華中科技大學(xué) 楊上陸 董湘懷 欒勁松 北京理工大學(xué) 張虎 常德紡織機(jī)械有限公司 陸安勝 提出了一種以PMAC運(yùn)動(dòng)控制器為控制系統(tǒng)核心，以工業(yè)控制機(jī)為系統(tǒng)支撐和松下伺服為驅(qū)動(dòng)的開(kāi)放式ELS（電子橫移）數(shù)控系統(tǒng)。首先闡述了ELS系統(tǒng)的發(fā)展現(xiàn)狀，接著重點(diǎn)介紹了松下MINAS-A系列交流伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)器原理和PMAC控制算法。最后詳細(xì)介紹了電子橫移控制系統(tǒng)的硬件結(jié)構(gòu)和軟件設(shè)計(jì)及系統(tǒng)仿真方法。 傳統(tǒng)的梳櫛橫移機(jī)構(gòu)有很多缺點(diǎn)：花型變化成本高；柔性差；機(jī)械結(jié)構(gòu)壽命短；紡織速度受機(jī)械結(jié)構(gòu)的限制。隨著電腦控制技術(shù)和機(jī)電一體化的水平不斷提高，為了提高產(chǎn)品的市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)力，許多廠商對(duì)經(jīng)編機(jī)的導(dǎo)紗梳櫛橫移機(jī)構(gòu)進(jìn)行改造，用電子橫移機(jī)構(gòu)取代傳統(tǒng)的機(jī)械機(jī)構(gòu)，如德國(guó)的LIBA公司生產(chǎn)的高速經(jīng)編機(jī)就具有ELS、EBC、EAC電子橫移數(shù)控裝置，梳櫛的電子橫移機(jī)構(gòu)具有花型變化柔性好，可以根據(jù)市場(chǎng)的需求隨時(shí)調(diào)整編輯花型，機(jī)構(gòu)的壽命長(zhǎng)等特點(diǎn)。最大的特點(diǎn)就是花型循環(huán)不受限制，且經(jīng)編機(jī)上的花型變化十分方便，只要插入帶有工藝參數(shù)的軟盤就可以改變梳櫛的橫移規(guī)律。該種機(jī)型可以對(duì)市場(chǎng)的花型的流行趨勢(shì)作出迅速反應(yīng)，因此用電子數(shù)控技術(shù)來(lái)實(shí)現(xiàn)經(jīng)編機(jī)產(chǎn)品的更新?lián)Q代是市場(chǎng)需求的必然趨勢(shì)。近年來(lái)我國(guó)經(jīng)編機(jī)也在迅速發(fā)展，但與國(guó)外先進(jìn)國(guó)家相比差距較大，使用的設(shè)備主要是以機(jī)械橫移的經(jīng)編機(jī)為主，產(chǎn)品檔次低，主要用于普通的面料，還沒(méi)有進(jìn)入國(guó)際品牌，花型設(shè)計(jì)周期長(zhǎng)，市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)能力差。 近年來(lái)，國(guó)際經(jīng)編機(jī)技術(shù)水平發(fā)展很快，我國(guó)每年從國(guó)外進(jìn)口先進(jìn)的產(chǎn)品。今后，采用先進(jìn)的電腦控制技術(shù)提升產(chǎn)品的質(zhì)量和檔次將成為我國(guó)經(jīng)編機(jī)發(fā)展的必然趨勢(shì)。 圖1 1 松下MINAS-A系列交流伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)器原理 伺服系統(tǒng)用來(lái)控制被控對(duì)象的轉(zhuǎn)角和位移，使其能自動(dòng)地、連續(xù)地、精確地復(fù)現(xiàn)輸入指令的變化規(guī)律。位置控制的作用是將CNC裝置插補(bǔ)出的瞬時(shí)位置指令值Pc和檢測(cè)出的實(shí)際值Pf，在位置比較器中比較，產(chǎn)生位置偏差ΔP，再把ΔP轉(zhuǎn)換為瞬時(shí)速度指令電壓UP＊。