半自动卷绕机文档

更新时间:2020-08-10 01:21 作者:新利体育

  半自动卷绕机文档_信息与通信_工程科技_专业资料。半自动卷绕机文档 一、硬件设计 1. 系统硬件组成 卷绕机设备主要由电池极片供给、隔膜供给、卷绕机构、粘胶带四部分构成,机械部件 主要是由 1 台伺服电机、1 台步进电机、2 台直流电机、1 个触摸屏

  半自动卷绕机文档 一、硬件设计 1. 系统硬件组成 卷绕机设备主要由电池极片供给、隔膜供给、卷绕机构、粘胶带四部分构成,机械部件 主要是由 1 台伺服电机、1 台步进电机、2 台直流电机、1 个触摸屏、45 个输出汽缸及 56 个位置传感器构成,设备的主要的机械结构示意图如图 1 所示。 图 1 卷绕机机械结构 根 据设备 的机械组 成及控 制要求 ,控制系 统的硬 件设计 选择由核 心控制器 DSP (TMS320F2812)、辅助控制器及 I/O 扩展模块 CPLD(EPM1270)、各种外围电路组成,如 图 2 所示。DSP 作为核心控制器,主要实现了与触摸屏之间的通信、外部按钮的信号捕获、 模数(AD)转换、以及与 CPLD 之间的通信等功能;CPLD 作为辅助控制器主要完成了将 DSP 并行总线的数据转换为伺服及步进电机驱动器所需要的串行脉冲、方向信号,并记录 电机驱动器已发送的脉冲个数,同时还是系统的 I/O 扩展模块,解决了 DSP 内部 I/O 引脚不 够的问题。DSP 与 CPLD 之间的通信是通过 DSP 的系统外部接口 XINTF 来进行的,它能提 供一个简单、快速的通信通道;触摸屏采用的是 Eview 公司自带有 CPU 的 MT4300C 系列, 通过串口按照其规定的通信协议即可完成通信工作,使用时将它设置为从机模式,DSP 在 需要读取触摸屏信息时主动请求与其通信,即可完成对触摸屏的读写操作,这种方便的读写 控制方式大大缩短了系统在人机界面设计的开发时间。 外部按钮 急停按钮 触摸屏 DSP TMS320F2812 CAP模块 XINT模块 XINTF SCI模块 光电隔离 输入接口 CPLD 继电器 输出接口 光电隔离 电机驱动器 张力计电压 光电隔离 AD模块 SPI模块 光电隔离 DA芯片 放料电机 图 2 系统硬件组成 DSP 选用的是 TI 公司的 TMS320F2812,它内部具有外部扩展模块 XINTF,利用它能 够方便快速地实现与 CPLD 的数据交互。CPLD 采用 Verilog HDL 语言进行编程,实现的功 1 能主要有:1.接收 DSP 发送的并行数据——脉冲频率和个数,将其转换为串行数据,再经 过差分芯片后得到相应的脉冲差分信号,用以驱动步进电机和伺服电机;2.接收电机编码器 的差分信号,将其进行四倍频处理以计算得到编码器的准确数据,通过 DSP 的并行数据总 线.利用其 IO 引脚众多的特点,可以实现 DSP 的 IO 扩展功能,以达到该系 统 IO 数量的要求。由于系统的 IO 输出信号是用于控制汽缸动作的,其工作电压是+24V, 故需要利用继电器以达到弱电控制强电的效果;而 IO 的输入信号也是+24V 工作电压的, 其原始输入信号需要经过光电隔离之后才能输入到 CPLD 中,同样在电机驱动器输出控制 和电机编码器的输入处理中都需要加入光电隔离以避免信号干扰! DSP 直接控制的放卷电机是 0~5V 模拟电压控制的直流无刷电机,该模拟电压是利用 DSP 内部的 SPI 总线对 DA 芯片 MAX5322 进行控制得到的,其控制精度能够达到 1mv,实 现放卷电机的高精度控制;张力检测计的输出信号是模拟电压,可以利用 DSP 内部的模数 转换 AD 控制模块实现张力的检测功能;在设备的操作过程中,人机交互功能采用 EVIEW 公司的 MT4300TE 系列触摸屏来实现,它是采用串行通信方式 SCI 与 DSP 进行通信的,其 通信波特率可达到 115200,可以将其设置为人机工作模式以便 DSP 能够主动查询相关数据 这种简单可靠的通信方式为人机交互提供了可靠的保障,实现了友好的人机界面功能;该设 备除了拥有触摸屏作为人机界面外,还有“急停”、“复位”、“手动/自动”、“脚踏”、“启动” 五个外部控制按纽。