1、 题 目： 基于 DSP的经编机送经系统的研究 专 业： 电气工程及自动化 学 号： 09930420 姓 名： 吕可煌 指导教师： 郭锴 学习中心： 福建省 西 南 交 通 大 学 网 络 教 育 学 院 2011 年 10月 8 日 院系 西南交通大学网络教育学院 专 业 电气工程及自动化 年级 09 级 学 号 09931697 姓 名 吕可煌 学习中心 福建省 指导教师 郭锴 题目 基于 DSP 的经编机送经系统的研究 指导教师 评 语 是否同意答辩 过程分 (满分 20) 指导教师 (签章 ) 评 阅 人 评 语 评 阅 人 (签章 ) 成 绩 答辩委员会主任 (签章 ) 年 月 日
2、 毕业设计（论文）任务书 班 级 2009 级电气 学生姓名 吕可煌 学 号 09930420 开题日期： 2011 年 9 月 1 日 完成日期： 2011 年 10 月 9 日 题 目 基于 DSP 的经编机送经系统的研究 题目类型 ：工程设计 技术专题研究 理论研究 软硬件产品开发 1、本论文的目的、意义 近年来经济的快速发展使我国经编业的发展速度不断加快，人们对高精度经编机的需求量不断增加。由于进口设备价格高昂，所以迫使我国一方面自己着手研发一些成熟的高档经编机，另一方面对一些机械部分尚可利用但是控制系统落后的的经编机进行改造。在对这些设备进 行改造的过程中为了降低成本需要将一些高精度
3、、快速性的高性能芯片和先进的控制算法应用于经编机的控制器设计中。 本文主要介绍电子送经控制系统的设计。系统的人机交互平台是以触摸屏为基础，利用组态软件搭建起友好的人机界面。 PLC 为本系统的控制核心，它不仅接收用户通过触摸屏输入的控制信息，并用这些控制信息控制整个送经系统的运行，接收底层伺服控制器、主轴电机变频器的状态信息并将其显示于触摸屏上。送经系统在运行过程中出现异常状况时，触摸屏会以不同的方式进行报警。为了实现经编机电子送经与卷取同步，系统采用伺服电机驱动经线 轴使其跟随卷取机构的转速。这样既能够有效的保证经纱张力的恒定，又使织机具有精密的纬密 ， 同时可以省去部分复杂的机械装置。 2
4、、 学生应完成的任务 第一步：全面掌握相关的理论基础，积极收集材料，拟定大纲 第二步：依据指导老师修改后的论 文提纲编写论文 第三步：向指导老师提交初稿 第四步：依据指导老师对论文反复修改 第五步：论文定稿并对论文进行装订 第六步：对论文答辩进行准备 3、论文各部分内容及时间分配：（共 12 周） 第一部分 绪论 （ 1 周） 第二部分 理论综述 （ 2 周） 第三部分 dsp 系统的认识 （ 4 周） 第四部分 经编机系统的研究 （ 4 周） 评阅其答辩 （ 1 周） 指导教师： 年 月 日 学院审查意见： 审 批 人： 年 月 日 诚信承诺 一、 本设计是本人独立完成； 二、 本设计没有任
5、何抄袭行为； 三、若有不实，一经查出，请答辩委员会取消 本人答辩（评阅）资格。 承诺人： 年 月 日 摘要 近年来经济的快速发展使我国 经编业 的发展 速度 不断加快，人们对高精度 经编机的需求量不断增加 。由 于进口设备价格高昂，所以迫使我国 一方面 自己着手研发一些成熟的高档 经编 机 ，另一方面 对一些机械部分尚可利用但是控制系统落后的的经编机进行改造。 在对这些 设备进行改造的过程中为了降低成本需要将一些高精度 、 快速性的高性能芯片和先进的控制算法应用于经编机的控制器设计中 。 本文 主要 介绍 电子送经 控制 系统的设计。 系统的 人机交互平台是以触摸屏为基础 ，利用组态软件搭建起
6、友好的人机界面 。 PLC 为本系统的控制核心， 它不仅 接收用户通过触摸屏输入的控制信息 ， 并用这些控制信息控制整个送经系统的运行 ， 接收底层伺服控制器、主轴电机变频器的状态信息并将 其 显示于触摸屏上 。 送经系统 在 运行过程中 出现异常状况时， 触摸屏会以不同的方式进行报警。 为了实现 经编机 电子送经与卷取同步 ， 系统采用伺服电机 驱 动经线 轴 使其跟随卷取机构的转速。这样既能够有效的保证经纱张力的恒定，又使织机具有精密的纬密 ， 同时 可以 省去部分复杂的机械装置。 伺服电机控制器调节算法采用改进型 PI 算法。 以往的 PI 控制策略算法简单、鲁棒性好 、 可靠性高，但在