輸入位置比較器中的指令有兩種方式——脈沖列和數(shù)值指令。 數(shù)值輸入方式的位置控制是由軟、硬件結(jié)合實(shí)現(xiàn)的，軟件負(fù)責(zé)偏差和進(jìn)給速度指令的計(jì)算，硬件接受進(jìn)給指令的數(shù)據(jù)，進(jìn)行D/A轉(zhuǎn)換，為速度控制單元提供指令電壓，以驅(qū)動(dòng)電動(dòng)機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)。其原理框圖如圖1所示。 目前，采用硬、軟件結(jié)合的數(shù)字伺服系統(tǒng)較為普遍。而且伺服系統(tǒng)同時(shí)有兩種輸入方式。日本松下生產(chǎn)的MINAS-A系列交流伺服電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)器可以選擇脈沖輸入方式，也可以選擇數(shù)值指令輸人方式，其原理框圖如圖2所示。 2 PMAC控制算法 PMAC是美國(guó)Delta Tau數(shù)字系統(tǒng)公司生產(chǎn)的運(yùn)動(dòng)控制器。借助于Motorola的DSP 56001數(shù)字信號(hào)處理器，PMAC運(yùn)動(dòng)控制處理器可以同時(shí)操縱1-8個(gè)軸。每一個(gè)軸都是完全獨(dú)立的，一個(gè)PMAC可操縱8臺(tái)不同機(jī)器的8個(gè)單軸，或同一臺(tái)機(jī)器的8個(gè)軸之間進(jìn)行完全協(xié)調(diào)的聯(lián)動(dòng)，或兩種之間的任意組合。 圖2 PMAC運(yùn)動(dòng)控制器提供PID和階式位置伺服濾波器。還有另外兩項(xiàng)用以減少伺服系統(tǒng)的軌跡誤差：速度和加速度前饋。速度前饋的作用是減少微分增益或者測(cè)速發(fā)電機(jī)環(huán)路阻尼所引起的跟蹤誤差。慣性所帶來(lái)的跟蹤誤差與加速度成正比，因此可以由加速度前饋來(lái)補(bǔ)償。 由于驅(qū)動(dòng)（電機(jī)）和負(fù)載之間很難做到理想的耦合，PMAC運(yùn)動(dòng)控制器具有幾項(xiàng)高級(jí)功能來(lái)處理實(shí)際問(wèn)題，諸如滯后，靜摩擦，卷曲以及回差。這些問(wèn)題共同作用會(huì)使系統(tǒng)產(chǎn)生機(jī)械諧振從而嚴(yán)重?fù)p害系統(tǒng)的性能。PMAC運(yùn)動(dòng)控制器的數(shù)字階式濾波器和雙反饋選項(xiàng)中同時(shí)測(cè)量驅(qū)動(dòng)器以及負(fù)載的位置和補(bǔ)償伺服環(huán)中的微分運(yùn)動(dòng)的能力可以解決機(jī)械諧振問(wèn)題。PMAC PID+陷波伺服濾波器原理圖如圖3所示。 PID伺服濾波器極點(diǎn)配置的優(yōu)點(diǎn)：①在配置極點(diǎn)時(shí)具有更大的靈活性（設(shè)置系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)特性）；②具有更強(qiáng)的魯棒性以防止系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)特性的改變；③更強(qiáng)的抗擾動(dòng)能力；④可以將測(cè)量噪聲的影響控制到最小值；⑤可以更好地控制系統(tǒng)的諧振；⑥提高了處理像摩擦那樣的非線性效應(yīng)的能力。 PID的實(shí)際算法。對(duì)于電機(jī)x使用的計(jì)算控制輸出的PID算法實(shí)際公式如下所示： 注解： DACout（n）為16位的伺服周期輸出指令32768～+32767）。