“急停”按钮是设备运行过程中出现故障或安全事故等情况才启用的按 钮,它要求 DSP 做出最及时地响应,因此将其连接到 DSP 的外部中断 XINT 接口,只要该 控制按钮生效时,DSP 便能立刻响应该信号的中断请求,做出相应的控制,以保证设备能 够安全、可靠地生产。 “脚踏”外部控制按纽,需要作为 DSP 的中断源,因此将其连接到 DSP 的输入捕捉 CAP 模块,以保证程序运行过程中能够捕捉到这个按钮的输入与否,从而 做出相应的控制。 2. 初版电路设计原理 该电路的设计分为四块电路板,包括:DSP 核心板、AD&DA 板、电机驱动板、IO 板, 电路板之间通过信号连接线来完成信号传递,需要特别注意的是,如果有光藕隔离模块,则 隔离前的电源地使用 GND,而隔离后使用另一个电源地 CXGND,这样才能有效地抗干扰。 下面分别介绍四块板的主要设计原理。 a. DSP 核心板 DSP 核心板的功能是组建 DSP 与 CPLD 的最小系统,并将需要用到的信号引出到双排 针接口,另外三块电路板都是通过双排线连接到 DSP 板的,由于初版设计是为 DSP+PLC 而设计的,因此 IO 接口预留没那么多,而实际调试过程是直接用 DSP+CPLD 取代了 PLC 功能的,因此在原设计的电路板上进行了一些小改动,增加了一块临时制作的接口转换电路 板,将多余的原来预留给电机驱动器的信号改成了 IO 接口,以扩大系统的 IO 接口。 b. AD&DA 板 AD 功能使用的是 DSP 自带的 AD 模块,其输入电压的范围是 0~3V,而实际的模拟电 压输入是 0~5V,因此外部输入的模拟电压需要经过一个分压电路,再通过一个电压跟随器 后再输入到 DSP 中。 2 图 3 AD 模块 DA 功能采用的芯片是 MAX5322,该芯片采用的是+/-12V 供电的,一块芯片上有两个 DA 通道,分别用于上、下膜电机的电压控制端,DA 芯片输出的模拟电压还需要经过由高 精度运放 OP07 组成的电压跟随器,以提高其驱动能力,同时还加入了 RC 滤波电路以降低 纹波。 图 4 DA 模块 c. 电机驱动板 从 CPLD 出来的串行脉冲控制信号经过 ULN2803 进行驱动能力加强后,经过高速光藕 隔离与 74LS14 的整形,再经过差分芯片 26LS31 后得到驱动器所需要的脉冲方向差分信号。 图 5 电机驱动模块 3 d. IO 板 IO 板是与卷绕机上的汽缸控制单元电磁阀相连接的,它是+24V 供电的,因此光藕输入 端应当接至+24V,而光藕的输出端应当接到+5V,光藕的输出经过 74LV14 整形后将作为 DSP 或者 CPLD 的最终输入信号。 图 6 输入模块 IO 板上的输出端采用的是由继电器来对电磁阀进行控制的,其中单向电磁阀的输出控 制信号是低电平/悬空,而双向电磁阀的输出控制信号是低电平/高电平,所以应当注意其接 法是不一样的。 图 7 输出模块 e. CPLD 程序设计 CPLD 的编程采用的是在 QuartusII 8.1 编译环境下用 Verilog HDL 语言编写各模块的功 能函数,然后生成对应该模块的一个类似器件图,然后在.bdf 文件中将各个功能模块用类似 电路原理图的方法将其连接起来便构成了最终的程序。CPLD 在该系统中的作用主要有两个 方面:一是作为 DSP 的 IO 扩展模块,二是作为协处理器完成如并行数据转换为串行数据等。 