華中科技大學 楊上陸 董湘懷 欒勁松 北京理工大學 張虎 常德紡織機械有限公司 陸安勝 提出了一種以PMAC運動控制器為控制系統(tǒng)核心，以工業(yè)控制機為系統(tǒng)支撐和松下伺服為驅動的開放式ELS（電子橫移）數控系統(tǒng)。首先闡述了ELS系統(tǒng)的發(fā)展現狀，接著重點介紹了松下MINAS-A系列交流伺服電機驅動器原理和PMAC控制算法。最后詳細介紹了電子橫移控制系統(tǒng)的硬件結構和軟件設計及系統(tǒng)仿真方法。 傳統(tǒng)的梳櫛橫移機構有很多缺點：花型變化成本高；柔性差；機械結構壽命短；紡織速度受機械結構的限制。隨著電腦控制技術和機電一體化的水平不斷提高，為了提高產品的市場競爭力，許多廠商對經編機的導紗梳櫛橫移機構進行改造，用電子橫移機構取代傳統(tǒng)的機械機構，如德國的LIBA公司生產的高速經編機就具有ELS、EBC、EAC電子橫移數控裝置，梳櫛的電子橫移機構具有花型變化柔性好，可以根據市場的需求隨時調整編輯花型，機構的壽命長等特點。最大的特點就是花型循環(huán)不受限制，且經編機上的花型變化十分方便，只要插入帶有工藝參數的軟盤就可以改變梳櫛的橫移規(guī)律。該種機型可以對市場的花型的流行趨勢作出迅速反應，因此用電子數控技術來實現經編機產品的更新換代是市場需求的必然趨勢。近年來我國經編機也在迅速發(fā)展，但與國外先進國家相比差距較大，使用的設備主要是以機械橫移的經編機為主，產品檔次低，主要用于普通的面料，還沒有進入國際品牌，花型設計周期長，市場競爭能力差。 近年來，國際經編機技術水平發(fā)展很快，我國每年從國外進口先進的產品。今后，采用先進的電腦控制技術提升產品的質量和檔次將成為我國經編機發(fā)展的必然趨勢。 圖1 1 松下MINAS-A系列交流伺服電機驅動器原理 伺服系統(tǒng)用來控制被控對象的轉角和位移，使其能自動地、連續(xù)地、精確地復現輸入指令的變化規(guī)律。位置控制的作用是將CNC裝置插補出的瞬時位置指令值Pc和檢測出的實際值Pf，在位置比較器中比較，產生位置偏差ΔP，再把ΔP轉換為瞬時速度指令電壓UP＊。輸入位置比較器中的指令有兩種方式——脈沖列和數值指令。 數值輸入方式的位置控制是由軟、硬件結合實現的，軟件負責偏差和進給速度指令的計算，硬件接受進給指令的數據，進行D/A轉換，為速度控制單元提供指令電壓，以驅動電動機運轉。其原理框圖如圖1所示。 目前，采用硬、軟件結合的數字伺服系統(tǒng)較為普遍。而且伺服系統(tǒng)同時有兩種輸入方式。日本松下生產的MINAS-A系列交流伺服電動機驅動器可以選擇脈沖輸入方式，也可以選擇數值指令輸人方式，其原理框圖如圖2所示。 2 PMAC控制算法 PMAC是美國Delta Tau數字系統(tǒng)公司生產的運動控制器。借助于Motorola的DSP 56001數字信號處理器，PMAC運動控制處理器可以同時操縱1-8個軸。每一個軸都是完全獨立的，一個PMAC可操縱8臺不同機器的8個單軸，或同一臺機器的8個軸之間進行完全協調的聯動，或兩種之間的任意組合。 圖2 PMAC運動控制器提供PID和階式位置伺服濾波器。還有另外兩項用以減少伺服系統(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速發(fā)電機環(huán)路阻尼所引起的跟蹤誤差。慣性所帶來的跟蹤誤差與加速度成正比，因此可以由加速度前饋來補償。 由于驅動（電機）和負載之間很難做到理想的耦合，PMAC運動控制器具有幾項高級功能來處理實際問題，諸如滯后，靜摩擦，卷曲以及回差。這些問題共同作用會使系統(tǒng)產生機械諧振從而嚴重損害系統(tǒng)的性能。PMAC運動控制器的數字階式濾波器和雙反饋選項中同時測量驅動器以及負載的位置和補償伺服環(huán)中的微分運動的能力可以解決機械諧振問題。PMAC PID+陷波伺服濾波器原理圖如圖3所示。 