它被轉(zhuǎn)換成-10～+10V的輸出。DACout（n）的值由Ix69定義。 Ix08為電機(jī)x的一個(gè)內(nèi)部位置放大系數(shù)（通常設(shè)為96）。 Ix09為電機(jī)x速度環(huán)的一個(gè)內(nèi)部放大系數(shù)。 FE（n）是伺服周期n內(nèi)所得的跟隨誤差，即為該周期內(nèi)指令位置與實(shí)際位置的差值[CP（n）-AP（n）]。 AV（n）是伺服周期為n內(nèi)的實(shí)際速度，即為每個(gè)伺服周期最后兩個(gè)實(shí)際位置的差值[AP（n）-AP（n-1）]。 CV（n）是伺服周期為n內(nèi)的指令速度，即為每個(gè)伺服周期最后兩個(gè)指令位置的差值[CP（n）-CP（n-1）]。 CA（n）是伺服周期n內(nèi)的指令加速度，每個(gè)伺服周期最后兩個(gè)指令的速度的差值[CV（n）-CV（n-1）]。 IE（n）是伺服周期n的跟隨誤差的積分，大小為： 在所有的伺服周期內(nèi)積分起作用。當(dāng)CV不等于0時(shí)，Ix34=1只關(guān)掉了積分器的輸入，而沒(méi)有關(guān)掉它的輸出。 PMAC可以用來(lái)設(shè)置陷波濾波器。陷波濾波器是一個(gè)防諧振（帶阻）濾波器，用于消除諧振的影響。PMAC的陷波濾波器系統(tǒng)的形式為： 分子N（z）為帶阻濾波器，分母D（z）為帶通濾波器。 PMAC使用四個(gè)變量指定整個(gè)陷波濾波器系統(tǒng)：Ix36[N1]和Ix37[N2]是帶阻濾波器參數(shù)，Ix38[D1]和Ix39[D2]是帶通濾波器參數(shù)。這些I變量代表陷波濾波器公式里使用的實(shí)際參數(shù)。它們的范圍為-2、0到+2、0；它們是帶1個(gè)符號(hào)位，2個(gè)整數(shù)位和21個(gè)分?jǐn)?shù)位的24位值。 3 電子橫移系統(tǒng) 3.1 系統(tǒng)分析 經(jīng)編機(jī)在編織時(shí)，主軸每轉(zhuǎn)動(dòng)一周，梳櫛要進(jìn)行一次針前橫移、一次針背橫移和兩次過(guò)針擺動(dòng)。過(guò)針時(shí)梳櫛不進(jìn)行橫移。不同的機(jī)型針距不同，如E28：針距=25.4/28（0.9071）。梳櫛的橫移運(yùn)動(dòng)定位精度要求保證過(guò)針時(shí)導(dǎo)紗針與槽針之間的最小間隙，同時(shí)機(jī)器速度快，頻繁做運(yùn)動(dòng)—停止—運(yùn)動(dòng)的反復(fù)動(dòng)作?？刂葡到y(tǒng)不僅可以實(shí)現(xiàn)一把梳櫛橫移，也可以實(shí)現(xiàn)四把梳櫛聯(lián)動(dòng)。為了保證經(jīng)編機(jī)的編織能夠正常進(jìn)行，必須使電子橫移機(jī)構(gòu)定位精度高、速度響應(yīng)快且系統(tǒng)穩(wěn)定性好，同時(shí)具有良好的人機(jī)界面。 3.2 系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu) 電子橫移的硬件結(jié)構(gòu)如圖4所示。整個(gè)系統(tǒng)主要由三部分組成。（1）花型控制軟件生成系統(tǒng)，把梳櫛的編花組織代碼如：L1，1-0/1-2//；L2，2-3/2-1/1-2/1-0/1-2/2-1//；L3，1-0/1-2/2-1/2-3/2-1/1-2//（其中L1、L2、L3代表不同的梳櫛）轉(zhuǎn)換成PMAC可以識(shí)別的NC-代碼和G-代碼?；ㄐ涂刂栖浖上到y(tǒng)關(guān)鍵是采用某種數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)來(lái)實(shí)現(xiàn)。