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第!卷第##期!$$%年##月机&&电&&工&&程’()*+,-)+./0.()12-)+.0,3-,((2-,3’+3+4-,(56.7!867##8697!$$%收稿日期!!$$%:$:#!作者简介!林金朝!#%Q:#男#福建宁德人#主要从事模式识别与智能控制方面的研究70?+-.$.E):$=JC#!;7)6?通信联系人!游林儒#男#博士#副教授70?+-.$+A.2B6ACD)A17(FA7),工业缝纫机电气控制系统的研制林金朝!游林儒!徐芹文!华南理工大学自动化科学与工程学院#广东广州#$;Q$摘&要!为实现一种新型高度自动化工业缝纫机电气控制系统的设计!重点阐述了工业缝纫机嵌入式控制器$模式盒%及步进电机控制驱动模块的研制!提出了在P’eJ!$^!%#!数字信号处理器$Me]%&RJ]$;$现场可编程门阵列$^]UR%硬件平台上搭建实时操作系统!LiceZZ的模式盒控制方案!并在分析步进电机动态特性的基础上!给出了步进电机升降速曲线实现方式!实现了高速状态下三轴电机联动及多种定制花样的精确缝制实验结果证明!该系统具有动态响应良好!运行噪声低!整机功耗低等特点关键词!工业缝纫机#数字信号处理器#!LiceZZ#步进电机#P’e^J!$^!%#!#现场可编程门阵列中图分类号!P’J%J7Q$PeQ#7;!&&&&文献标识码!R文章编号!#$$#:Q#!!$$%##:$$;#:$QIL4,32(1,-4&1%*&$4&,(1%,4#/#12-,%*().#1%*$4#8*(+2$&’*(dZ8f-,)*+6#hcTd-,2A#VTS-,Y(,!4(22’/’()D&$(E.$%(01%’1’.3C/%’’+%/#0(&$747%.9%:’+#%$,()K’17(2(/,#A&./7(&#$;Q$#47%.56#1%$&1$^622(+.-4-,31*(F(D-3,6X+,(Y1BW(6X*-3*.B+A16?+1(F-,FAD12-+.D(Y-,3?+)*-,((.()12-)+.)6,126.DBD1(?#1*(-,FAD12-+.D(Y-,3?+)*-,((?I(FF(F)6,126..(2+,F1*(F(D-3,6XF2-9-,3?6FA.()6,126..(FY-1*D1(W?6162Y(2(F(D)2-I(F7P*(2(+.1-?(6W(2+1-,3DBD1(?!LiceZZY+DW26W6D(F16IA-.F6,1*(*+2FY+2(W.+1X62?)6?W6D(F6XP’e^J!$^!%#!F-3-1+.D-3,+.W26)(DD62!Me]+,FRJ]$;$X-(.FW2632+??+I.(3+1(+22+B!^]UR-,1*(F(D-3,6X1*((?I(FF(F)6,126..(27P*(?(1*6FX621*(DW((FAW+,FDW((FF6Y,)A29(DY+DW2(D(,1(FIB+,+.B4-,31*(FB,+?-))*+2+)1(2-D1-)D6X1*(D1(W?61627P*(1*2((+H-D?6162.-,\+3(+,F1*(+))A2+1(D1-1)*Y62\6X9+2-6AD32+W*)AD16?(F-,1*(*-3*DW((F2A,,-,3D1+1(Y+D+)*-(9(F7P*((HW(2-?(,1+.2(DA.1DD*6Y1*+11*(.6YW6Y(2?+)*-,(*+D*-3*FB,+?-)W(X62?+,)(+,FY62\@A-(1.B77/8,%)#$-,FAD12-+.D(Y-,3?+)*-,(%F-3-1+.D-3,+.W26)(DD62!Me]%!LiceZZ%D1(W?6162%P’eJ!$^!%#!%X-(.FW2632+??+I.(3+1(+22+B!