在 CPLD 程序中,首先要有一个地址译码器,作用是根据 DSP 发送过来的地址,通过 该译码器后得到相应的一个片选信号,其它所有程序的片选信号都是从这个译码器里引出来 的。而在 DSP 中对 CPLD 的访问只需要对某个指针完成读写操作即可,通过将 CPLD 相关 的地址单元在.cmd 文件中预定义为 DSP 的寄存器,即可实现 DSP 对 CPLD 的访问类似对其 自身寄存器的访问,详见 DSP 程序源文件《Auto 程序初稿》。 4 XZCS0AND1 XA[4..0] 译码器,选通输出为低电平有效 decode5to32 enable data[4..0] eqout[31..0] eqout[31..0] ins t1 图 8 译码单元 输入和输出扩展模块的程序只需要简单地将数据信通过一个三态门锁存器对应地连接 起来即可。 IN_S[32..17] BUS_TRI in1s6t 16 D[15..0] 0X0000_RD 图 9 输入输出模块 并行数据转换成串行数据的功能是:将 DSP 发送的并行数据(D[15..0])转换为差分芯 片所需要的频率可改的串行数据(P_DATA_2,DIR-2),同时返回脉冲是否发送完毕的信号 finish_check,它是存放在数据总线的最高位数据位的。 CLK_IN para_to_seriy D[15..0] eqout[6] eqout[7] XRD XWE clk data_in[15..0] cs1 cp cs2 dire rd wr P_DATA_2 DIR-2 inst3 图 10 并转串模块 3. 新版改动 a. 由于程序的代码段所需空间比较大,片内 2K 的 RAM 代码段空间并不够使用,因此 新版扩展了一个 64K 的外部 RAM:IS61LV6416,扩展 RAM 后,系统程序运行时可在程序 最开始执行处将 FLASH 中的所有代码全部复制到 RAM 中运行,以提高程序的运行效率。 b. 由于之前采用的光藕 PC410 是一块芯片上只有一路光藕的,这样比较浪费空间,因 此新版的光藕采用了高速光藕 HCPL2631,普通光藕 TLP281-4。 c. 由于初版 DA 功能选用的芯片是 MAX5322,该芯片采用的是+/-12V 供电的,这样会 增加系统的电源设备,因此新版选用功能参数比较接近的 AD5623R,它是+5V 供电的,这 样便可以减少系统的电源设备。同时新版考虑将 DSP 与 AD5623R 通信的 SPI 协议交给 CPLD 去实现,这样可以减少 DSP 的资源占有率。 由于 IO 接口的信号电压都是+24V 的,IO 接口信号需要经过光藕隔离,输出模块中, 光藕的高电平输出是+23V,经过电阻分压电路得到+5V 信号后才进入 ULN2803 的输入端。 5 图 11 新版 DA 模块 d. 新版增加了一个线编码器的输入电路,将线编码器上的 A、B 两相信号经过光藕隔 离后即可输入到 CPLD 中进行相应的处理。 图 12 线编码器模块 e. 由于初版的输出模块采用的是继电器作为输出的驱动单元,其器件体积大,闭合时 间慢等缺点为系统的可靠性和快速性带来了不利的影响,因此在新版设计中采用光藕与 ULN2803 配合使用的电路取代了继电器,同样能够达到控制电磁阀的效果,这样既可以减 小器件体积又可以大大降低器件开关时的执行响应时间。 6 二、软件设计 图 13 新版输出模块 1. 设备工艺流程 卷绕机设备拥有“手动/自动”运行模式选择开关,在“手动”模式下,操作人员可以 手动操作完成放电池极片、隔膜等准备工作,同时还能进行相应的局部调试及故障排查,设 备在此模式下只需要根据触摸屏上的单个命令按钮作出相应的响应控制即可;而在“自动” 模式下,设备需要按照一个严格的工艺流程来完成电池的整个卷绕过程,完成一次卷绕的主 要操作流程为:1.