(chǎn)的基于ARM Cortex-M3內(nèi)核的32位微控制器,,主頻可達72 MHz,,具有高性能、低成本,、穩(wěn)定等諸多優(yōu)點[6],。運動控制芯片PCL6045BL是日本NPM公司設(shè)計的一款功能強大的專用運動控制芯片,是一種CMOS大規(guī)模集成電路,,專門用于提供驅(qū)動步進馬達或伺服馬達所需的高速振蕩脈沖,,可提供多種脈沖輸出功能,可以控制多達4個運動軸,,采用總線方式接收MCU命令,,同時可向MCU提供PCL的工作狀態(tài),使得MCU通過簡單的指令便可實現(xiàn)多種運動控制,,這種智能化設(shè)計理念很好地減少了MCU的負擔(dān)[7-8],。雙針床經(jīng)編機為增強花型變換能力,梳櫛數(shù)一般在4~8把之間,,因此該系統(tǒng)采用兩塊運動控制器來完成對伺服執(zhí)行系統(tǒng)的控制,,兩塊控制器通過交換機轉(zhuǎn)換,與上位機之間采用Modbus TCP協(xié)議進行通信,。
3.2 運動控制器軟件設(shè)計
控制器軟件設(shè)計主要包括PCL6045BL運動控制器驅(qū)動程序及運動控制功能程序設(shè)計,、Modbus TCP通信設(shè)計和系統(tǒng)主體程序設(shè)計三大部分。
3.2.1 PCL6045BL的控制
PCL6045BL通過將IF0端子拉高,、IF1端子置低配置其與STM32的接口模式為16位的H8接口,。STM32通過FSMC總線來驅(qū)動PCL6045BL,將PCL6045BL當(dāng)作16位的SRAM來控制,,F(xiàn)SMC的工作模式配置為模式A,。由于外擴的SRAM、以太網(wǎng)接口芯片DM9000A和PCL6045BL均掛載在FSMC總線上,,它們使用不同的片選進行區(qū)分,,SRAM接FSMC_NE3,對FSMC_NE2配合FSMC_A19和FSMC_A20通過74HC138進行地址譯碼輸出,,DM9000A接74HC138的Y2#輸出端,,PCL6045BL接Y4#輸出端,如此一來,,便可計算得到其對應(yīng)的基地址分別為0x64100006(注:DM9000采用FSMC_A2作命令和數(shù)據(jù)區(qū)分線)和0x64200000,,然后每個軸的內(nèi)部寄存器地址由A1、A2地址線確定(注:A0接地),軸地址范圍由輸入端子A3和A4進行選擇,,從而各軸控制地址映射范圍依次為:X軸=基地址,、Y軸=基地址+0x10、Z軸=基地址+0x20,、U軸=基地址+0x30,。STM32對PCL6045BL的訪問實際上是對寄存器的操作。圖4(a)和(b)分別給出了STM32讀寫操作PCL6045BL寄存器的流程圖,。
在實現(xiàn)基本的讀寫操作后,,就可利用這些基本的讀寫操作函數(shù)編寫所需要的運動控制API,這里只對重點使用到的相對(即增量)定長運動模式作簡單介紹,。首先,,寫入相對定長運動指令到運動模式寄存器PRMD,接著配置運動速度相關(guān)寄存器,,然后寫入運動偏移量到運動距離寄存器PRMV,,最后寫入啟動指令等待完成即可。
3.2.2 Modbus TCP通信
Modbus通信協(xié)議是工業(yè)領(lǐng)域通信協(xié)議的業(yè)界標準,,是應(yīng)用于電子控制器上的一種通用語言,,通過此協(xié)議可以實現(xiàn)控制器與控制器之間、控制器經(jīng)由網(wǎng)絡(luò)與其他設(shè)備之間的通信[9],。Modbus主從式或CS(Client/Server)架構(gòu)很好地滿足了確定性的要求,目前世界上絕大部分網(wǎng)絡(luò)都使用TCP/IP,,通過在應(yīng)用層使用Modbus協(xié)議,,將Modbus信息幀嵌入到TCP幀的數(shù)據(jù)段中,就可以實現(xiàn)工業(yè)以太網(wǎng)的數(shù)據(jù)交換,,具有很高的性價比,,是一種很好的解決方案[10]??