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的經編機電子橫移系統設計[J].電子技術應用，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
梳櫛橫移機構作為經編機五大基本機構之一，其動作性能直接決定著成圈編織過程的成敗與產品品質的優劣，對經編產品的花式效果、性能和檔次，以及花型研發的創作空間都有著重要的影響[1]。電子橫移的應用，順應了目前全新的個性化小批量、訂制化多品種的短周期經編產品市場競爭需求，為經編操作提供了極大的便利和靈活性[2]。目前，國外經編企業已開發出了多種適用于不同機型的電子橫移產品，但其價格相對比較昂貴，因此，開發適合國內經編企業成本低廉、性能穩定的高性價比電子橫移系統有著深遠的意義。本文結合并發揮嵌入式微控制器和專用運動控制芯片的特點及優勢，設計了一套嵌入式經編機電子橫移系統。
1 系統總體設計方案
經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等特點，因此所設計的系統必須滿足運動平穩、定位精確、響應快速等要求[3-4]。系統設計采用三層架構進行規劃，依次是：運動管理層、運動控制層和運動執行層，圖1即為系統總體結構框圖。運動管理層，采用工控機作為系統管理支持，配備編寫或組態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由通信網絡進行數據通信。運動控制層，作為系統控制核心，其主要任務是完成對多軸伺服驅動機構的實時運動控制，并與上位機進行通信，獲取并存儲工藝數據、系統參數，執行上位機控制或反饋上位機監測等。運動執行層，主要包括由伺服驅動器與伺服電動機、電缸組成的電氣伺服執行機構和由導紗梳櫛、撐桿與拉簧組成的機械傳動機構兩部分。
2 運動管理層設計
選用工控機作為系統管理支持，有著運行穩定和數據處理能力強等優點。本文采用北京昆侖通態的MCGSE進行系統的上位機軟件組態開發，應用Modbus TCP協議與運動控制層進行數據通信。設計的上位機軟件主界面如圖2所示，其他內部界面根據功能需求開發設計。
3 運動控制層設計
經編機電子橫移系統涉及的關鍵技術即為運動控制技術，運動控制技術是制造業自動化前進的旋律，是推動新的產業革命的關鍵技術[5]。隨著微電子技術的不斷發展，基于嵌入式系統的運動控制日益增多。本文結合嵌入式微控制器STM32與專用運動控制芯片PCL6045BL兩者的特點及優勢，設計了一套嵌入式經編機電子橫移控制器，滿足系統對復雜的控制功能和高速、高精度運動控制的要求，同時兼顧系統成本和結構。
3.1 運動控制器硬件設計
運動控制器硬件結構主要包含兩大部分：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，系統硬件總體結構框圖如圖3所示。其中，主控芯片STM32F103ZET6是ST公司生產的基于ARM Cortex-M3內核的32位微控制器，主頻可達72 MHz，具有高性能、低成本、穩定等諸多優點[6]。運動控制芯片PCL6045BL是日本NPM公司設計的一款功能強大的專用運動控制芯片，是一種CMOS大規模集成電路，專門用于提供驅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，使得MCU通過簡單的指令便可實現多種運動控制，這種智能化設計理念很好地減少了MCU的負擔[7-8]。雙針床經編機為增強花型變換能力，梳櫛數一般在4~8把之間，因此該系統采用兩塊運動控制器來完成對伺服執行系統的控制，兩塊控制器通過交換機轉換，與上位機之間采用Modbus TCP協議進行通信。
3.2 運動控制器軟件設計
控制器軟件設計主要包括PCL6045BL運動控制器驅動程序及運動控制功能程序設計、Modbus TCP通信設計和系統主體程序設計三大部分。
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總線來驅動PCL6045BL，將PCL6045BL當作16位的SRAM來控制，FSMC的工作模式配置為模式A。由于外擴的SRAM、以太網接口芯片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的基地址分別為0x64100006（注：DM9000采用FSMC_A2作命令和數據區分線）和0x64200000，然后每個軸的內部寄存器地址由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。
在實現基本的讀寫操作后，就可利用這些基本的讀寫操作函數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通信協議是工業領域通信協議的業界標準，是應用于電子控制器上的一種通用語言，通過此協議可以實現控制器與控制器之間、控制器經由網絡與其他設備之間的通信[9]。Modbus主從式或CS（Client/Server）架構很好地滿足了確定性的要求，目前世界上絕大部分網絡都使用TCP/IP，通過在應用層使用Modbus協議，將Modbus信息幀嵌入到TCP幀的數據段中，就可以實現工業以太網的數據交換，具有很高的性價比，是一種很好的解決方案[10]。控制器軟件移植LWIP到平臺上實現嵌入式TCP/IP協議棧，在通信應用層上將Modbus幀嵌入到TCP幀中簡單可靠地實現嵌入式Modbus TCP協議。所設計的系統中運動控制器作為服務器（Server），上位機作為客戶端（Client）經由交換機與兩塊控制器建立通信連接。控制器端Modbus服務器設計流程如圖5所示。
3.2.3 系統主程序
在上電完成系統初始化后，讀取花型重要參數如花型高度、當前橫列等，開啟服務器端，等待上位機建立網絡通信連接，接收由上位機傳入的花型工藝數據或參數修改信息，然后在經編機運行過程當中，實時采集主軸絕對值編碼器獲取主軸位置信息，根據主軸位置信息和當前橫列，獲取并計算出相應的橫移驅動指令，橫移角度到達時發送給伺服驅動器，進而使伺服電動機驅動電缸帶動導紗梳櫛完成橫移墊紗運動。系統主體程序實現流程圖如圖6所示。
4 運動執行層設計
運動執行層作為最終的輸出，對系統的精度有著重要的影響，該層在設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，額定轉速3 000 rpm，最大轉矩為2.39 N·m。伺服驅動器選擇的是松下MINAS A6系列MCDLN35SG通用通信型驅動器，采用位置控制模式，具有控制簡單且定位精確的優勢。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，導程10 mm，傳動精度高，安裝方便，使用壽命長。
5 測試結果
系統以企業生產的RD7-EL-138-E22雙針床拉舍爾經編機（針距1.155mm）為實用對象，系統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的實際值而非實際的角度值。根據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，其對應的工藝墊紗數碼值如表2所示。圖8為使用松下伺服PANATERM測試軟件實測的在主軸轉速300 r/min運行條件下的GB5伺服系統的絕對式單圈數據(即位置)波形圖，圖中標注的數字即為對應的工藝墊紗數碼。測試結果和現場實際應用都表明，系統橫移定位精確，響應速度較高，運行平穩，布面質量良好，滿足正常生產需求。
6 結論
本文采用三層架構完成系統設計，著重對運動控制層主要模塊的軟硬件設計做了介紹，充分發揮了嵌入式微處理器和專用運動控制芯片的特點及優勢，實現了系統的穩定可靠運行，并在實際現場應用中取得了成功的驗證，滿足雙針床拉舍爾經編機800橫列/分鐘的生產能力。
參考文獻
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作者信息:
郭偉軍，章國青，孫以澤
（東華大學 機械工程學院，上海201620）