高性能电脑横机控制系统的优化设计
开篇：润墨网以专业的文秘视角，为您筛选了一篇高性能电脑横机控制系统的优化设计范文，如需获取更多写作素材，在线客服老师一对一协助。欢迎您的阅读与分享！
摘要：|针对电脑横机控制系统的优化，本文先给出了硬件和软件系统的设计内容及控制策略的优化思路，然后以机头子系统为例，重点介绍了控制方案优化的具体方法。子系统采用基于FPGA的分布式控制方案，以编织行为单位的控制数据组织方式和数据双缓冲结构，加速了底层的响应时间，同时给顶层设计留出了功能扩展的余量，实现了编织过程的零等待，提高了编织效率。应用结果证明，整体优化后的系统实时、高效，稳定性好，具有较高的实用价值。
关键字：电脑横机；优化设计；FPGA；分布式控制
中图分类号：TS183.42 文献标志码：A
Optimization Design of Control System for High Performance Computerized Flat Knitting Machine
Abstract： For optimizing the control system of computerized flat knitting machine， this paper first presented the design content of the hardware and software systems and the idea for optimizing the control strategy， and then it introduced the practical methods for optimizing the control scheme by taking the machine head system as an example. The subsystem adopts FPGA-based distributed control scheme， the control data organization made in unit of knitting course and the double-buffered data structure. As the result， it has accelerated the response time of the bottom level， while providing the top-level design with the allowance for function expansion， realized zero wait state of knitting process and improved the knitting efficiency.
Key words： computerized flat knitting machine； optimization design； FPGA； distributed control
电脑横机是集计算机技术、机电一体化技术与针织工艺技术为一体的技术含量较高的针织设备，通过传动系统、送纱系统、编织系统、摇床系统、牵拉系统、密度调节系统之间的相互协调动作进行编织工作。本文主要从硬件和软件两个方面介绍了电脑横机控制系统架构设计及优化思路，并重点介绍了核心的机头子系统的控制、通信方案优化的实现方法。
1 硬件系统架构的优化设计
硬件系统优化的主要内容是进一步掌握和完善机头运动控制、摇床运动控制、选针控制、选纱控制、起底板控制、织物牵拉运动控制、自动剪刀夹子控制和三相交流电机变频调速等关键技术，设计相应控制电路，优化控制算法，全面提高控制系统的安全性、可靠性和实时性，实现电脑横机控制系统的商品化、系列化生产。
为提高可靠性、缩短研发调试时间，采用可编程逻辑器件FPGA/CPLD实现硬件主要功能；为提高整个控制系统的可靠性和实时性，本项目组自行研发ARM嵌入式硬件控制系统和显示/输入终端设备；在硬件设计时优化系统结构和元器件选用，注意提高器件国产化率，降低制造成本；重新设计交流电源的输入和分配控制模块。
整个控制系统硬件结构如图 1 所示。
设计主要内容如下。
（1）ARM嵌入式控制系统
嵌入式系统是集软硬件于一体的、可独立工作的计算机系统，目前，该系统广泛应用于生产过程控制、数据采集、传输通信等场合。嵌入式系统与通用计算机系统相比，有如专用性强、实时性好、可裁剪性好、可靠性高和功耗低等一些特点。横机控制系统采用嵌入式控制系统作为软硬件工作平台，直接带来开发周期短和稳定可靠的好处。
设计内容主要有：ARM嵌入式控制系统硬件组成部份：ISA总线接口、USB接口、以太网接口、串行通信接口等硬件组件使用规范的掌握和应用；本项目组自行开发的FPGA/CPLD硬件组成部份与嵌入式控制系统硬件平台的数据通信接口。
（2）可编程逻辑器件FPGA/CPLD主控板
在横机控制系统设计过程中，将选择最新型的可编程逻辑器件完成硬件系统诸如步进电机驱动、三相感应电机调频调压控制、电磁阀驱动、编织命令解析、控制信号输入/输出和硬件模块间通信等功能。
（3）机头控制系统
