基于开关磁阻电机直驱技术的喷气织机控制系统的制作方法
【专利摘要】本实用新型公开了一种基于开关磁阻电机直驱技术的喷气织机控制系统，本实用新型包括主控制卡、气阀控制卡、电源卡、多臂控制卡、功率控制卡、电子绞边控制卡和开关磁阻电机控制模块；所述的主控制卡、气阀控制卡、电源卡、多臂控制卡、功率控制卡和电子绞边控制卡之间通过高速LVDS板级总线相连，主控制卡和开关磁阻电机控制模块采用高速光纤CAN总线相连。本系统引入了开关磁阻电机直驱技术，使喷气织机车速最高能达2000rpm，开关磁阻电机可以实现小电流大扭矩输出，开关磁阻电机控制系统自带调速功能，力矩调整系统，特别是力矩调整织布机布面质量和风格有着决定性作用，而这是靠变频器无法实现的，同时也起到节能降耗的作用。
【专利说明】
【技术领域】
[0001] 本实用新型涉及的纺织领域，特指是一种基于开关磁阻电机直驱技术的喷气织机 控制系统。 基于开关磁阻电机直驱技术的喷气织机控制系统
【背景技术】
[0002] 传统控制系统要么采用PLC控制系统，但因为其响应速度慢，小于800转/分的织 机控制还算可以，但随着速度的提供，PLC控制系统逐渐下降；另外国内部分系统采用传统 的单片机，使用10或通信连接各个子功能模块，性能虽有些提升，但并没有本质性的提高。 为此我们提出了基于FPGA技术的喷气织机控制系统核心，关键信号的处理全部采用硬逻 辑实现，其响应速度和纯软件技术不是一个数量级，而系统中的非实时功能采用软核来处 理，另外为提高系统的可靠性，所以关键信号的处理，以及信号连接都采用了冗余技术，各 子系统的连接也采用当前先进的低压差分总线技术（LVDS)来满足各子系统通信的高可靠 和高速度。而对于开关磁阻电机控制系统，其电磁干扰非常强烈，普通电缆连接非常容易将 干扰引入到控制系统本身，但其通信速度要求又非常高，为此本系统特设计了光纤通信接 口用于连接开关磁阻电机控制系统。
[0003] 由于机械结构的原因，传统喷气织机需要两路电源系统，一路是正常的工频电源， 另一路为提供给系统慢车、找纬等动作的变频电源，同时为了提高系统启动力矩，控制系统 一般都带有所谓的超启动(三角形与星型电路)电路连接。这种方案确实能满足大部分喷气 织机需求，但该系统还有方案还有较大改进空间以提高系统能效比，降低电气和机械复杂 度，甚至实现可变打纬力控制，为此我们在系统中引入了开关磁阻电机直驱技术，开关磁阻 电机可以实现小电流大扭矩输出，是织机直驱技术的最好选择，开关磁阻电机控制系统自 带调速功能，力矩调整系统，特别是力矩调整织布机布面质量和风格有着决定性作用，而这 是靠变频器无法实现的。
【发明内容】
[0004] 本实用新型针对现有技术的不足，提出一种基于开关磁阻电机直驱技术的喷气织 机控制系统。
[0005] 为实现以上目的，本实用新型采用的技术方案为：
[0006] 基于开关磁阻电机直驱技术的喷气织机控制系统，包括主控制卡、气阀控制卡、电 源卡、多臂控制卡、功率控制卡、电子绞边控制卡和开关磁阻电机控制模块；
[0007] 所述的主控制卡、气阀控制卡、电源卡、多臂控制卡、功率控制卡和电子绞边控制 卡之间通过高速LVDS板级总线连接，主控制卡和开关磁阻电机控制模块采用高速光纤CAN 总线连接；
[0008] 所述的主控制卡包括32位NIOS II软核FPGA主处理器、32位ARM协处理器，32位 NIOS II软核FPGA主处理器通过总线与32位ARM协处理器；角度传感器接器、张力传感器、 10串化器、人机界面、脉冲指令接口、探纬传感器、探经传感器、温度传感器、气压传感器、油 压传感器分别与32位ARM协处理器的一个I/O 口连接；
[0009] 所述的多臂控制卡为32位ARM处理器，提花辅刹控制器和多臂分别与32位ARM 处理器的一个I/O 口连接；
[0010] 所述的电源卡包括32位ARM处理器和多路开关电源；
[0011] 所述的功率控制卡为2位ARM处理器，自动润滑系统、辅刹和辅刹温度传感器分别 与2位ARM处理器的一个I/O 口连接；
[0012] 所述的电子绞边控制卡为32位ARM处理器；
[0013] 所述的开关磁阻电机控制模块包括CAN通信模块、MCU模块、旋转变压器解码模 块、功率驱动模块、电流传感器模块、母线电压检测模块、制动模块和整流滤波模块；
