基于CORTEX－M3和CAN的印染機同步控制系統

0 引言

隨著(zhù)社會(huì )生活的發(fā)展，人們對現在的印染品的要求也越來(lái)越高，特別是布匹與包裝外殼，那么對現代印染工藝的要求也越來(lái)越高。隨著(zhù)工藝的增加，對印染設備是個(gè)不小的挑戰，這里面最主要的是大型印染聯(lián)合機中多電機的同步控制問(wèn)題。

在印染設備中，電機的同步控制主要有3方面決定：一是處理器對張力傳感器數據的處理速度，以及電機對張力傳感器的反應速度；二是不同的電機組之間機械性能的差異以及它們產(chǎn)生的實(shí)時(shí)同時(shí)控制問(wèn)題；三是控制單元與各電機組之間的通信問(wèn)題，包括速率，抗干擾等。傳統印染聯(lián)合機的做法是采用單片機加AD／DA芯片進(jìn)行數據的處理與執行，也有為了提高數據的處理能力而采用DSP加單片機的做法。隨著(zhù)現在技術(shù)的發(fā)展，在研究了基于A(yíng)RM的CORTEX-M3內核的處理器加CAN總線(xiàn)的分總系統設計方法。

總控制器和單元控制器，采用ST公司推出的基于A(yíng)RM公司Cortex-M3核的STM32F103芯片嘗試進(jìn)行新的設計。這種設計在提高系統性能的基礎上降低了成本同時(shí)實(shí)現了與現有印染設備的對接問(wèn)題。

1 系統設計

1．1 系統結構設計

根據現有印染行業(yè)的印染聯(lián)合機的具體情況，主要針對其控制系統進(jìn)行改進(jìn)。

在大型印染聯(lián)合機的設計中，主要考慮的是多電機的同步控制問(wèn)題，需要保證布匹在傳送的過(guò)程中要平穩，不能因為電機的不同步而造成張力過(guò)大從而使布匹過(guò)度拉伸，也不能因為張力的不足而造成布匹的褶皺。在大型印染聯(lián)合機中根據工藝的復雜與簡(jiǎn)單，需要同步的電機從8個(gè)到40多個(gè)不等，采用CAN總線(xiàn)網(wǎng)絡(luò )保證了可以根據工藝的不同自主的擴展單元控制器的個(gè)數。系統設計框圖如圖1所示。

1．2 系統的組成

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

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

單元控制器的功能主要是微調張力傳感器的靈敏度，實(shí)時(shí)監測個(gè)張力傳感器的數據，根據各張力傳感器的數據調節輸出電壓從而調節對應電機的工作狀態(tài)，同時(shí)還要應對突發(fā)狀況，例如張力傳感器失靈的處理，以及電機失速的處理。

1．3 單元控制器的具體設計

在設計中我采用的是基于A(yíng)RM的CORTEX-M3內核的芯片-STM32f103RCT6如圖2所示。它的特點(diǎn)有：STM32F103系列微處理器是首款基于A(yíng)RMv 7-M體系結構的32位標準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，內置高達256KB的FLASH存儲器和48KB的SRAM。

它內部集成了12位的A／D以及雙通道的12位的D／A，還有專(zhuān)門(mén)面向工業(yè)控制的控制器區域網(wǎng)絡(luò )(CAN)，它提供兼容規范2．0A和2．0B(主動(dòng))，位速率高達1 Mb／s。它可以接收和發(fā)送11位標識符的標準幀，也可以接收和發(fā)送29位標識符的擴展幀。具有3個(gè)發(fā)送郵箱和2個(gè)接收FIFO，3級14個(gè)可調節的濾波器。

1．4 CAN總線(xiàn)接口設計

因為STM32的CAN總線(xiàn)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(xiàn)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構成的隔離電路，這樣就可以很好地實(shí)現CAN總線(xiàn)上各節點(diǎn)的電氣隔離。增加隔離電路雖然增加了節點(diǎn)的復雜性，但它卻提高了節點(diǎn)的穩定性和安全性。此外，為避免信號反射，導致通信的可靠性與抗干擾能力下降，甚至無(wú)法通信，因此，在CAN總線(xiàn)的兩端需要加有2個(gè)120Ω的總線(xiàn)阻抗匹配電阻。CAN接口設計如圖3所示。

2 系統工作原理

系統的工作原理主要包括4部分：系統的工作前的調節，系統的啟動(dòng)，工作中的時(shí)時(shí)同步調節以及對故障的處理。

(1)在系統工作前，因為印染設備的各電機單元機械部分屬性不可能都相同，所以要在傳送布匹前調節各個(gè)部分的運轉同步系數Li使其沒(méi)有負載時(shí)線(xiàn)速度一樣。在這里一般設置第1個(gè)單元控制器的第1個(gè)電機單元為主令單元，其他的為從動(dòng)單元。需要調節個(gè)從動(dòng)電機單元的運轉速度與主動(dòng)單元的線(xiàn)速度一致。這個(gè)系數Li設置后就在以后的運行中固定下來(lái)。

(2)系統的啟動(dòng)是由主控制器先向各單元控制器發(fā)出控制命令，包括設置布速V，以及達到布速v的上升時(shí)間間隔，然后主控制器給出總的啟動(dòng)命令，單元控制器根據主控制器的命令設置對應的8路信號輸出，從而控制各電機單元按照預先的設置的上升時(shí)間間隔運轉至設定的轉速。

(3)系統工作中的調節，根據印染聯(lián)合機的實(shí)際工作中，當當電機轉速增加時(shí)，會(huì )改變張力傳感器的測量數據。根據公式：

Vout=V0Li+KiFi (1)

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