基于ARM的喷气织机电子送经和卷取控制系统研究

摘要

现代喷气织机以其高速、高性能等优势，占据了无梭织机的大部分市场，并成为最有发展前景的一种织机。送经、卷取机构是织机控制系统的重要组成部分，其对经纱张力的控制精度已成为评定织机质量的重要技术指标。因此，提高和改善喷气织机的电子送经和卷取控制系统的性能非常必要，而且，开发具有高速、高精度的独立电子送经和卷取控制模块具有广阔的应用前景。
　　 本课题研究开发了一款独立的电子送经和卷取控制模块，通过人机界面或CAN通讯对该控制系统所需参数进行设置，使其可以根据参数设置应用于不同型号的喷气织机。通过对系统的控制分析，本课题主要从硬件电路设计、软件控制及张力控制算法三个方面进行研究。
　　 首先，通过对喷气织机的性能要求及控制器结构与性能的综合考虑，系统采用以高速ARM7TDMI为内核的低功耗微处理器LPC2294作为系统控制器，该控制器不仅速度快、性能稳定，而且其丰富的外围模块大大简化了硬件电路的设计。硬件电路设计采用模块化设计方法，主要功能模块包括嵌入式最小系统模块、主轴编码器采集模块、张力采集模块、电机控制模块、通讯模块、人机界面模块、输入输出信号模块等。根据系统需要，对各个模块的控制器件进行选取，并设计出各个模块的接口电路。最后，为了提高系统的稳定性和可靠性，在硬件电路设计中采取了隔离、去耦等硬件抗干扰措施。
　　 在软件设计方面，系统采用嵌入式实时操作系统μC/OS-II，便于系统升级和维护。在系统硬件平台的基础上，根据设计要求对操作系统内核进行剪裁和移植，并对系统时钟节拍进行修改。结合硬件电路及系统控制要求，对系统启动代码进行修改；并根据系统对各个功能模块控制的时效性要求，对系统任务进行合理规划。为了说明系统采用该RTOS的可行性，对实时性要求最高的张力采集任务进行了实时性分析。对CAN通讯协议进行制定和编程实现，并对I2C、CAN和LCD驱动程序进行开发，另外，对每个任务的功能及控制流程和任务间及任务与中断间的信息通讯进行了说明。系统在软件方面也采用了一定的抗干扰技术，对硬件抗干扰进行补充。
　　 最后，针对经纱张力的非线性和滞后性等复杂特性，对张力调节采用模糊参数自整定PID控制算法，设计出张力模糊参数自整定PID控制器。并在Matlab及Simulink工具下，对PID控制器下的张力算法及模糊参数自整定PID控制器下的张力算法进行仿真研究。而且对张力模糊PID控制算法在LPC2294中的实现进行了说明。

目录

文摘

英文文摘

声明

第一章 绪论

1.1 喷气织机的发展与现状

1.1.1 喷气织机的发展

1.1.2 国外喷气织机的发展现状

1.1.3 国内喷气织机发展现状

1.2 送经和卷取机构工作原理

1.2.1 送经机构工作原理

1.2.2 卷取机构工作原理

1.3 电子送经和卷取控制系统的国内外研究现状

1.3.1 国外研究现状

1.3.2 国内研究现状

1.4 本课题研究的内容和意义

1.5 本章小结

第二章 电子送经和卷取控制系统的总体设计方案

2.1 控制器及嵌入式操作系统的选取

2.1.1 控制器的选取

2.1.2 嵌入式操作系统

2.2 系统控制方案研究

2.2.1 电子卷取控制方案

2.2.2 电子送经控制方案

2.2.3 系统设计方案

2.3 张力控制算法研究

2.3.1 影响经纱张力变化的因素分析

2.3.2 算法方案

2.4 本章小结

第三章 基于ARM的电子送经卷取系统硬件电路设计

3.1 嵌入式最小系统

3.1.1 LPC2294微控制器

3.1.2 系统电源及复位电路

3.1.3 外部存储器

3.1.4 JTAG接口

3.2 编码器模块电路

3.2.1 编码器的选取

3.2.2 编码器接口电路设计

3.3 经纱张力接口电路

3.3.1 张力传感器的选取

3.3.2 张力传感器接口电路设计

3.4 伺服电机及驱动电路

3.4.1 伺服电机的选取

3.4.2 MR—E系列电机工作原理

3.4.3 电机控制电路设计

3.5 CAN总线接口电路

3.6 键盘及LCM接口电路

3.6.1 按键电路设计

3.6.2 显示模块电路设计

3.7 输入输出信号接口电路

3.8 硬件抗干扰措施

3.9 本章小结

第四章 经纱张力控制系统的软件设计

4.1 软件开发环境的选取

4.2 μC/OS—Ⅱ系统移植

4.2.1 μC/OS—Ⅱ到ARM的内核移植

4.2.2 系统时钟节拍

4.2.3 LPC2294的启动代码

4.3 系统控制规划

4.3.1 任务划分

4.3.2 中断服务及定时器0程序设计

4.3.3 系统实时性分析

4.4 CAN_bus通讯协议定义

4.5 系统驱动开发

4.5.1 CAN驱动开发

4.5.2 I2C驱动开发

4.5.3 LCD驱动开发

4.6 主要任务的程序实现及任务间的信息通讯

4.6.1 读取主轴编码器位置信号及张力采集任务TaskECOA/D()

4.6.2 张力信号处理及状态检测任务TaskTENCK()

4.6.3 读写片外存储器任务TaskFRAM()

4.6.4 按键处理任务TaskKEY()

4.6.5 液晶显示任务TaskLCM()

4.6.6 伺服系统控制

4.7 软件抗干扰设计

4.8 本章小结

第五章 经纱张力控制算法的研究

5.1 张力模糊参数自整定PID控制策略

5.1.1 PID控制器的原理

5.1.2 模糊控制的基本原理

5.1.3 张力模糊参数自整定PID的控制结构

5.2 经纱张力模糊参数自整定PID控制器设计

5.2.1 模糊控制规则

5.2.2 模糊推理

5.2.3 非模糊化

5.2.4 PID系数修正

5.3 张力控制系统仿真

5.4 经纱张力PID调节周期

5.5 控制算法的LPC2294实现

5.6 本章小结

第六章 总结和展望

参考文献

附录

致谢

攻读硕士学位期间发表的学术论文