机头编织系统主要完成选针、选纱和织物密度的控制。
选针和选纱是横机编织过程中最基本的动作，它们都是通过控制电磁阀（组）来完成动作。选针动作由单向通电的选针电磁阀和双向通电的三角电磁阀协同完成，选纱动作由双向通电的选纱电磁阀完成。
通过精心设计的电路和控制算法确保编织的速度和织物的质量。
横机织物的密度由度目电机、主副罗拉电机和起底板电机控制。机头编织系统控制度目电机的多段运动协同完成密度的控制。
由于机头控制系统涉及的被控对象多，距离主控板远，而且随机头在编织过程中连续不停地做往复运行，因此设计控制结构时考虑控制信号的通信结构和实现方法。
（4）位置检测
在横机编织工作过程中，机头位置的精确而快速定位是完成织物编织最基本而又最重要的要求，本文设计要求的机头定位精度达到0.1 mm。岛津SIG122SV采用一体化磁性旋转传感器配合铁磁性齿条获得机头运动方向和位移情况等信号，其器件采购困难、价格昂贵。故采用从伺服驱动器获得脉冲信号经整形和处理来确定机头的位置，并提供在外电源中断时位置信息的保存和恢复功能。
（5）三相交流变频调速控制系统
横机织物的密度由机头度目电机、主副罗拉电机和起底板电机控制。设计三相交流变频调速控制模块，输出高压三相交流电驱动主副罗拉电机和起底板电机的调压/调速运行，实现在不同编织阶段、不同密度要求情况下各电机运动的衔接。
（6）电源管理和分配模块
电源模块优化的思路主要是将三相交流电输入输出变压器改为单相交流电输入变压器，变压器的制作材料由国产替代进口，重新设计变压器；取消电源滤波电路、改造电源监测电路、取消多个交流接触器；设计负载电源控制，简化多支路电源控制，改用单相交流接触器代替多个三相交流接触器。
2 软件系统的架构设计
软件系统设计主要内容是WinCE6.0环境下ARM嵌入式系统驱动程序模块和应用软件底层支持模块。考虑到国内针织品花样设计人员较多使用Picasso花样制版软件，软件设计内容中包含了兼容Picasso花样制版软件数据格式的要求；通过分析织物基本结构与横机机械部份动作之间的关系，修改确定花样编织控制文件数据格式和编织工艺参数，进而设计出运行于ARM嵌入式系统上的具有高度人性化操作界面的编织控制程序。
区别于传统硬件设计方法，采用EDA设计方法使用硬件描述语言HDL编程来实现可编程逻辑器件FPGA/CPLD的各种控制功能。
系统软件结构如图 2 所示。
设计主要内容如下。
（1）编织控制软件
包括花样文件获取、出带文件解析、花样文件数据格式和编织控制命令格式定义、编织数据和编织动作序列生成、编织动作控制、可靠性和安全性实现、操作界面设计和数据通信算法。
（2）ARM控制系统
包括操作系统裁剪、文件管理、设备管理、存储器管理、任务调度、终端显示/键盘输入程序和底层驱动模块。
（3）主控板CPLD/FPGA控制算法
包括感应电机变频调速驱动、电磁阀PWM驱动控制、步进电机控制、机头运动控制、摇床运动控制、与ARM之间通信、与机头FPGA之间通信、电源控制和各种编织状态信号和各传感器信号输入/输出及处理。
（4）机头控制FPGA控制算法
包括选针电磁阀控制、选纱电磁阀控制、压脚电磁阀控制、密度步进电机驱动控制、与主板FPGA之间通信和机头传感器信号输入/输出及处理。
（5）机头位置检测与处理
包括信号获取、机头位置数据的获取和保存。
3 系统控制策略及机头通信控制方案优化
电脑横机控制系统主要由主控制系统和机头子系统两部分组成，其中机头子系统包含了整机80%以上的编织动作执行机构，机头子系统的响应实时性和工作稳定性直接影响到电脑横机的有效编织速度、稳定性和产能的提高。
本设计采用了基于FPGA的分布式控制方案，采用以“行”为单位的控制数据组织方式和控制数据双缓冲结构，不仅加速了底层的响应时间，也给顶层设计留出了功能扩展的余量，实现了编织过程的零等待，提高了编织效率。
3.1 基于FPGA的分布式控制方案
全自动电脑横机控制系统的主要任务可以概括为控制横机各执行机构协同、稳定工作。而横机执行机构又可以分为两大部分：机头执行机构和除机头以外的其他执行机构。这样划分的依据是，一方面机头以极高的密度集中了横机系统中几乎全部的电磁铁和大部分的步进电机，以典型的单机头双系统 8 段选针电脑横机为例，机头共安装64个选针电磁铁、48个三角压块电磁铁、32个选纱嘴电磁铁、8 个度目步进电机和 4 个压脚步进电机；另一方面相对于其他安装位置固定的执行机构，机头执行机构在编织过程中处于往复运动状态，需要通过专用的拖动电缆与主控制系统相连接，具有一定特殊性。
基于微控制器的集中式控制方案存在一定弊端：（1）电脑横机执行机构众多，需要多机构协同工作才能实现理想的编织效果。因此电脑横机电控系统应当是一个实时多任务控制系统。目前没有横机专用的微控制器，而采用通用微控制器，很难实现真正的实时多任务控制；（2）主控制器与机头如采用直连电缆连接，由于执行机构数量众多，所需电缆芯数很大，电缆成本大大提高，可靠性较低。