刂破鬈浖浦睱WIP到平臺上實現(xiàn)嵌入式TCP/IP協(xié)議棧,,在通信應(yīng)用層上將Modbus幀嵌入到TCP幀中簡單可靠地實現(xiàn)嵌入式Modbus TCP協(xié)議。所設(shè)計的系統(tǒng)中運動控制器作為服務(wù)器(Server),,上位機作為客戶端(Client)經(jīng)由交換機與兩塊控制器建立通信連接,。控制器端Modbus服務(wù)器設(shè)計流程如圖5所示,。
3.2.3 系統(tǒng)主程序
在上電完成系統(tǒng)初始化后,,讀取花型重要參數(shù)如花型高度、當(dāng)前橫列等,,開啟服務(wù)器端,,等待上位機建立網(wǎng)絡(luò)通信連接,接收由上位機傳入的花型工藝數(shù)據(jù)或參數(shù)修改信息,然后在經(jīng)編機運行過程當(dāng)中,,實時采集主軸絕對值編碼器獲取主軸位置信息,,根據(jù)主軸位置信息和當(dāng)前橫列,獲取并計算出相應(yīng)的橫移驅(qū)動指令,,橫移角度到達時發(fā)送給伺服驅(qū)動器,,進而使伺服電動機驅(qū)動電缸帶動導(dǎo)紗梳櫛完成橫移墊紗運動。系統(tǒng)主體程序?qū)崿F(xiàn)流程圖如圖6所示,。
4 運動執(zhí)行層設(shè)計
運動執(zhí)行層作為最終的輸出,,對系統(tǒng)的精度有著重要的影響,該層在設(shè)計過程中主要是對一些器件的選型,。伺服電動機選用的是松下的低慣量MSMF082L1U2M交流伺服電動機,,其額定輸出功率為750 W,額定轉(zhuǎn)速3 000 rpm,,最大轉(zhuǎn)矩為2.39 N·m,。伺服驅(qū)動器選擇的是松下MINAS A6系列MCDLN35SG通用通信型驅(qū)動器,采用位置控制模式,,具有控制簡單且定位精確的優(yōu)勢,。伺服電動缸選用的是常州博控自動化科技有限公司的BKB060伺服電動缸,行程60 mm,,導(dǎo)程10 mm,,傳動精度高,安裝方便,,使用壽命長,。
5 測試結(jié)果
系統(tǒng)以企業(yè)生產(chǎn)的RD7-EL-138-E22雙針床拉舍爾經(jīng)編機(針距1.155mm)為實用對象,系統(tǒng)平臺搭建實物圖如圖7所示,,測定的梳櫛橫移起始角度如表1所示,,使用的是8位絕對值編碼器所對應(yīng)的實際值而非實際的角度值。根據(jù)花型工藝要求所使用到的梳櫛為GB3~GB7,,本文以GB5為主要測試對象,,其對應(yīng)的工藝墊紗數(shù)碼值如表2所示。圖8為使用松下伺服PANATERM測試軟件實測的在主軸轉(zhuǎn)速300 r/min運行條件下的GB5伺服系統(tǒng)的絕對式單圈數(shù)據(jù)(即位置)波形圖,,圖中標注的數(shù)字即為對應(yīng)的工藝墊紗數(shù)碼,。測試結(jié)果和現(xiàn)場實際應(yīng)用都表明,系統(tǒng)橫移定位精確,,響應(yīng)速度較高,,運行平穩(wěn),布面質(zhì)量良好,,滿足正常生產(chǎn)需求,。
6 結(jié)論
本文采用三層架構(gòu)完成系統(tǒng)設(shè)計,,著重對運動控制層主要模塊的軟硬件設(shè)計做了介紹,充分發(fā)揮了嵌入式微處理器和專用運動控制芯片的特點及優(yōu)勢,,實現(xiàn)了系統(tǒng)的穩(wěn)定可靠運行,,并在實際現(xiàn)場應(yīng)用中取得了成功的驗證,滿足雙針床拉舍爾經(jīng)編機800橫列/分鐘的生產(chǎn)能力,。
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作者信息:
郭偉軍,,章國青,孫以澤
(東華大學(xué) 機械工程學(xué)院,,上海201620)