[0014] 所述的MCU模块的4路PWM输出管脚与功率驱动模块的IGBT驱动芯片的信号输 入管脚相连，功率驱动模块的驱动芯片的电流过流报警反馈引脚与MCU模块的普通I/O 口 相连，功率驱动模块输入电压连接到整流滤波模块，整流滤波模块与母线电压检测模块的 输入信号端口相连，母线电压检测模块的输出信号端口连接到MCU模块的普通10 口，制动 模块的输入信号端口连接到MCU模块的普通10 口，制动模块的输出信号端口与整流滤波模 块连接，功率驱动模块的一路不对称桥输出驱动信号端口与电流传感器的输入引脚相连， 电流传感器模块的电流传感器信号输出接口与MCU模块的AD输入口相连，功率驱动模块的 四路不对称桥输出驱动信号端口与开关磁阻电机的四个线包输入引脚相连，旋转变压器解 码模块的解码芯片信号输出接口与MCU模块的普通SPI接口相连，旋转变压器解码模块中 通过旋转变压器测量开关磁阻电机的转子位置，CAN通信模块通信接口与MCU模块的CAN通 信接口相连，人机交互界面的按键和数码管引脚与MCU模块的普通I/O 口连接；
[0015] 所述的CAN通信模块采用自带隔离的CAN收发器IS01050 ;所述的MCU模块采用32 位STM32F103单片机；所述的旋转变压器解码模块包括旋转变压器和旋转变压器解码芯片 AD2S1205 ;所述的功率驱动模块包括带有过流保护的IGBT驱动芯片A316J、4块半桥IGBT 模块SKM100GAR123D和4块半桥IGBT模块SKM100GAL123D组成4路不对称桥；所述的电流 传感器模块采用电流传感器CSNP661 ;所述的整流滤波模块和母线电压检测模块构成母线 电压检测功能；所述的整流滤波模块和制动模块构成放电功能。
[0016] 所述的气阀控制卡为32位NIOS II软核FPGA处理器；
[0017] 本实用新型所具有的有益效果是：本系统引入了开关磁阻电机直驱技术，使喷气 织机车速最高能达2000rpm，开关磁阻电机可以实现小电流大扭矩输出，是织机直驱技术的 最好选择，开关磁阻电机控制系统自带调速功能，力矩调整系统，特别是力矩调整织布机布 面质量和风格有着决定性作用，而这是靠变频器无法实现的，同时也起到节能降耗的作用。 同时本系统采用基于神经网络的气阀自适应控制方法，让喷气织机的引纬能够自适应能力 各种纬纱织造，与传统喷气织机引纬控制方式相比，使得不同特性的纬纱混织的情况下变 得非常方便，同时也不用特地浪费大量压缩空气来调大喷嘴开启时间，起到节能环保的功 效。
【专利附图】
【附图说明】
[0018] 图1为本实用新型的系统框图；
[0019] 图2为开关磁阻电机控制模块的结构示意图。
【具体实施方式】
[0020] 如图1所示，基于开关磁阻电机直驱技术的喷气织机控制系统，包括主控制卡、气 阀控制卡、电源卡、多臂控制卡、功率控制卡、电子绞边控制卡和开关磁阻电机控制模块；
[0021] 所述的主控制卡、气阀控制卡、电源卡、多臂控制卡、功率控制卡和电子绞边控制 卡之间通过高速LVDS板级总线连接，主控制卡和开关磁阻电机控制模块采用高速光纤CAN 总线连接；
[0022] 所述的主控制卡包括32位NIOS II软核FPGA主处理器、32位ARM协处理器，32位 NIOS II软核FPGA主处理器通过总线与32位ARM协处理器；角度传感器接器、张力传感器、 10串化器、人机界面、脉冲指令接口、探纬传感器、探经传感器、温度传感器、气压传感器、油 压传感器分别与32位ARM协处理器的一个I/O 口连接；
[0023] 所述的多臂控制卡为32位ARM处理器，提花辅刹控制器和多臂分别与32位ARM 处理器的一个I/O 口连接；
[0024] 所述的电源卡包括32位ARM处理器和多路开关电源；
[0025] 所述的功率控制卡为2位ARM处理器，自动润滑系统、辅刹和辅刹温度传感器分别 与2位ARM处理器的一个I/O 口连接；
[0026] 所述的电子绞边控制卡为32位ARM处理器；
[0027] 所述的开关磁阻电机控制模块包括CAN通信模块、MCU模块、旋转变压器解码模 块、功率驱动模块、电流传感器模块、母线电压检测模块、制动模块和整流滤波模块；