“手动”模式下完成放极片与隔膜操作;2.切换到“自动”模式下,第一 次踩脚踏开关完成导入上层极片工序;3.第二次踩脚踏开关完成导入下层极片工序;4.第三 次踩脚踏开关完成电池卷绕与卸料工序,并恢复到就绪状态准备下一次卷绕工作。详细的流 程参见:《半自动卷绕机工艺流程》 准备好卷绕原料后上电 拨动开关至“手动”模式 在触摸屏上设置各个参数 在触摸屏上长按“入隔膜” 切换开关至“自动”模式 按下“启动”按钮 第一次脚踏,并完成对应动作 第二次脚踏,并完成对应动作 第三次脚踏,并完成对应动作 图 14 工艺流程 7 2. 软件整体流程 软件设计流程如图4所示,源程序参见《Auto程序初稿》,系统完成初始化之后以“手动 /自动”的开关选择为条件,将系统分为“手动”和“自动”两种模式,在“手动”模式下, 主要完成与触摸屏的通信工作,提取触摸屏的控制命令,并做出相应的控制动作;在“自动” 模式下,按照设备的不同工序将系统的操作流程继续划分为若干个State,每个State内包含有 若干步骤(Step),在每个Step执行前会有相关的前提条件,在成功执行完一个Step后,Step 值将加1指向下一个Step,如果前提条件不成立,则保存这个Step值,并强制State值为报警状 态对应的值,使程序自动跳转到报警状态,将报警的具体信息输出到触摸屏上,等待错误被 处理后再次从报警前的被打断处继续执行下去。 硬件初始化 读取触摸屏设置的参数 State=0、Sep=0 手动 请求触摸屏数据 延时60 ms 手动or自动 自动 State=0 启动? N Y State=1 根据SCI接收中断 提取触摸屏命令 根据触摸屏命令 作出相应控制 清空SCI接收数据 缓冲数组 State = 1 满足State值对应 的执行条件? N State=4 Y State = 2 State = 3 State = 4 脚踏? N Y 第一次脚踏 对应动作 脚踏? N Y 第二次脚踏 对应动作 脚踏? N Y 第三次脚踏 对应动作 报警 故障解决 State++ State++ State++ State=1 图 15 系统软件设计流程 3. 有限状态机的设计 在“自动”模式下的程序设计采用的是基于有限状态机(FSM)的程序方法。有限状态 机是一种具有离散输入输出系统的模型,由有限的状态和相互之间的转移条件构成,在任何 时候都只能处于给定数目状态中的一个,当接收到一个输入事件时,状态机产生一个输出,同 时也可能伴随着状态的转移,可以用一个五元组来表示: M ? (S, I,O,???) ,其中S为一个有限 的状态集合,I为该系统所能接受到的所有事件集合,O为系统的输出的所有事件集合,? 为 变迁函数,S ?? ? S 称为状态转移函数,它描述了系统中每个状态转换到其它状态的可能性, ? 表示输出方程 S ?? ?? 。 8 下面以“自动”模式下的 FSM 设计为例,详细解析其工作原理,首先给出如下定义:函 数 STATE_MATCH (x, y, ?, CurrentState, NextState) 判断系统在 CurrentState 状态下,且输入 状态或表达式为 x, y, ?时,是否满足下一状态 NextState 的逻辑条件,若是则返回 1, 否则返 回 0。 FSM 可以用有向图来表示,用节点表示某个特定的状态,用一条有向线表示状态的转移, 线上的字母代表的是状态的转移条件,如图 5 所示,图中, E0 为函数 STATE_MATCH 返回值为 0; E1 为函数 STATE_MATCH 返回值为 1; NoStart 为条件“启动”按钮没按下; ESTOP 为条件“急停”按钮有效; S1 为等待状态; S2 为就绪状态; S3~S5 为卷绕过程的各个主要步骤;, S6 为错误报警状态; S7 为急停状态。 