PID伺服濾波器極點配置的優(yōu)點：①在配置極點時具有更大的靈活性（設置系統(tǒng)的動態(tài)特性）；②具有更強的魯棒性以防止系統(tǒng)的動態(tài)特性的改變；③更強的抗擾動能力；④可以將測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的能力。 PID的實際算法。對于電機x使用的計算控制輸出的PID算法實際公式如下所示： 注解： DACout（n）為16位的伺服周期輸出指令32768～+32767）。它被轉換成-10～+10V的輸出。DACout（n）的值由Ix69定義。 Ix08為電機x的一個內部位置放大系數（通常設為96）。 Ix09為電機x速度環(huán)的一個內部放大系數。 FE（n）是伺服周期n內所得的跟隨誤差，即為該周期內指令位置與實際位置的差值[CP（n）-AP（n）]。 AV（n）是伺服周期為n內的實際速度，即為每個伺服周期最后兩個實際位置的差值[AP（n）-AP（n-1）]。 CV（n）是伺服周期為n內的指令速度，即為每個伺服周期最后兩個指令位置的差值[CP（n）-CP（n-1）]。 CA（n）是伺服周期n內的指令加速度，每個伺服周期最后兩個指令的速度的差值[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積分起作用。當CV不等于0時，Ix34=1只關掉了積分器的輸入，而沒有關掉它的輸出。 PMAC可以用來設置陷波濾波器。陷波濾波器是一個防諧振（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使用四個變量指定整個陷波濾波器系統(tǒng)：Ix36[N1]和Ix37[N2]是帶阻濾波器參數，Ix38[D1]和Ix39[D2]是帶通濾波器參數。這些I變量代表陷波濾波器公式里使用的實際參數。它們的范圍為-2、0到+2、0；它們是帶1個符號位，2個整數位和21個分數位的24位值。 3 電子橫移系統(tǒng) 3.1 系統(tǒng)分析 經編機在編織時，主軸每轉動一周，梳櫛要進行一次針前橫移、一次針背橫移和兩次過針擺動。過針時梳櫛不進行橫移。不同的機型針距不同，如E28：針距=25.4/28（0.9071）。梳櫛的橫移運動定位精度要求保證過針時導紗針與槽針之間的最小間隙，同時機器速度快，頻繁做運動—停止—運動的反復動作。控制系統(tǒng)不僅可以實現一把梳櫛橫移，也可以實現四把梳櫛聯動。為了保證經編機的編織能夠正常進行，必須使電子橫移機構定位精度高、速度響應快且系統(tǒng)穩(wěn)定性好，同時具有良好的人機界面。 3.2 系統(tǒng)硬件結構 電子橫移的硬件結構如圖4所示。整個系統(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）轉換成PMAC可以識別的NC-代碼和G-代碼?；ㄐ涂刂栖浖上到y(tǒng)關鍵是采用某種數據結構來實現。（2）步進液壓缸數控系統(tǒng)。（3）步進液壓高壓供給油供給系統(tǒng)。 圖3 圖4 3.3 控制軟件的開發(fā) 電子橫移數控系統(tǒng)基于Windows2000平臺，采用上下位機模式通訊。電子橫移數控系統(tǒng)上位機采用流行的VisualC++6.0來實現系統(tǒng)的管理，而下位機的編程采用PMAC的開發(fā)工具以PMAC語言編寫。PMAC提供了一套DLL和VxD來完成通訊。程序流程圖如圖5所示。 圖5 電子橫移數控系統(tǒng)軟件的開發(fā)分為PMAC實時控制軟件和系統(tǒng)管理軟件兩部分。實時控制軟件如圖6所示。 其中插補模塊包括直線插補、圓弧插補及樣條插補等。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。看門狗PLC計數器可以提供故障保護關斷功能，以便CPU出錯時提供安全保障。