基于STM32和PCL6045BL的经编机电子横移系统设计-AET-电子技术应用

基于STM32和PCL6045BL的经编机电子横移系统设计

2018年电子技术应用第12期

郭伟军，章国青，孙以泽

东华大学机械工程学院，上海201620

摘要： 设计了一种基于嵌入式微控制器和专用运动控制芯片相结合的经编机电子横移系统。系统以STM32和PCL6045BL为控制核心，工控机为系统管理支持，交流伺服系统、伺服电动缸及导纱梳栉为执行机构，绝对值编码器为主轴检测装置，实现了经编机梳栉横移运动的稳定、准确执行，具备花型变换周期短、花型可在线修改、花型信息存储空间大、实时检测与控制等诸多优势。经现场实际应用表明，该系统达到设计目的，满足双针床拉舍尔经编机800横列/分钟的生产能力。

关键词： 经编机电子横移系统 STM32 PCL6045BL

中图分类号： TS183.92
文献标识码： A
DOI：10.16157/j.issn.0258-7998.181696
中文引用格式： 郭伟军，章国青，孙以泽. 基于STM32和PCL6045BL的经编机电子横移系统设计[J].电子技术应用，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.

Design of warp knitting electronic shogging system based on STM32 and PCL6045BL

Guo Weijun，Zhang Guoqing，Sun Yize

College of Mechanical Engineering，Donghua University，Shanghai 201620，China

Abstract： A warp knitting electronic shogging system based on embedded microcontroller and special motion control chip is designed. The system, containing STM32 and PCL6045BL, IPC, AC servo system and guide bars and absolute encoder, realizes stable and accurate execution for warp knitting electronic shogging system. The above system components are used as the control nucleus, system management and decision supporting, actuators, and the position sensor. The system has many advantages, such as flexible changing of tissues, on-line modification, larger storage of pattern information, real-time controlling and detection and so on. As the practical application showing, the system has achieved desired design purpose and could meet the production capacity of double bar raschel warp knitting machine at 800 rows /min in field.

Key words : warp knitting；electronic shogging system；STM32；PCL6045BL

0 引言

梳栉横移机构作为经编机五大基本机构之一，其动作性能直接决定着成圈编织过程的成败与产品品质的优劣，对经编产品的花式效果、性能和档次，以及花型研发的创作空间都有着重要的影响^[1]。电子横移的应用，顺应了目前全新的个性化小批量、订制化多品种的短周期经编产品市场竞争需求，为经编操作提供了极大的便利和灵活性^[2]。目前，国外经编企业已开发出了多种适用于不同机型的电子横移产品，但其价格相对比较昂贵，因此，开发适合国内经编企业成本低廉、性能稳定的高性价比电子横移系统有着深远的意义。本文结合并发挥嵌入式微控制器和专用运动控制芯片的特点及优势，设计了一套嵌入式经编机电子横移系统。

1 系统总体设计方案

经编机梳栉横移运动具有大加速启停、高精度定位和高频率往复等特点，因此所设计的系统必须满足运动平稳、定位精确、响应快速等要求^[3-4]。系统设计采用三层架构进行规划，依次是：运动管理层、运动控制层和运动执行层，图1即为系统总体结构框图。运动管理层，采用工控机作为系统管理支持，配备编写或组态的上位机软件向上与操作用户直接交互，向下与运动控制层经由通信网络进行数据通信。运动控制层，作为系统控制核心，其主要任务是完成对多轴伺服驱动机构的实时运动控制，并与上位机进行通信，获取并存储工艺数据、系统参数，执行上位机控制或反馈上位机监测等。运动执行层，主要包括由伺服驱动器与伺服电动机、电缸组成的电气伺服执行机构和由导纱梳栉、撑杆与拉簧组成的机械传动机构两部分。

2 运动管理层设计

选用工控机作为系统管理支持，有着运行稳定和数据处理能力强等优点。本文采用北京昆仑通态的MCGSE进行系统的上位机软件组态开发，应用Modbus TCP协议与运动控制层进行数据通信。设计的上位机软件主界面如图2所示，其他内部界面根据功能需求开发设计。

3 运动控制层设计

经编机电子横移系统涉及的关键技术即为运动控制技术，运动控制技术是制造业自动化前进的旋律，是推动新的产业革命的关键技术^[5]。随着微电子技术的不断发展，基于嵌入式系统的运动控制日益增多。本文结合嵌入式微控制器STM32与专用运动控制芯片PCL6045BL两者的特点及优势，设计了一套嵌入式经编机电子横移控制器，满足系统对复杂的控制功能和高速、高精度运动控制的要求，同时兼顾系统成本和结构。

3.1 运动控制器硬件设计

运动控制器硬件结构主要包含两大部分：STM32主控板和PCL6045BL运动控制板，两块板之间通过STM32的FSMC(Flexible Static Memory Controller)总线进行通信，系统硬件总体结构框图如图3所示。其中，主控芯片STM32F103ZET6是ST公司生产的基于ARM Cortex-M3内核的32位微控制器，主频可达72 MHz，具有高性能、低成本、稳定等诸多优点^[6]。运动控制芯片PCL6045BL是日本NPM公司设计的一款功能强大的专用运动控制芯片，是一种CMOS大规模集成电路，专门用于提供驱动步进马达或伺服马达所需的高速振荡脉冲，可提供多种脉冲输出功能，可以控制多达4个运动轴，采用总线方式接收MCU命令，同时可向MCU提供PCL的工作状态，使得MCU通过简单的指令便可实现多种运动控制，这种智能化设计理念很好地减少了MCU的负担^[7-8]。双针床经编机为增强花型变换能力，梳栉数一般在4~8把之间，因此该系统采用两块运动控制器来完成对伺服执行系统的控制，两块控制器通过交换机转换，与上位机之间采用Modbus TCP协议进行通信。