7、伺服电机的控制中此算法有一定的局限性。 会导致系统控制精度下降，影响 系统控制的实时性。 本设计所使用的电流和速度 PI 控制器 都 带有积分校正，能够较快的退饱和。 本文利用 MATLAB 对改进型 PI 调节算法 控制 的伺服电机 系统进行仿真，取得了 较 好的效果 。 此外还完成了送经系统控制器即伺服控制器的设计，并结合相 应的程序进行了部分实验取得阶段性结果。 关键字： PLC， TMS320F2812， 电子送经 ， 触摸屏 ， 伺服电机 Abstract The main content of this thesis is electronic let-off system of
8、textile. In these years with the rapid development of economy the textile industry continues to accelerate. Peoples demand for textile machine has increased at the same time. Due to the high cost and complicated operation of imported equipment we need to invent some kinds of high-precision electroni
9、c let-off system by us. This system applies a lot of high-precision to reduce the cost of textile machines, fast, high-performance chip and advanced control algorithm. The use of servo motor improves the precision of the system instead of mechanical devices. Servo motor controller uses a modified PI
10、 algorithm. Previours PI control strategy algorithm is simple, robustness is good and reliability is high, but in servo motor control this algorithm has certain limitation.Which can cause the precision of system controller decline and affects real-time of system control.This design using the current
11、 and speed PI controller with integral correction can quickly degrade saturation. This paper simulates servo motor system based on improved PI adjust control using MATLAB algorithm and have achieved better effect. . Key words： Warp Knitting Machine， PLC， digital signal processor 2812,electronic let-
12、off， touch screen，servo motor 目录 摘要 . i Abstract . ii 第一章 绪论 . 4 1.1 我国经编业发展现状 . 4 1.2 课题的来源 . 5 1.3 课题研究的必要性 . 5 1.4 课题研究的内容 . 5 1.5 控制系统控制策略研究 . 6 第二章 伺服系统的硬件设计 . 7 2.1 伺服控制器的总体结构 . 7 2.2 TMS320F2812 的简介 . 8 2.3 F2812 的片内资源 .10 2.3.1 存储器映射 .10 2.3.2 DSP 与 PLC 通信 . 11 2.4 控制器主电路 .13 2.4.1 功率主电路设计 .