^]UR9:引:言工业缝纫机广泛应用于服装)针织)皮革行业#随着这些加工行业的不断发展#企业对工业缝纫机的需求也在逐年增加#!$$Q年国内工业缝纫机的产量达到了将近$$万台(虽然中国是全球工业缝纫机的成产基地#但竞争力与国际先进水平相比还有一段差距(多数企业都没有关键技术的自主产权#只能够通过引进来提高自己的竞争优势#因此必须推进缝纫机电气系统的自主研究和开发(通过对工业缝纫机电气系统的组成和分类探讨#本研究采用现有成熟的伺服控制系统模块#给出基于永磁同步伺服电机!]’e’电气系统的实例(;:硬件及功能设计系统整体采用模块化设计#从上位操作控制面板到底层电机控制电路采用J级控制器结构#如图#所示#整个电气控制系统的由个部分组成$操作面板)控制器!模式盒)永磁同步电机驱动电路)步进电机控制驱动电路以及光栅传感器和电磁铁电路(工缝机通过键盘设定缝纫指令#由控制盒控制电机和电磁阀等部件按照指令带动机头的机械部分进行缝纫#缝机具有自动剪线)自动挑线)自动反缝)自动饶线#并根据操作指令进行模式缝纫的功能(缝纫机机头由永磁同步电机带动#实现j轴上下往复运动%采用步进电机驱动V)h轴联动#完成精确平面定位&#’(A-PDFSplitDEMO:Purchasefromwww.A-PDF.comtoremovethewatermark图;:工业缝纫机硬件框图;7;:操作控制面板电路操作面板是一个R1?(3+#;的单片机系统#通过对矩阵键盘的扫描及Q位数码管的分时驱动#实现命令的采集与状态回显%内嵌的!mK的00][c’可对机器的内存参数掉电保存#并作为系统初始化的参数依据%采用[eQ%总线与主控板通信#为确保通信的质量以及系统的兼容性#设计中还引入了’6FIAD协议(;7=:模式盒主电路作为高速)高精度工业缝纫机系统运转调度的核心#系统选择了P’eJ!$^!%#!作为其运算和存储的主单位&!J’#辅之以RLP0d公司的RJ]$;$实现了特殊的外围拓展(P’eJ!$^!%#!是美国德州仪器公司!PZ推出的J!位定点数字信号处理器!Me]#具有#$’Z]e的处理能力和强大的事件管理及嵌入式控制能力#具备哈佛结构的#;位和!$位的数据)地址拓展口(RJ]$;$是RLP0d公司出品的#以^.+D*为基础的]26ReZLJ现场可编程门阵列!^]UR元件#拥有;万门的逻辑单元##$$个Zic口(主要承担主控板输入i输出信号的处理#减轻了Me]软件设计的难度#提高了系统的稳定性以及快速响应的能力#完成诸如对Me]并行信号的解码#实现了串行脉冲的输出%部分地址译码%电磁铁]G’控制波形的输出%以及各种光电传感器信号的采集等工作(,Me]b^]UR-系统不断地采集来自光电传感器的输入以及实时通讯接受操作面板的命令#协调J个电机和电磁铁的动作(为提高信号传递质量#降低外围干扰对核心电路的影响#所有输入i输出数据均采用差分信号形式且均通过光耦连入核心电路(^]UR通过接收Me]命令实现的高速脉冲串发生电路达到精确定位#每个驱动板上均有一个计数器电路负责信号量的转换(这种通讯机制相对于串口缺乏应有的灵活性#但在这种场合下却简单)可靠#体现出一定的优越性(脉冲串通讯分别由^]UR发送和%!J来接收#最大的发送速率可达%’g4#可以达到同步发送的目的#实现了对J个电机的实时无差控制(为提高永磁同步电机伺服控制的性能#系统增加了一个位置环控制#提供了主控板Me]的]’e’的光电编码采样通道#增加了针杆手动定位等一系列操作功能(;7:步进电机控制驱动电路设计该模块主要完成脉冲串的接收#并把它转化为金属氧化物半导体场效应晶体管!’ce^0P驱动信号直接带动电机(采用%;系列两相步进电机#整步步距角#7%y#为改善低频运行时的振荡及过冲问题工作)固有分辨率不高)加减速性能不好等问题#电路中引入了RP?(3+%#单片机和R..(326公司的RJ%;来实现微步控制#其控制框图如图!