主PLC主要用來完成對控制面板及輸入輸出進行監(jiān)控的任務。數據采集模塊可以對伺服電機和主軸電機的速度進行采集，從而有效地控制橫移運動。 本系統(tǒng)的管理軟件是基于IPC，在Windows環(huán)境下主要負責系統(tǒng)的通信、顯示、診斷、花型軟件的輸入以及人機界面的管理。其管理軟件如圖7所示。 參數設置模塊主要用于對系統(tǒng)主軸的速度，花型組織的選擇以及電子橫移時間的設置；故障診斷模塊可以對系統(tǒng)的整個運行狀態(tài)進行監(jiān)控和在線診斷；系統(tǒng)調度模塊進行多任務之間的通訊；通訊模塊主要完成PMAC與主機之間的通訊，通過一個主機通訊程序，使主機與PMAC建立通訊，從而實現電子橫移機構的運動控制。本數控系統(tǒng)的IPC和PMAC之間的通訊是利用DehaTau公司提供的Pcomm32動態(tài)連接庫和PTALKDT控件編制的。 Pcomm32囊括了同PMAC通訊的所有方式，而且將其主要函數進行分類、封裝，最終形成ActiveX控件—PTALKDTt。通過完成的通訊程序可以實現運動程序的下載、PLC程序、IPC對PMAC的指令傳輸及PMAC對IPC的狀態(tài)反饋等通訊功能。參數設置、數控程序編輯、故障診斷及參數輸人等人機界面采用VisualC++6.0語言進行編制，利用Windows豐富的GUI函數及32位的處理能力來實現友好的人機界面。系統(tǒng)的管理軟件和實時控制軟件能完成橫移運動的控制，數據的采集和狀態(tài)檢測，使系統(tǒng)運行平穩(wěn)、性能可靠，從而滿足設計要求。 4 系統(tǒng)仿真 通過PMAC為用戶提供的PEWIN軟件來調節(jié)控制器提供的PID+速度/加速度前饋調節(jié)器的參數能夠解決大部分的系統(tǒng)問題。PEWIN軟件通過分析系統(tǒng)的脈沖響應和正弦曲線響應來評估系統(tǒng)的特性。圖8是PEWIN中PID調整的界面。 在界面的左上角是PEWIN軟件提供的兩種信號源（脈沖和正弦信號），可以調整這兩種信號的特性（信號的幅度、時間）。在它的下面是與系統(tǒng)有關的參數，用戶通過調節(jié)這些參數來調節(jié)系統(tǒng)的特性。當改變了其中的參數以后，就可以執(zhí)行脈沖響應或正弦波響應過程。脈沖響應過程主要用來調整系統(tǒng)的P、I、D等參數，而正弦波響應主要用來調整系統(tǒng)的動態(tài)特性，涉及的參數主要是速度和加速度前饋。通過鍵盤上的“PageUp”和“PageDown”鍵來選擇要調整的電機。需要注意：系統(tǒng)執(zhí)行PID調整的過程是首先將所有運行的運動程序和PLC程序停止，然后下載自己的一小段程序，讓電機轉動，采集實時數據，繪制脈沖和正弦波響應曲線，通過響應曲線來判斷系統(tǒng)的特性。圖9和圖10分別是脈沖響應曲線和正弦波響應曲線。 圖6 PMAC實時控制軟件 圖7 系統(tǒng)管理軟件 圖8 圖9 脈沖響應曲線 圖10 正弦波響應曲線 5 結論 本文分析了松下MINAS—A系列交流伺服電機驅動器原理和PMAC控制算法。同時對電子橫移進行系統(tǒng)仿真和分析。對于紡織行業(yè)，用充分體現現代微機控制技術和機電一體化的電子橫移取代傳統(tǒng)的機械結構是技術發(fā)展的必然趨勢。使用電子橫移設備取代傳統(tǒng)的機械結構不僅可以極大提高生產效率，而且可以生產出高質量高檔次的產品。我們選用的Windows2000、IPC+ISA/PCI功能控制卡和流行的VisualC++6.0語言可以為電子橫移控制系統(tǒng)開發(fā)的軟硬件平臺和軟件開發(fā)語言，不僅使產品符合我國的經編機的發(fā)展趨勢，提高了我國經編機的市場競爭力，而且使系統(tǒng)具有很好的可擴展性和可移植性，為將來的發(fā)展提供了很大的空間。