（2）步進(jìn)液壓缸數(shù)控系統(tǒng)。（3）步進(jìn)液壓高壓供給油供給系統(tǒng)。 圖3 圖4 3.3 控制軟件的開(kāi)發(fā) 電子橫移數(shù)控系統(tǒng)基于Windows2000平臺(tái)，采用上下位機(jī)模式通訊。電子橫移數(shù)控系統(tǒng)上位機(jī)采用流行的VisualC++6.0來(lái)實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的管理，而下位機(jī)的編程采用PMAC的開(kāi)發(fā)工具以PMAC語(yǔ)言編寫。PMAC提供了一套DLL和VxD來(lái)完成通訊。程序流程圖如圖5所示。 圖5 電子橫移數(shù)控系統(tǒng)軟件的開(kāi)發(fā)分為PMAC實(shí)時(shí)控制軟件和系統(tǒng)管理軟件兩部分。實(shí)時(shí)控制軟件如圖6所示。 其中插補(bǔ)模塊包括直線插補(bǔ)、圓弧插補(bǔ)及樣條插補(bǔ)等。監(jiān)控模塊主要指PMAC卡上的PLC監(jiān)控。其中主要包括看門狗PLC、上電PLC、主PLC、指示等管理PLC以及下電PLC?？撮T狗PLC計(jì)數(shù)器可以提供故障保護(hù)關(guān)斷功能，以便CPU出錯(cuò)時(shí)提供安全保障。主PLC主要用來(lái)完成對(duì)控制面板及輸入輸出進(jìn)行監(jiān)控的任務(wù)。數(shù)據(jù)采集模塊可以對(duì)伺服電機(jī)和主軸電機(jī)的速度進(jìn)行采集，從而有效地控制橫移運(yùn)動(dòng)。 本系統(tǒng)的管理軟件是基于IPC，在Windows環(huán)境下主要負(fù)責(zé)系統(tǒng)的通信、顯示、診斷、花型軟件的輸入以及人機(jī)界面的管理。其管理軟件如圖7所示。 參數(shù)設(shè)置模塊主要用于對(duì)系統(tǒng)主軸的速度，花型組織的選擇以及電子橫移時(shí)間的設(shè)置；故障診斷模塊可以對(duì)系統(tǒng)的整個(gè)運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行監(jiān)控和在線診斷；系統(tǒng)調(diào)度模塊進(jìn)行多任務(wù)之間的通訊；通訊模塊主要完成PMAC與主機(jī)之間的通訊，通過(guò)一個(gè)主機(jī)通訊程序，使主機(jī)與PMAC建立通訊，從而實(shí)現(xiàn)電子橫移機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)控制。本數(shù)控系統(tǒng)的IPC和PMAC之間的通訊是利用DehaTau公司提供的Pcomm32動(dòng)態(tài)連接庫(kù)和PTALKDT控件編制的。 Pcomm32囊括了同PMAC通訊的所有方式，而且將其主要函數(shù)進(jìn)行分類、封裝，最終形成ActiveX控件—PTALKDTt。通過(guò)完成的通訊程序可以實(shí)現(xiàn)運(yùn)動(dòng)程序的下載、PLC程序、IPC對(duì)PMAC的指令傳輸及PMAC對(duì)IPC的狀態(tài)反饋等通訊功能。參數(shù)設(shè)置、數(shù)控程序編輯、故障診斷及參數(shù)輸人等人機(jī)界面采用VisualC++6.0語(yǔ)言進(jìn)行編制，利用Windows豐富的GUI函數(shù)及32位的處理能力來(lái)實(shí)現(xiàn)友好的人機(jī)界面。系統(tǒng)的管理軟件和實(shí)時(shí)控制軟件能完成橫移運(yùn)動(dòng)的控制，數(shù)據(jù)的采集和狀態(tài)檢測(cè)，使系統(tǒng)運(yùn)行平穩(wěn)、性能可靠，從而滿足設(shè)計(jì)要求。 