主控制器与机头如采用通信方式连接，由于部分执行机构如选针电磁铁对工作实时性要求很高，这就要求主控制器在极短时间内完成控制数据解析、运算、压缩、发送、校验工作，对于类似于DSP处理器的各类微控制器而言，上述要求意味着主控制器的工作负荷较大。虽然已有成熟产品采用这种方案稳定地实现了电脑横机整机控制系统，但当微控制器负荷较大时，在原有方案上的升级空间已经所剩无几，如需要增加新的控制功能所面临的工作量将呈几何级数增长，甚至需要原有方案进行重新设计。
针对以上所分析的基于微控制器的集中式控制方案的弊端，本文提出了基于FPGA的分布式控制方案，具体思路如下。
（1）分布式设计。本项目将电脑横机电控系统划分为主控制系统和机头子系统两个模块。机头子系统配置控制器，可以独立完成机头执行机构的控制功能。主控制系统负责除机头外的其他控制功能，并为机头子系统提供控制数据。主控制系统与机头子系统之间采用通信电缆进行连接。
采用分布式设计方案，有效降低了各系统的工作负荷。对于电脑横机这种实时多任务控制系统，采用分布式设计可以有效应对多任务控制的设计难点，提高控制效率。
（2）基于FPGA的设计。针对电脑横机控制系统实时性要求较高的特点，本方案舍弃了基于微控制器的设计方案，在主控制系统和机头子系统中采用FPGA作为执行机构控制器，实现执行机构的控制功能。充分利用FPGA的特点，为每个执行机构设计了独立的可并行执行的动作控制模块，不仅实现了真正意义上的实时多任务控制功能，而且通过优化各模块的控制接口，使得增加或删除某项控制功能的工作变得简单高效，具备“搭积木式”的重设计和升级能力，大大降低了后续系统的开发和升级成本。
3.2 控制数据的双缓冲结构
采用上述基于FPGA的分布式控制方案，执行机构动作所需的控制数据均由主控制系统通过通信总线发送至机头子系统。
本设计采用了以“行”为单位的控制数据组织方式，即将编织过程中整行机头执行机构控制数据打包后发送给机头子系统，机头子系统收到数据后存入缓冲区，在编织过程中，机头子系统根据机头当前位置取出并执行控制数据。
同时为进一步提高通信效率，机头子系统采用了控制数据双缓冲结构，设计了两个缓冲区分别保存当前行和下一行控制数据。主控制系统在当前行开始时将下一行数据提前发送给机头子系统，从而使机头子系统在当前行结束时可以无需等待通信数据，而直接开始下一行的编织，实现了编织过程的零等待，提高了编织效率。
3.3 系统硬件设计
本文中设计的机头子系统结构框图（图 3）。
机头子系统由 5 块电路板组成，包含：接口电路板一块、FPGA控制（含传感器和选纱嘴驱动电路）电路板一块、选针三角压块驱动电路板两块和压脚、度目驱动电路板一块。其中接口电路板作为母板实现信号互联功能，其余电路板作为子板插接在母板上，从而构成完整的机头子系统。
（1）FPGA控制（含传感器和选纱嘴驱动电路）电路板
FPGA控制电路板采用了两块型号为XC3S400-4TQ144I的FPGA芯片作为控制器，用以完成机头执行机构的控制，具体任务包括：接收主控制系统发送的机头执行机构控制数据；根据针位置传感器的信号计算当前机头运行位置（最小单位：1/16针）；在自动运行方式下根据机头运行位置和控制数据产生机头执行机构驱动信号；在手动运行方式下根据控制数据产生机头执行机构驱动信号；机头执行机构的状态检测和错误保护。该电路板上同时集成了 3路针位置传感器接口、20路机头执行机构传感器接口和32路选纱嘴电磁铁驱动电路。
（2）选针三角压块驱动电路板
选针三角压块驱动电路板受FPGA控制电路板控制实现选针电磁铁、三角压块电磁铁的驱动功能。该电路板上集成了24路三角压块电磁铁驱动电路、32路选针电磁铁驱动电路和选针电磁铁过流保护电路。一套完整的机头子系统中可根据需要配备两块选针三角压块驱动电路板，实现最多48路三角压块电磁铁和64路选针电磁铁的驱动控制功能。
4 结语
电脑横机控制系统整体性能的优化对于产业化有着重要的意义，本文从嵌入式系统设计、机头位置检测、电源系统等多个方面提出了优化的思路。并着重给出了机头子系统的优化设计方法，实现机头系统与主控系统的总线式通信，简化连接电缆，和岛精SIG机型相比，使通信电缆芯数由约80芯下降到9芯，精简了电力电缆。
整体优化后的控制系统很好地满足了实时性、稳定性的要求。目前，采用该优化后控制系统的电脑横机工作稳定，可实现复杂嵌花花型的编织，性能达到日本岛精公司SIG系列水平，这对于高性能电脑横机的全面国产化具有重要的意义。
参考文献
[1] 张宇，韩强，白惊宇.基于ARM的电脑横机可视化数据处理系统的研制[J].针织工业，2009（1）：33-36.
[2] 王琛銮.电脑横机控制器的软件设计[D].杭州：浙江大学，2006.
[3] 吕建飞，傅建中.基于嵌入式ARM全自动横机的控制系统[J].纺织学报，2005，26（6）：101-103.
[4] 潘启勇，卢达.基于FPGA的电脑横机控制器PC104总线接口设计[J].东南大学学报，2008，38（11）：154-157.
[5] 孙华平，卢达.灵敏度可调的电脑横机震动保护设计[J].纺织学报，2009，30（9）：119-122.
[6] 陈景波，卢达，王玲玲.全自动电脑横机上位机软件的设计[J].纺织学报，2011，32（2）：131-135.