基于WinCE的高速工业绣花机运动控制的研究与应用

论文摘要

高速工业绣花机在刺绣时,主轴电机、步进电机以及其它模块的协调运作是绣花机运动控制系统研究的重点和难点。为满足工业绣花机在1200n/min的高速工作状态的强实时性、精度、刺绣品质等方面要求,本课题重点研究了一种基于ARM9+Windows CE5.0+CPLD软硬件平台的高速工业绣花机运动控制系统的实现方案。在硬件设计部分,详细分析了高速工业绣花机运动控制部分的工作原理,明确了系统功能需求,对系统各模块进行了设计,并对I/O资源和中断资源进行了合理的分配。硬件中扩展了CPLD模块的设计,解决了系统定时器和计数器不足的问题。在主轴模块部分,为提高主轴电机刺绣速度和响应速度,采用伺服电机作为主轴电机,分析了伺服驱动器的特性,对伺服驱动器采用速度控制方式驱动,在系统中设计了AD模块,为伺服驱动器提供模拟电压控制信号,并结合CPLD的计数器单元,完成了主轴模块光电编码器返回值计数部分的硬件设计。同时结合CPLD的定时器单元,完成了步进电机的驱动电路设计。另外根据系统的功能需求,对换色部分、拉杆限位部分和针位板部分进行了硬件设计。在驱动设计部分,分析了Windows CE操作系统的特性和工作机制,采用Windows CE多线程机制和中断处理的方法来满足绣花机的强实时要求。本文在深入探讨Windows CE驱动程序设计要点和适用范围的基础上,重点研究了主轴电机和步进电机的协作要求,采用流驱动设计方法对主轴伺服电机和移框步进电机设备驱动程序进行了设计,实现了主轴电机正常刺绣、100°精确停车、位置检测、速度设置等功能,实现了步进电机正常刺绣移框和手动移框等功能,并对驱动程序协作做了测试,取得了较好的效果。在应用软件设计部分,采用模块化和对象化的设计方法,对系统功能软件进行了规划,结合各模块的信号需求,完成了正常刺绣、剪线、断线检测和换色等功能软件设计。最后,为满足高速工业绣花机内部花样文件格式的需求,设计了一款新型绣花机内部花样文件BSB花样文件格式,在全面剖析了BSB花样文件格式结构的基础上,重点研究了BSB格式与市场上通用的几种主流花样格式的转换机制,并对花样定制过程中的误差和精度问题进行了分析,提出了可靠的解决办法。目前,国产高速工业绣花机与国外同种机型相比,在性能上还存在较大差距。本课题的工作致力于研发一种高性能、低成本的高速工业绣花机控制器,对绣花机工业的发展有着积极的影响。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第一章 绪论
• 1.1 课题研究背景
• 1.2 高速工业绣花机国内外研究现状
• 1.2.1 研究现状
• 1.2.2 一些新技术在工业绣花机中的应用
• 1.3 本课题的主要研究任务
• 第二章 高速工业绣花机运动控制系统功能需求分析
• 2.1 高速工业绣花机运动控制系统功能分析
• 2.1.1 绣花机工作流程
• 2.1.2 运动控制功能需求
• 2.2 开发平台选择
• 2.2.1 CPU 的选择
• 2.2.2 操作系统选择
• 2.3 本章小结
• 第三章 高速工业绣花机运动控制系统硬件设计
• 3.1 运动控制系统总体结构
• 3.2 运动控制系统硬件模块分析与设计
• 3.2.1 核心板模块
• 3.2.2 协处理器CPLD 模块
• 3.2.3 主轴电机模块
• 3.2.4 步进电机模块
• 3.2.5 拉杆开关及限位开关模块
• 3.2.6 针位板模块和换色电机模块
• 3.3 运动控制系统硬件资源需求规划
• 3.3.1 I/O 资源需求
• 3.3.2 中断源需求
• 3.4 本章小结
• 第四章 主轴电机与步进电机驱动设计
• 4.1 Windows CE5.0 设备驱动分析
• 4.1.1 Windows CE5.0 驱动特点与分类
• 4.1.2 流驱动特点与结构
• 4.2 多线程的应用与中断处理
• 4.2.1 多线程机制
• 4.2.2 线程之间的通信
• 4.2.3 中断服务在运动控制系统中的设计
• 4.3 内存映射机制
• 4.4 主轴电机驱动设计与实现
• 4.4.1 创建相关文件
• 4.4.2 流接口函数的实现
• 4.4.3 MainMotor.def 文件和sources 文件配置
• 4.4.4 编译驱动程序
• 4.5 步进电机驱动程序设计与实现
• 4.5.1 打开设备驱动程序函数实现
• 4.5.2 设备管理器初始化函数实现
• 4.5.3 I/O 控制函数的实现
• 4.5.4 其它步进电机流驱动接口函数及编译
• 4.6 驱动程序加载及测试
• 4.6.1 驱动程序加载
• 4.6.2 驱动程序测试
• 4.7 本章小结
• 第五章 运动控制系统软件设计与实现
• 5.1 运动控制系统软件结构
• 5.2 运动控制系统各模块功能实现
• 5.2.1 正常刺绣模块
• 5.2.2 换色模块
• 5.2.3 剪线模块
• 5.2.4 断线检测模块
• 5.3 本章小结
• 第六章 花样文件设计及定制
• 6.1 花样文件研究的意义
• 6.2 花样文件格式BSB 结构
• 6.2.1 文件头
• 6.2.2 针迹数据
• 6.2.3 辅助信息
• 6.2.4 BSB 文件格式特点
• 6.3 其它花样文件格式转换成BSB 文件格式的实现
• 6.4 BSB 花样文件格式的定制
• 6.4.1 累计误差问题分析及解决
• 6.4.2 定制精度问题分析及解决
• 6.4.3 定制结果验证
• 6.5 本章小结
• 第七章 总结和展望
• 7.1 总结
• 7.2 展望
• 致谢
• 参考文献
• 附录 攻读硕士期间发表的论文