4 系統(tǒng)仿真 通過(guò)PMAC為用戶提供的PEWIN軟件來(lái)調(diào)節(jié)控制器提供的PID+速度/加速度前饋調(diào)節(jié)器的參數(shù)能夠解決大部分的系統(tǒng)問(wèn)題。PEWIN軟件通過(guò)分析系統(tǒng)的脈沖響應(yīng)和正弦曲線響應(yīng)來(lái)評(píng)估系統(tǒng)的特性。圖8是PEWIN中PID調(diào)整的界面。 在界面的左上角是PEWIN軟件提供的兩種信號(hào)源（脈沖和正弦信號(hào)），可以調(diào)整這兩種信號(hào)的特性（信號(hào)的幅度、時(shí)間）。在它的下面是與系統(tǒng)有關(guān)的參數(shù)，用戶通過(guò)調(diào)節(jié)這些參數(shù)來(lái)調(diào)節(jié)系統(tǒng)的特性。當(dāng)改變了其中的參數(shù)以后，就可以執(zhí)行脈沖響應(yīng)或正弦波響應(yīng)過(guò)程。脈沖響應(yīng)過(guò)程主要用來(lái)調(diào)整系統(tǒng)的P、I、D等參數(shù)，而正弦波響應(yīng)主要用來(lái)調(diào)整系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)特性，涉及的參數(shù)主要是速度和加速度前饋。通過(guò)鍵盤上的“PageUp”和“PageDown”鍵來(lái)選擇要調(diào)整的電機(jī)。需要注意：系統(tǒng)執(zhí)行PID調(diào)整的過(guò)程是首先將所有運(yùn)行的運(yùn)動(dòng)程序和PLC程序停止，然后下載自己的一小段程序，讓電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)，采集實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)，繪制脈沖和正弦波響應(yīng)曲線，通過(guò)響應(yīng)曲線來(lái)判斷系統(tǒng)的特性。圖9和圖10分別是脈沖響應(yīng)曲線和正弦波響應(yīng)曲線。 圖6 PMAC實(shí)時(shí)控制軟件 圖7 系統(tǒng)管理軟件 圖8 圖9 脈沖響應(yīng)曲線 圖10 正弦波響應(yīng)曲線 5 結(jié)論 本文分析了松下MINAS—A系列交流伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)器原理和PMAC控制算法。同時(shí)對(duì)電子橫移進(jìn)行系統(tǒng)仿真和分析。對(duì)于紡織行業(yè)，用充分體現(xiàn)現(xiàn)代微機(jī)控制技術(shù)和機(jī)電一體化的電子橫移取代傳統(tǒng)的機(jī)械結(jié)構(gòu)是技術(shù)發(fā)展的必然趨勢(shì)。使用電子橫移設(shè)備取代傳統(tǒng)的機(jī)械結(jié)構(gòu)不僅可以極大提高生產(chǎn)效率，而且可以生產(chǎn)出高質(zhì)量高檔次的產(chǎn)品。我們選用的Windows2000、IPC+ISA/PCI功能控制卡和流行的VisualC++6.0語(yǔ)言可以為電子橫移控制系統(tǒng)開(kāi)發(fā)的軟硬件平臺(tái)和軟件開(kāi)發(fā)語(yǔ)言，不僅使產(chǎn)品符合我國(guó)的經(jīng)編機(jī)的發(fā)展趨勢(shì)，提高了我國(guó)經(jīng)編機(jī)的市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)力，而且使系統(tǒng)具有很好的可擴(kuò)展性和可移植性，為將來(lái)的發(fā)展提供了很大的空間。