基于FPGA的纺机单锭控制系统及方法.pdf

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1、(10)申请公布号 CN 104032422 A (43)申请公布日 2014.09.10 CN 104032422 A (21)申请号 201410242377.8 (22)申请日 2014.05.30 D01H 1/24(2006.01) D01H 13/00(2006.01) (71)申请人 杭州电子科技大学 地址 310018 浙江省杭州市下沙高教园区 2 号大街 (72)发明人 高明煜 刘云飞 黄继业 曾毓 何志伟 (74)专利代理机构 杭州求是专利事务所有限公 司 33200 代理人 杜军 (54) 发明名称 基于 FPGA 的纺机单锭控制系统及方法 (57) 摘要 本发明提出一种。

2、基于 FPGA 的纺机单锭控制 系统及方法， 包括人机交互界面、 主控制模块、 N 个 8 路无刷直流电机控制器和 8*N 个无刷直流电 机。本发明根据设定的纱线速度自动协调控制各 锭子电机的转速， 从而提高了工作效率和纱线成 型质量。本发明通过 CAN 总线在一台纺织机设备 上有效协调多台无刷直流电机间的转速， 淘汰齿 轮传动， 减少龙带传动环节， 实现纺机设备的高转 速、 高精度和高效率运行， 大幅度降低电动驱动装 置的工作能耗， 减少噪声等污染。 本发明采用基于 ARM 和 FPGA 的 8 路无刷直流电机控制器， 真正实 现织机的单锭单控制， 同时结构简单， 成本低， 维 护使用方便。。

3、 (51)Int.Cl. 权利要求书 1 页 说明书 3 页 附图 1 页 (19)中华人民共和国国家知识产权局 (12)发明专利申请 权利要求书1页 说明书3页 附图1页 (10)申请公布号 CN 104032422 A CN 104032422 A 1/1 页 2 1. 基于 FPGA 的纺机单锭控制系统， 包括人机交互界面、 主控制模块、 N 个 8 路无刷直流 电机控制器和 8*N 个无刷直流电机 ； 其中 1 N 100 ； 其特征在于 : 所述的主控制模块包括 ARM 处理器 STM32F429、 CAN 主驱动模块和地址设 定装置 ； 所述的每个 8 路无刷直流电机控制器包括 A。

4、RM 处理器 STM32F103、 FPGA 处理器、 三相桥 式驱动芯片IR2133、 CAN从驱动模块和地址设定装置 ； 所述的CAN从驱动模块通过CAN总线 接口与主控制模块的 CAN 总线接口相连， 主控制模块通过 FSMC 总线接口与 FPGA 模块的普 通 IO 口相连， FPGA 模块通过普通 IO 口分别与三相桥式驱动芯片 IR2133 控制口和无刷直 流电机的霍尔信号相连 ； 所述的人机交互界面的 8 寸 LCD 数字屏和触摸屏与主控制模块的 ARM 处理器 STM32F429自带的LCD控制器接口连接， 主控制模块中CAN主驱动模块的CAN通信接口与每 个 8 路无刷直流电。

5、机控制器中的 CAN 从驱动模块的 CAN 通信接口连接， 每个 8 路无刷直流 电机控制器与 8 路无刷直流电机的 U、 V、 W 信号和霍尔信号相连。 2. 根据权利要求 1 所述的基于 FPGA 的纺机单锭控制系统， 其特征在于 ： 所述的 8*N 个 无刷直流电机选用高转速无刷直流电机。 3. 根据权利要求 1 所述的基于 FPGA 的纺机单锭控制系统， 其特征在于 ： 所述的人机交 互界面包括群创的 8 寸 LCD 数字屏和触摸屏。 4. 一种如权利要求 1 所述的基于 FPGA 的纺机单锭控制系统的控制方法， 其特征在于 ： 包括以下步骤 ： 步骤 (1) ： 主控制模块通过其地址。

6、设定装置将地址设定为 0， 1 号 N 号段， 8 路无刷直 流电机控制器通过其各自的地址设定装置将地址依次设定为 1、 2、 3N ； 步骤 (2) ： 主控制模块的 ARM 处理器获取人机交互界面装置中的单锭控制指令信息， 将 其转换为CAN命令并存储于主控制模块内存中 ； 主控制模块通过其中的CAN主驱动模块， 将 存储于主控制模块内存中的 CAN 命令下发给 1 号 N 号段 8 路无刷直流电机控制器 ； 步骤 (3) ： 1 号 N 号段 8 路无刷直流电机控制器通过各自的 CAN 从驱动模块接收主控 制模块下发的 CAN 命令 ； 1 号 N 号段 8 路无刷直流电机控制器分析该命。