13、13 2.4.2 IPM 智能功率模块 .14 2.4.3 电流检测电路 .16 2.4.4 光电码盘接口电路 .17 2.4.5 SCI 转 RS232 通讯接口电路 .20 2.5 本章小结 .21 第三章 软件实现及设计 . 22 3.1 系统的软件开发平台 .22 3.2 伺服系统的软件结构 .22 3.3 DSP 与 PLC 通信的软件设计 .23 3.3.1 DSP 通讯子程序 .23 3.3.2 触摸屏人机界面的设计 .25 3.4 PI 调节器的设计 .26 3.6 本章小结 .27 总结与展望 . 28 致谢 . 29 参考文献 . 30 西南交通大学网络教育毕业设计（论文）
14、 第 4 页 第一章 绪论 1.1 我国经编业发展现状 我国经编业起步于 20 世纪 80 年代 末 90 年代 初 ， 通过适时引进国际先进的经编设备 ， 加大自主研发力度 ， 优化 产业结构 以及拉动 国内外市场需求，我国经编业进入一个稳步 高速 成长时期，部分优势企业已经开发 出 具 有国际先进水平 的 经编产品，在 复合 材料等领域取得较大发展。进入 21 世纪，服装 /服饰类经编产品开始受到消费 者 的青睐，促使其产业得到快速提升 。 经编行业是我国纺织工业中 增长最快的行业之一。 2001 年 2006 年总产值及销售收入年均增长均超过 25%，其增长速度明显高于同期我国纺织工业和
15、针织行业平均水平。 2006 年经编行业总产值达到 850 亿元，同比增长 30%以上，逐步形成了以广东、福建、浙江、江苏等位主要省份的经编产业格局，四省经编行业产值占全国 90%。产业集群在其中唱着重头戏 ， 中国针织工业协会统计的 15 个针织产业集 群地区中 ， 2001年 2006 年，销售收入 增幅 均 超过 25%。而经编产业集群产值、销售收入、利润增长速度均明显高于纺织工业和针织行业的平均水平。 20012006 年，我国共引进先进的经编机 18000 余台、染整及相关设备而 1400 余台（套）。调研发现，截止 2006 年我国经编生产设备总数约为 31160 台、其中先进的经
16、编设备 6000 台，由此可见虽然我国经编业从起步到现在已经有了较大的发展但是经编业的结构还存在一定的问题，具体体现为产业结构还不够合理。 尽管经编业发展势头良好 ， 各项数据逐年在骤变，某些指标已经接近国际 水平。 但是总的发展水平参差不齐 ， 国内 很多经编机 的送经控制系统 依然是 机械送经系统 ，即通过一系列的机械结构调节 (杠杆、齿轮、弹簧、皮带等 )来控制送经量。实践表明，机械送经控制系统使得织机结构复杂，滞后严重，柔性差。织机高强度的工作易造成一些机械结构磨损，使控制精度降低。而且，机械送经控制系统不能满足中高档织机的速度要求。 鉴于此我们既要引进国外先进的技术同时还要对一些陈旧
17、的设备进行改造 。 尤其是送经系统进行 改造 。 用于 经编机 电子送经的控制系统主要有伺服控制系统和变频调速系统，变频 调速系统由于异步电动机自身的局限性调 速过程缓慢、调速范围小等渐渐地无法满足技术要求。 而伺服控制系统不仅 调速过程迅速而且有较大的调速范围 ，因此与变频调速相比，伺服控制更精确，可靠。 西南交通大学网络教育毕业设计（论文） 第 5 页 1.2 课题的来源 福建省福州市 长乐县是一个纺织大县，该县的 经编 企业不仅是纳税大户 ， 而且 该县的 经编业 是人民的主要收入来源 。长乐的 经编工业 在发展初期由于其规模 小 、生产方式 落后 等被人们形象的 称为 “草根工业”，时
18、至今日长乐 经编 业已经取得了巨大的进步。 2010 年 3 月应长乐县一家企业的邀请我们去参观了该县 经编工业 的一些生产情况 ，主要是经编机。参观过程中了解到大多数经编机都是从 国外进口的二手设备，有成千上万台的这类设备日夜不停地运转着。 这种 低效率高功耗的的生产方式 不仅 无法满足社会和环境的要求， 而且严重的影响了经编产品的产量和品质。 因此 如果要使其生产效率有大的提高 ， 必须 对机械结构 和 生产工艺进行改进，尤其是 对 控制系统 的改进 。 1.3 课题研究的必要性 目前国内经编企业存在大量的二手经编机，大都采用了变频器送经系统。这些送经系统的差动齿轮磨损严重，调速性能差，迫