所示(RJ%;具有同步整流功能#自动半电流模式#驱动电流可达R#最大可实现#;细分#经最大细分后控制精度缩小到$7##Jy#完全满足缝纫机的控制精度和强度(由于电机为感性负载且RJ%;中驱动电源)逻辑工作电压共地#为降低电机工作带来的影响#电路设计时必须要充分考虑5MM稳定的问题#电源管理模块中尽量使用线性稳压器件#同时设计时]LK应避免大面积铺地(图=:基于5FEA的两相步进电机控制驱动电路框图;7?:传感器和电磁铁电路整机系统包含;个光电传感器#用于反馈电气控制系统相应部件的位置和状态(!路用于步进电机的位置传感器#反映V)h送料机构的电机位置%!路用于踏板信号的采集%另外一路用于针杆绝对位置的反馈#配合光电编码器的输入可以实现针杆J;$y全程定位%剩余一路用做压脚电磁铁位置的状态反馈(电磁铁是系统的重要执行机构#机器中包含!路输出$一路用于压脚输出#负责送料以及布料的固定#输出功率较大#持续较久#本研究采用]G’方式供电#由主控板^]UR控制输出波形#驱动功率元器件#其高位供电电压为Q%5%而另一电磁铁是完成自动松线和剪线只在+!;+机&&电&&工&&程第!卷瞬间触发#工作时间较短可以直接驱动#其工作电压为J;5(=:控制策略和软件设计=7;:步进电机升降曲线设计步进电机的动态特性可通过其动力学模型!!阶微分方程描述为$&Q’cF!&F$!@F&F$@G&@K4?KF!#式中&c*系统总转动惯量%&*转子转角%*阻尼!包括机械阻尼和电磁阻尼系数%G*某种函数关系的比例因子%K4*摩擦阻力矩及其他与无关的阻力矩之和%KF*为步进电机所产生的电磁驱动转矩(根据方程式!##得到惯性转矩$c0?cF!&F!$?KFK4G&F&F$!!由方程式!#和其他因素#可得到步进电机的实际矩频!惯性转矩)电磁转矩特性如图J所示(在驱动脉冲的频率较低时#步进电机转矩比较大%随着频率的上升#转矩近似于线性下降(在)#和)!之间具备最好的转矩与加速度特性#对于不同型号的电机)#))!不近相同#通常来说)#处转速为#$$\!$$2i?-,#)!处应不高于#$$$2i?-,(图:步进电机矩频特性及升速运行时的加速曲线0?F)F$?RK)!J式中&R#K*两个待定常数(假设频率是从)$向)#变化#通过对式!J解微分得到$)!$?)$@4!#’$3!Q图?:步进电机台阶拟合上升曲线式中#4?RiK)$?)#)$#3?#IK(离散化得$)!$S?)$@!)#)$!#’$S3!其中#$S为开始发送第S个脉冲的时刻#并且当$E?!!\J3#)!$E?)#(由于采用#;细分控制#可以取)$a;\g4#)#aJ$\g4#为方便代码编写#采用台阶拟合的方式实现升降曲线#’LT通过查表方式进行延时控制电机(根据式!#假定$Ea$#$Ea!Y3得到如图Q所示上升曲线#通过多段拟合#并且根据步进电机的最终工作频率)##升速过程中#起始频率)$跳跃可以比较大#每一个频率段进电机的升速曲线#最大程度发挥步进电机的性能#但持续时间较短(随着频率的升高#频率跳跃逐渐减小#降速则刚好相反(=7=:模式盒软件设计鉴于P’eJ!$^!%#!拥有充分的L]T及存储资源#控制任务的实时性以及操作系统的优越性#采用!LiceZZ作为软件设计的平台(因缝纫机针头要在Q$$N!=$$2i?-,的转速下运行#实时性要求较强#为此设计采用?D的时钟节拍(!7!7#&!LiceZZ在P’eJ!$^!%#!上的移植要点系统软件代码的编写是基于LLeJ7#开发环境#移植主要做好Q个工作$任务的切换)中断级任务切换)堆栈初始化以及时钟节拍函数的修改(除了堆栈初始化函数只在任务创建调用可以用L语言来写#为提高代码效率#其他的函数均采用汇编函数完成&;’(Me]堆栈结构为向上增长模式#堆栈指针生长方式配置为$lF(X-,(ce‘ePm‘U[cGPg$(堆栈初始化过程中#在操作的结尾必须保证指针e]加!#与中断硬件堆栈操作达到统一(为提高代码执行效率#使用软件中断完成任务的切换工作$lF(X-,(ce‘PRem‘eG!+D?!uP[R]lJ#u(由于中断发生时#P’eJ!$^