7、令的地址与自己 的地址相符时， 读取该命令的内容并转换成单锭控制指令信息， 将其存储于 8 路无刷直流 电机控制器内存中 ； 步骤 (4) ： 1 号 N 号段 8 路无刷直流电机控制器的 ARM 处理器根据获取的单锭控制指 令信息， 自动调节 1 号 N 号段 8 路无刷直流电机控制器所在段的无刷直流电机驱动电机 li(i 1,28) 的 PWM 占空比 i(i 1,28)， 并通过 FSMC 总线将 PWM 占空比 i传给 FPGA 处理器， 通过 FPGA 处理器独立控制各自的无刷直流电机 li的转速 ； 步骤 (5) ： 1 号 N 号段 8 路无刷直流电机控制器各自的 FPGA 处理。

8、器通过周期法获得 各自的无刷直流电机li霍尔传感器信号的频率， 并计算出各自的无刷直流电机li实际转速 测量值 i(i 1,28)， 并通过 FSMC 总线将各自的无刷直流电机驱动电机 li的实际 转速 vi传给各自的 8 路无刷直流电机控制器的 ARM 处理器， 各自的 8 路无刷直流电机控制 器的 ARM 处理器根据各自的电机实际转速 vi与设定转速值进行对比， 然后协调和修正各自 的无刷直流电机 li的转速， 确保单锭控制系统能自动完成纱线成型。 权 利 要 求 书 CN 104032422 A 2 1/3 页 3 基于 FPGA 的纺机单锭控制系统及方法 技术领域 0001 本发明属于。

9、电子技术应用领域， 具体属于纺织电子技术， 具体涉及一种基于 FPGA 的纺机单锭控制系统及方法。 背景技术 0002 纱线成型是影响纺纱品质的关键技术， 传统的纺织机械设备， 如短纤倍捻机、 化纤 倍捻机、 气流纺纱机、 加弹机、 并纱机、 槽筒机、 包覆丝机、 直捻机等， 无论是从国外进口还是 国内自主研发， 其纱线导轮成型系统均由大量的机械结构组成， 它包括齿轮传动机构、 凸轮 往复机构、 齿轮润滑机构、 修边装置等， 由齿轮箱来驱动横动杆左右横动， 从而带动导纱装 置让纱线规则均匀地绕在绕线筒上。这些纺机设备均存在以下不足之处 ： 整套机构由铸 铁件组成， 体积大， 重量重， 整机能耗。

10、大 ； 检修麻烦， 需要耗费大量人力。机构由许多齿轮 传动构成， 存在磨损与咬合的问题， 磨损大， 故障率高 ； 凸轮往复存在往复速度不能太高 的先天不足， 导致一些纺织机械由于导丝速度限制而使整机效率低、 产量低 ； 很多高要求 成型不能完成， 例如需无规则的防叠成型就不能完成 ； 齿轮箱润滑油需频繁更换， 一年需 更换两次， 每次 15 公斤， 在天气寒冷的北方， 需要使用专用的防冻润滑油， 保养成本高 ； 导丝动程相对比较短， 一般为 170mm200mm， 若需要再增加动程必须增加齿轮箱的体积和 重量 ； 横动的频率不易控制， 特别是横动的频率无法与卷绕速率相配合， 影响了纱线成品 的。

11、质量。 0003 国家十二五纺织产业发展规划对纺织产业的节能减排提出了新的更高的要求， 整 个纺织产业在十二五期间要实现节能 20的目标 ； 同时随着近几年劳动力成本和能源价 格的大幅上升， 纺织产业正迫切希望加快纺织机械设备的技术进步， 应用高效节能电机、 电 机变频调速技术、 电子技术和计算机技术来武装传统的纺机设备， 从而大幅度降低纺机设 备能耗， 同时提高纺机的运行效率和纺织成品的质量。目前， 国内正重点研究推进一锭一 电机架构 - 单绽控制的新型纺机设备， 通过淘汰齿轮传动、 皮带传动， 实现纺机设备的高 转速、 高精度和高效率运行， 大幅度降低传动装置的工作能耗 ； 重点研究多电机。

12、协调控制技 术、 纱线张力控制技术、 嵌入式工业控制器、 工业以太网、 CAN 现场总线、 数控技术等， 通过协 调控制每绽纱线工作电机的转速， 减少能源浪费， 同时保持每绽纱线速度的同步性和稳定 性， 提高纱线成品质量和工作效率。 发明内容 0004 本发明目的在于针对现有纺机设备中电机传动和卷绕成型装置的技术之不足， 提 出一种基于 FPGA 的纺机单锭控制系统及方法。 0005 为实现以上目的， 本发明采用的技术方案为 ： 0006 基于 FPGA 的纺机单锭控制系统包括人机交互界面、 主控制模块、 N 个 8 路无刷直 流电机控制器和 8*N 个无刷直流电机 ； 其中 1 N 100。。