19、切需要更换。 因此需要对这些经编机进行改进，用先进伺服控制的电子送经系统代替变频器控制送经系统。采用电子送经可以提高张力控制的精 度和灵敏度、有助于消除开车稀密路、提高对变纬密制造的适应能力、适应现代织机高速度、高智能的要求。 经编 企业将来的发展趋势是在整个行业内部实现计算机信息管理系统，因此 电子送经、电子牵拉卷取以及电子横移必须首先在经编企业普及，另外数字化控制、分布式控制系统、触摸屏必将应用于经编企业。 此外从电机本身考虑 ， 伺服电机与普通电机相比有如下特点 ： 转速和方向受到控制信号的控制，调速范围大；运行范围内的特性具有线性关系，运行平稳；控制信号消除时，立即停止，无“自转”现象
20、；控制功率小，启动转矩大；机电时间常数小，始动电压低；控 制信号变化时反应灵敏。 而 普通电机必须在平稳的状态下运行，不能满足速度多变的要求，当电压或电流信号频繁变化时可能 还会出现 烧坏电机 等现象 1。 1.4 课题研究的内容 根据企业的要求我们对这些二手经编设备的送经系统进行改造 ， 用伺服控制器及交流永磁同步伺服电 机组成的伺服系统取代原有的变频器送经系统。这样不仅能减少原系统 复杂的机械机构 ， 而且还能提升送经系统的控制精度。 本文主要完成 以 DSP2812为 核心 搭建 伺服电机控制器 ，通过 将编码器反馈回来的速度信号和 PLC 给定的信号进行比较，使伺服电机的转速实时的跟随
21、 PLC 的给 定转速 ，从而保证稳定的送经量 。 实际 经 编织造过程中 ， 送 经轴直径 随着生产的进行而 不断减小， 另外对于某些织物在编织一个完全组织的不同横列时 纱线消耗量不同 ，这些都将是伺服电机转速控制西南交通大学网络教育毕业设计（论文） 第 6 页 设计 中要考虑的因素 。 如何 实现 伺服电机精确 地 跟随主轴电机 ， 从而合理控制送经量是伺服控制器设计的关键。 主轴电机 起动 并进入全速生产状态后 ， 主轴电机的转速保持恒定，送经量的随着送经轴的直径而变化。当主轴电机的转速变化时送经量即伺服电机的转速变化要同时考虑以上两种因素。 鉴于以上企业的实际情况和企业发展的要求，结合
22、学校中所学的理论 ， 将经编机电子送 经系统做为课题进行研究 。 1.5 控制系统控制策略研究 对于 经编机 控制系统而言，不仅要具有较高的稳定性 ， 而且还要具有一定的控制精度才能织出较高品质的纱。而控制精度主要决定于送经 系统的 反应 速度 ， 即 能 否 按照主轴的变化 等因素 快速的调整送经量。 通过伺服电机 驱动经编机运转，该机械运动包括很多环节的复杂运动 ，因此要提高经编机送经系统的精度要牢牢抓住一些影响送经系统整体控制精度的主要因素。 本系统 对伺服电机的控制采用闭环控制结构，使用 改进 的 PI 调节算法对伺服电机的电流环和速度环进行调节。 在实际应用中 要 提高控制精度首先要
23、选 用高精度、高频率响应的感测元件 ， 如 A/D 转换 器 和电流传感器、编码器等。在伺服电机运行的过程中 ， 我们可以依靠这些感测元件实时 地测量电机 参数 ， 并将它们应用于伺服电机的控制过程。控制器根据上述的感测元件的测量参数并结合调节算法才能实现控制要求。安装于伺服电机轴上的光电编码器不断将电机旋转产生的脉冲信号发送给伺服控制器，伺服控制 器 在设定的时间内对脉冲进行计数 ， 并计算出电机当前的转速。伺服控制器将计算出的转速与 PLC 发送的目标转速进行比较，将比较所得的误差信号传给 PI调节 器 ，经调节后的误差信号将作为电流环的给定信号 ， 参与电流环的调节。 电流传感器将测量出的伺服电机 三 相电流值 ， 经过变换后 发送给控制器 ， 与给定的电流信号共同 参与 电流环的调节。最终由电流环产生的信号更新 伺服控制器中事件管理器的相应 值 ， 从而控制逆变器的开关时间 ，最终 实现空间电压矢量控制过程。 经多次反复的调试 确定 PI 调节器的参数。