[0028] 如图2所示，所述的MCU模块的4路PWM输出管脚与功率驱动模块的IGBT驱动芯 片的信号输入管脚相连，功率驱动模块的驱动芯片的电流过流报警反馈引脚与MCU模块的 普通I/O 口相连，功率驱动模块输入电压连接到整流滤波模块，整流滤波模块与母线电压 检测模块的输入信号端口相连，母线电压检测模块的输出信号端口连接到MCU模块的普通 10 口，制动模块的输入信号端口连接到MCU模块的普通10 口，制动模块的输出信号端口与 整流滤波模块连接，功率驱动模块的一路不对称桥输出驱动信号端口与电流传感器的输入 引脚相连，电流传感器模块的电流传感器信号输出接口与MCU模块的AD输入口相连，功率 驱动模块的四路不对称桥输出驱动信号端口与开关磁阻电机的四个线包输入引脚相连，旋 转变压器解码模块的解码芯片信号输出接口与MCU模块的普通SPI接口相连，旋转变压器 解码模块中通过旋转变压器测量开关磁阻电机的转子位置，CAN通信模块通信接口与MCU 模块的CAN通信接口相连，人机交互界面的按键和数码管引脚与MCU模块的普通I/O 口连 接；
[0029] 所述的CAN通信模块采用自带隔离的CAN收发器IS01050 ;所述的MCU模块采用32 位STM32F103单片机；所述的旋转变压器解码模块包括旋转变压器和旋转变压器解码芯片 AD2S1205 ;所述的功率驱动模块包括带有过流保护的IGBT驱动芯片A316J、4块半桥IGBT 模块SKM100GAR123D和4块半桥IGBT模块SKM100GAL123D组成4路不对称桥；所述的电流 传感器模块采用电流传感器CSNP661 ;所述的整流滤波模块和母线电压检测模块构成母线 电压检测功能；所述的整流滤波模块和制动模块构成放电功能。
[0030] 所述的气阀控制卡为32位NIOS II软核FPGA处理器；
[0031 ] 所述的角度传感器接口，该接口提供一路旋转变压器角度解码模块，选择旋转变 压器而不选择更方便的光电编码器的原因是考虑到织机糟糕的工作环境，高温，高湿，强震 动；
[0032] 所述的张力传感器模块（即模拟量输入模块），该模块并没有采用传统的ADC方 案，而是采用了 V/F变换，这样不紧有利于系统隔离，而且FPGA采样也非常方便；
[0033] 所述的10串化器接口，织机系统中包含大量的输入输出，为了提高系统的可靠 性，这些10通常都需要光或磁隔离，过多的10必然需要大量的隔离器和CPU资源，而10串 化不仅大大减少CPU资源，而且其隔离成本也是非常之低；
[0034] 所述的人机界面，主控制卡采用常见的CAN总线接口与人机界面相连；
[0035] 所述的脉冲指令接口，用于连接伺服驱动器；
[0036] 所述的探纬传感器，系统采用基于锁相放大技术纬纱探测方案，其灵敏度大大优 于传统的调幅检波检测方案；
[0037] 所述的探经传感器，是用于检测断经状态的装置；
[0038] 所述的温度传感器，是用于检测如织机油温，轴温等需要进行温度监视的机构；
[0039] 所述的气压传感器，是用于检测压缩空气的气压；
[0040] 所述的油压传感器，是用于监视润滑系统油压信息；
[0041] 所述的气阀控制卡根据系统角度信息查询经过神经网络整定后的控制规律或人 工设定规律进行气阀的开启或关闭；
[0042] 所述的电源卡的多路开关电源各路自带过流、过压、欠压等保护功能，整个系统的 电源保护集中在该控制卡完成；
[0043] 所述的功率控制卡用于驱动织机系统大电压，大电流设备，如刹车，离合等，本系 统是使用开关磁阻电机直驱技术的织机，所以该控制主要提供辅助刹车，润滑系统以及各 种信号灯的驱动，另外该控制卡同时监视其控制对象的温度信息，但该功能需要被控对象 封装温度传感器；
[0044] 所述的多臂控制卡实现多臂机花纹控制，并能与多臂执行机构形成闭环控制；对 于使用提花龙头的织机，该控制卡可以提供一路提花辅助刹车控制；
[0045] 所述的电子绞边控制卡实现电子凸轮功能。
[0046] 基于开关磁阻电机直驱技术的喷气织机控制系统的工作过程：
[〇〇47] 控制系统实时检测挡车工的操作命令以及织机工作状态，如开车、停车、找纬、慢 车等命令；断经、断纬、故障等状态，主控制卡将这些命令、状态以及实时角度信息等通过 LVDS总线分发到各个子系统而其中的开关磁阻电机系统需通过光纤传送，各子系统根据接 收到的命令状态和角度信息来控制各个执行机构，另外为了系统的安全一个用于监视系统 离线状态的心跳数据也在在系统内实时传播，各个子系统会实时检测自己在线状态，若发 现异常则立即执行紧急停车处理。