13、 0007 所述的人机交互界面包括群创的 8 寸 LCD 数字屏和触摸屏 ； 说 明 书 CN 104032422 A 3 2/3 页 4 0008 所述的主控制模块包括 ARM 处理器 STM32F429、 CAN 主驱动模块和地址设定装置 ； 0009 所述的每个 8 路无刷直流电机控制器包括 ARM 处理器 STM32F103、 FPGA 处理器、 三 相桥式驱动芯片 IR2133、 CAN 从驱动模块和地址设定装置 ； 所述的 CAN 从驱动模块通过 CAN 总线接口与主控制模块的 CAN 总线接口相连， 主控制模块通过 FSMC 总线接口与 FPGA 模块 的普通 IO 口相连， F。

14、PGA 模块通过普通 IO 口分别与三相桥式驱动芯片 IR2133 控制口和无 刷直流电机的霍尔信号相连 ； 0010 所述的人机交互界面的 8 寸 LCD 数字屏和触摸屏与主控制模块的 ARM 处理器 STM32F429自带的LCD控制器接口连接， 主控制模块中CAN主驱动模块的CAN通信接口与每 个 8 路无刷直流电机控制器中的 CAN 从驱动模块的 CAN 通信接口连接， 每个 8 路无刷直流 电机控制器与 8 路无刷直流电机的 U、 V、 W 信号和霍尔信号相连 ； 0011 所述的 8*N 个无刷直流电机选用高转速无刷直流电机 ； 0012 基于 FPGA 的纺机单锭控制方法， 包括。

15、以下步骤 ： 0013 步骤 (1) ： 主控制模块通过其地址设定装置将地址设定为 0， 1 号 N 号段， 8 路无 刷直流电机控制器通过其各自的地址设定装置将地址依次设定为 1、 2、 3N ； 0014 步骤 (2) ： 主控制模块的 ARM 处理器获取人机交互界面装置中的单锭控制指令信 息， 将其转换为CAN命令并存储于主控制模块内存中 ； 主控制模块通过其中的CAN主驱动模 块， 将存储于主控制模块内存中的 CAN 命令下发给 1 号 N 号段 8 路无刷直流电机控制器 ； 0015 步骤 (3) ： 1 号 N 号段 8 路无刷直流电机控制器通过各自的 CAN 从驱动模块接收 主控。

16、制模块下发的 CAN 命令 ； 1 号 N 号段 8 路无刷直流电机控制器分析该命令的地址与 自己的地址相符时， 读取该命令的内容并转换成单锭控制指令信息， 将其存储于 8 路无刷 直流电机控制器内存中 ； 0016 步骤 (4) ： 1 号 N 号段 8 路无刷直流电机控制器的 ARM 处理器根据获取的单锭控 制指令信息， 自动调节 1 号 N 号段 8 路无刷直流电机控制器所在段的无刷直流电机驱动 电机 li(i 1,28) 的 PWM 占空比 i(i 1,28)， 并通过 FSMC 总线将 PWM 占 空比 i传给 FPGA 处理器， 通过 FPGA 处理器独立控制各自的无刷直流电机 l。

17、i的转速 ； 0017 步骤 (5) ： 1 号 N 号段 8 路无刷直流电机控制器各自的 FPGA 处理器通过周期法 获得各自的无刷直流电机li霍尔传感器信号的频率， 并计算出各自的无刷直流电机li实际 转速测量值 i(i 1,28)， 并通过 FSMC 总线将各自的无刷直流电机驱动电机 li的 实际转速 vi传给各自的 8 路无刷直流电机控制器的 ARM 处理器， 各自的 8 路无刷直流电机 控制器的 ARM 处理器根据各自的电机实际转速 vi与设定转速值进行对比， 然后协调和修正 各自的无刷直流电机 li的转速， 确保单锭控制系统能自动完成纱线成型。 0018 本发明有益效果是 ： 本发。