3.2 运动控制器软件设计

控制器软件设计主要包括PCL6045BL运动控制器驱动程序及运动控制功能程序设计、Modbus TCP通信设计和系统主体程序设计三大部分。

3.2.1 PCL6045BL的控制

PCL6045BL通过将IF0端子拉高、IF1端子置低配置其与STM32的接口模式为16位的H8接口。STM32通过FSMC总线来驱动PCL6045BL，将PCL6045BL当作16位的SRAM来控制，FSMC的工作模式配置为模式A。由于外扩的SRAM、以太网接口芯片DM9000A和PCL6045BL均挂载在FSMC总线上，它们使用不同的片选进行区分，SRAM接FSMC_NE3，对FSMC_NE2配合FSMC_A19和FSMC_A20通过74HC138进行地址译码输出，DM9000A接74HC138的Y2#输出端，PCL6045BL接Y4#输出端，如此一来，便可计算得到其对应的基地址分别为0x64100006（注：DM9000采用FSMC_A2作命令和数据区分线）和0x64200000，然后每个轴的内部寄存器地址由A1、A2地址线确定（注：A0接地），轴地址范围由输入端子A3和A4进行选择，从而各轴控制地址映射范围依次为：X轴=基地址、Y轴=基地址+0x10、Z轴=基地址+0x20、U轴=基地址+0x30。STM32对PCL6045BL的访问实际上是对寄存器的操作。图4(a)和(b)分别给出了STM32读写操作PCL6045BL寄存器的流程图。

在实现基本的读写操作后，就可利用这些基本的读写操作函数编写所需要的运动控制API，这里只对重点使用到的相对(即增量)定长运动模式作简单介绍。首先，写入相对定长运动指令到运动模式寄存器PRMD，接着配置运动速度相关寄存器，然后写入运动偏移量到运动距离寄存器PRMV，最后写入启动指令等待完成即可。

3.2.2 Modbus TCP通信

Modbus通信协议是工业领域通信协议的业界标准，是应用于电子控制器上的一种通用语言，通过此协议可以实现控制器与控制器之间、控制器经由网络与其他设备之间的通信^[9]。Modbus主从式或CS（Client/Server）架构很好地满足了确定性的要求，目前世界上绝大部分网络都使用TCP/IP，通过在应用层使用Modbus协议，将Modbus信息帧嵌入到TCP帧的数据段中，就可以实现工业以太网的数据交换，具有很高的性价比，是一种很好的解决方案^[10]。控制器软件移植LWIP到平台上实现嵌入式TCP/IP协议栈，在通信应用层上将Modbus帧嵌入到TCP帧中简单可靠地实现嵌入式Modbus TCP协议。所设计的系统中运动控制器作为服务器（Server），上位机作为客户端（Client）经由交换机与两块控制器建立通信连接。控制器端Modbus服务器设计流程如图5所示。

3.2.3 系统主程序

在上电完成系统初始化后，读取花型重要参数如花型高度、当前横列等，开启服务器端，等待上位机建立网络通信连接，接收由上位机传入的花型工艺数据或参数修改信息，然后在经编机运行过程当中，实时采集主轴绝对值编码器获取主轴位置信息，根据主轴位置信息和当前横列，获取并计算出相应的横移驱动指令，横移角度到达时发送给伺服驱动器，进而使伺服电动机驱动电缸带动导纱梳栉完成横移垫纱运动。系统主体程序实现流程图如图6所示。

4 运动执行层设计

运动执行层作为最终的输出，对系统的精度有着重要的影响，该层在设计过程中主要是对一些器件的选型。伺服电动机选用的是松下的低惯量MSMF082L1U2M交流伺服电动机，其额定输出功率为750 W，额定转速3 000 rpm，最大转矩为2.39 N·m。伺服驱动器选择的是松下MINAS A6系列MCDLN35SG通用通信型驱动器，采用位置控制模式，具有控制简单且定位精确的优势。伺服电动缸选用的是常州博控自动化科技有限公司的BKB060伺服电动缸，行程60 mm，导程10 mm，传动精度高，安装方便，使用寿命长。

5 测试结果

系统以企业生产的RD7-EL-138-E22双针床拉舍尔经编机（针距1.155mm）为实用对象，系统平台搭建实物图如图7所示，测定的梳栉横移起始角度如表1所示，使用的是8位绝对值编码器所对应的实际值而非实际的角度值。根据花型工艺要求所使用到的梳栉为GB3~GB7，本文以GB5为主要测试对象，其对应的工艺垫纱数码值如表2所示。图8为使用松下伺服PANATERM测试软件实测的在主轴转速300 r/min运行条件下的GB5伺服系统的绝对式单圈数据(即位置)波形图，图中标注的数字即为对应的工艺垫纱数码。测试结果和现场实际应用都表明，系统横移定位精确，响应速度较高，运行平稳，布面质量良好，满足正常生产需求。