E1 S3 E0 S4 E1 E0 S6 E0 S5 E1 ESTOP ESTOP E0 E1 S2 ESTOP E1 S1 NoStart ESTOP S7 图 16 有限状态机 当系统切换到“自动”模式时,系统一开始处于S1状态,若STATE_MATCH (x, y, ?, S1, S2) 的 返 回 值 为 1 , 则 状 态 机 跳 转 到 S2 状 态 并 执 行 该 状 态 下 的 所 有 操 作 ; 同 理 , 若 STATE_MATCH (x, y, ?, S2, S3)的返回值为1,则状态机跳转到S3状态并执行该状态下的所有 操作;以此类推,直到设备执行完要求的工艺流程,并重新回到S2状态,如此循环进行; 在所有状态下,若STATE_MATCH (x, y, ?,CurrentState, NextState)的返回值为0,则状态机跳 转到S6错误报警状态,此时需要按照报警信息将设备切换到“手动”模式下进行故障排除, 或者是解决设备的机械故障,待故障解决后再切换到“自动”模式下,重新进行电池的生产; 在所有状态下,在“急停”按钮有效时, 系统将进入急停状态,停止设备的一切电机和汽 缸动作。 4. 中断处理函数 该系统中应用到的中断处理函数包括;SCI接收中断、AD中断、输入捕获中断、外部中 断、定时中断。各中断处理函数的流程图如图3所示。 SCI接收中断是负责接收HMI发送给DSP的数据的,在程序中定义有一个数组touchCmd [100]用来暂存SCI接收到的所有数据。 AD中断,利用AD模块对张力计进入模拟电压读取时,可以利用外部信号或者软件中断 来启动AD转换功能,由于AD功能是由DSP主动发起的,因此不必靠外部信号来驱动,而是 9 采用软件中断的方式,能够实现AD转换的灵活控制,目前采用的是1ms进行一次AD中断, 由于PID控制的周期与AD中断的周期是相同的,因此将PID的控制函数也放在了AD中断处 理函数中。 外部中断主要是为了响应“急停”按钮而启用的。由于“急停”按钮需要DSP作出最快 速的反应,及时地停止一切电机和汽缸等动作,以达到紧急情况下的安全生产功能,因此将 该信号作为外部中断,并且拥有较高的中断优先级。 输入捕获中断主要是为了响应“脚踏”信号的,如果程序正处于“自动”模式下且在等 待外部的“脚踏”动作,这时如果“脚踏”信号被踏下,则DSP将根据自动状态下的工艺流 程进行相应的动作。 5. 触摸屏通信 在系统的设计中,采用的是Eview公司的触摸屏,如果将它设置为主机模式,则它会在 每个固定的周期向DSP发送数据,而并不是设计者所需要的:当触摸屏上有动作时才发送数 据给DSP,因此本系统将其设置为从机模式,DSP每个周期都将请求读取触摸屏的数据,以 查看触摸屏上是否有外部动作。在DSP读取触摸屏数据时,需要按照《EVIEW主从协议.pdf》 并根据串口中断接收到的数组touchCmd[]进行命令提取,在提取出DSP所需要的数据后,将 touchCmd[]数组清空,以接收下一个触摸屏的数据,最终还需要将部分触摸屏上的显示状态 写回给触摸屏,以便增强显示功能。 打开SCIA接收中断 请求HMI的CMD数据 request_touch_cmd() 延时60ms Delay_ms(60) 提取HMI数据 get_touch_data() 处理HMI命令 check_cmd() 打包写入全部HMI的数据 Write_touch_data() 图 17 触摸屏通信 10


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