18、明提出基于 FPGA 的纺机单锭控制系统及方法， 根据设 定的纱线速度自动协调控制各锭子电机的转速， 从而提高了工作效率和纱线成型质量。本 发明通过 CAN 总线在一台纺织机设备上有效协调多台无刷直流电机间的转速， 淘汰齿轮传 动， 减少龙带传动环节， 实现纺机设备的高转速、 高精度和高效率运行， 大幅度降低电动驱 动装置的工作能耗， 减少噪声等污染。本发明采用基于 ARM 和 FPGA 的 8 路无刷直流电机控 制器， 真正实现织机的单锭单控制， 同时结构简单， 成本低， 维护使用方便。 附图说明 说 明 书 CN 104032422 A 4 3/3 页 5 0019 图 1 为本发明的电路。

19、原理框图。 具体实施方式 0020 如图 1 所示， 基于 FPGA 的纺机单锭控制系统包括人机交互界面、 主控制模块、 N 个 8 路无刷直流电机控制器和 8*N 个无刷直流电机 ； 其中 1 N 100。 0021 所述的人机交互界面包括群创的 8 寸 LCD 数字屏和触摸屏 ； 0022 所述的主控制模块包括 ARM 处理器 STM32F429、 CAN 主驱动模块和地址设定装置 ； 0023 所述的 8 路无刷直流电机控制器包括 ARM 处理器 STM32F103、 FPGA 处理器、 三相桥 式驱动芯片IR2133、 CAN从驱动模块和地址设定装置 ； 所述的CAN从驱动模块通过CA。

20、N总线 接口与 MCU 模块的 CAN 总线接口相连， MCU 模块通过 FSMC 总线接口与 FPGA 模块的普通 IO 口相连， FPGA 模块通过普通 IO 口分别与三相桥式驱动芯片 IR2133 控制口和无刷直流电机 的霍尔信号相连 ； 0024 所述的 8*N 个无刷直流电机选用高转速无刷直流电机 ； 0025 所述的人机交互界面的 8 寸 LCD 数字屏和触摸屏与主控制模块的 ARM 处理器 STM32F429自带的LCD控制器接口连接， 主控制模块中CAN主驱动模块的CAN通信接口与每 个 8 路无刷直流电机控制器中的 CAN 从驱动模块的 CAN 通信接口连接， 每个 8 路无。

21、刷直流 电机控制器与 8 路无刷直流电机的 U、 V、 W 信号和霍尔信号相连 ； 0026 基于 FPGA 的纺机单锭控制方法， 包括以下步骤 ： 0027 步骤 (1) ： 主控制模块通过其地址设定装置将地址设定为 0， 1 号 N 号段 8 路无 刷直流电机控制器通过其各自的地址设定装置将地址依次设定为 1、 2、 3N ； 0028 步骤 (2) ： 主控制模块的 ARM 处理器获取人机交互界面装置中的单锭控制指令信 息， 将其转换为CAN命令并存储于主控制模块内存中 ； 主控制模块通过其中的CAN主驱动模 块， 将存储于主控制模块内存中的 CAN 命令下发给 1 号 N 号段 8 路。

22、无刷直流电机控制器 ； 0029 步骤 (3) ： 1 号 N 号段 8 路无刷直流电机控制器通过各自的 CAN 从驱动模块接收 主控制模块下发的 CAN 命令 ； 1 号 N 号段 8 路无刷直流电机控制器分析该命令的地址与 自己的地址相符时， 读取该命令的内容并转换成单锭控制指令信息， 将其存储于 8 路无刷 直流电机控制器内存中 ； 0030 步骤 (4) ： 1 号 N 号段 8 路无刷直流电机控制器的 ARM 处理器根据获取的单锭控 制指令信息， 自动调节 1 号 N 号段 8 路无刷直流电机控制器所在段的无刷直流电机驱动 电机 li(i 1,28) 的 PWM 占空比 i(i 1,。

23、28)， 并通过 FSMC 总线将 PWM 占 空比 i传给各自的 FPGA 处理器， 通过各自的 FPGA 处理器独立控制各自的无刷直流电机 li的转速 ； 0031 步骤 (5) ： 1 号 N 号段 8 路无刷直流电机控制器各自的 FPGA 处理器通过周期法 获得各自的无刷直流电机li霍尔传感器信号的频率， 并计算出各自的无刷直流电机li实际 转速测量值 i(i 1,28)， 并通过 FSMC 总线将各自的无刷直流电机驱动电机 li的 实际转速 vi传给各自的 8 路无刷直流电机控制器的 ARM 处理器， 各自的 8 路无刷直流电机 控制器的 ARM 处理器根据各自的电机实际转速 vi与设定转速值进行对比， 然后协调和修正 各自的无刷直流电机 li的转速， 确保单锭控制系统能自动完成纱线成型。 说 明 书 CN 104032422 A 5 1/1 页 6 图 1 说 明 书 附 图 CN 104032422 A 6 。