【权利要求】
1. 基于开关磁阻电机直驱技术的喷气织机控制系统，包括主控制卡、气阀控制卡、电 源卡、多臂控制卡、功率控制卡、电子绞边控制卡和开关磁阻电机控制模块； 所述的主控制卡、气阀控制卡、电源卡、多臂控制卡、功率控制卡和电子绞边控制卡之 间通过高速LVDS板级总线连接，主控制卡和开关磁阻电机控制模块采用高速光纤CAN总线 连接。
2. 根据权利要求1所述的基于开关磁阻电机直驱技术的喷气织机控制系统，其特征在 于：所述的主控制卡包括32位NIOS II软核FPGA主处理器、32位ARM协处理器，32位NIOS Π 软核FPGA主处理器通过总线与32位ARM协处理器；角度传感器接器、张力传感器、10串 化器、人机界面、脉冲指令接口、探纬传感器、探经传感器、温度传感器、气压传感器、油压传 感器分别与32位ARM协处理器的一个I/O 口连接。
3. 根据权利要求1所述的基于开关磁阻电机直驱技术的喷气织机控制系统，其特征在 于：所述的多臂控制卡为32位ARM处理器，提花辅刹控制器和多臂分别与32位ARM处理器 的一个I/O 口连接。
4. 根据权利要求1所述的基于开关磁阻电机直驱技术的喷气织机控制系统，其特征在 于：所述的电源卡包括32位ARM处理器和多路开关电源。
5. 根据权利要求1所述的基于开关磁阻电机直驱技术的喷气织机控制系统，其特征在 于：所述的功率控制卡为2位ARM处理器，自动润滑系统、辅刹和辅刹温度传感器分别与2 位ARM处理器的一个I/O 口连接。
6. 根据权利要求1所述的基于开关磁阻电机直驱技术的喷气织机控制系统，其特征在 于：所述的电子绞边控制卡为32位ARM处理器。
7. 根据权利要求1所述的基于开关磁阻电机直驱技术的喷气织机控制系统，其特征在 于：所述的开关磁阻电机控制模块包括CAN通信模块、MCU模块、旋转变压器解码模块、功率 驱动模块、电流传感器模块、母线电压检测模块、制动模块和整流滤波模块； 所述的MCU模块的4路PWM输出管脚与功率驱动模块的IGBT驱动芯片的信号输入管脚 相连，功率驱动模块的驱动芯片的电流过流报警反馈引脚与MCU模块的普通I/O 口相连，功 率驱动模块输入电压连接到整流滤波模块，整流滤波模块与母线电压检测模块的输入信号 端口相连，母线电压检测模块的输出信号端口连接到MCU模块的普通10 口，制动模块的输 入信号端口连接到MCU模块的普通10 口，制动模块的输出信号端口与整流滤波模块连接， 功率驱动模块的一路不对称桥输出驱动信号端口与电流传感器的输入引脚相连，电流传感 器模块的电流传感器信号输出接口与MCU模块的AD输入口相连，功率驱动模块的四路不对 称桥输出驱动信号端口与开关磁阻电机的四个线包输入引脚相连，旋转变压器解码模块的 解码芯片信号输出接口与MCU模块的普通SPI接口相连，旋转变压器解码模块中通过旋转 变压器测量开关磁阻电机的转子位置，CAN通信模块通信接口与MCU模块的CAN通信接口 相连，人机交互界面的按键和数码管引脚与MCU模块的普通I/O 口连接； 所述的CAN通信模块采用自带隔离的CAN收发器IS01050 ;所述的MCU模块采用32 位STM32F103单片机；所述的旋转变压器解码模块包括旋转变压器和旋转变压器解码芯片 AD2S1205 ;所述的功率驱动模块包括带有过流保护的IGBT驱动芯片A316J、4块半桥IGBT 模块SKM100GAR123D和4块半桥IGBT模块SKM100GAL123D组成4路不对称桥；所述的电流 传感器模块采用电流传感器CSNP661 ;所述的整流滤波模块和母线电压检测模块构成母线 电压检测功能；所述的整流滤波模块和制动模块构成放电功能。
8.根据权利要求1所述的基于开关磁阻电机直驱技术的喷气织机控制系统，其特征在 于：所述的气阀控制卡为32位NIOS II软核FPGA处理器。
【文档编号】G05B19/042GK203882135SQ201420205773
【公开日】2014年10月15日 申请日期:2014年4月24日 优先权日:2014年4月24日
【发明者】李波, 章永亮, 高明煜, 金崇程, 王亮, 吕程辉, 戴岳尧 申请人:杭州坦诺电气自动化有限公司