圓頭鎖眼機(jī)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

王正武+祝本明+劉必標(biāo)

摘 要： 針對系統(tǒng)結(jié)構(gòu)復(fù)雜，電器器件多，控制復(fù)雜，通過對圓頭鎖眼機(jī)的功能特征、系統(tǒng)結(jié)構(gòu)、人機(jī)操作界面等問題的深入分析，開發(fā)了圓頭鎖眼機(jī)智能化控制系統(tǒng)。該控制系統(tǒng)綜合應(yīng)用ARM，DSP，F(xiàn)PGA等嵌入式技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了對圓頭鎖眼機(jī)的高速、高精度運(yùn)動控制。經(jīng)現(xiàn)場應(yīng)用結(jié)果表明，各項(xiàng)指標(biāo)完全滿足設(shè)計(jì)要求，得到了很好的實(shí)際應(yīng)用。

關(guān)鍵詞： ARM； DSP； FPGA； 圓頭鎖眼機(jī)控制系統(tǒng)

中圖分類號： TN911.7?34； TP29 文獻(xiàn)標(biāo)識碼： A 文章編號： 1004?373X（2014）13?0122?04

Designing and realization of control system for eyelet buttonhole sewing machine

WANG Zheng?wu， ZHU Ben?ming， LIU Bi?biao

（N0.58 Research Institute of China Ordnance Industries， Mianyang 621000， China）

Abstract： According to complexity of system structure， too many electrical devices needed to control， this paper an intelligent control system for the eyelet buttonhole sewing machine was designed by analyzing the function characteristics， system structure， man?machine interface of the machine. The high?speed and high?precision motion control of the eyelet buttonhole sewing machine was realized by means of integrated application of ARM， DSP， FPGA and other embedded technologies. Application results show that all the indexes of the control system meet the design requirements. It works well in the practical application.

Keywords： ARM； DSP； FPGA； control system of eyelet buttonhole sewing machine

0 引 言

圓頭鎖眼機(jī)，又名鳳眼機(jī)，是夾克和西服等服裝加工中的關(guān)鍵設(shè)備之一，被譽(yù)為縫紉機(jī)之王。它以復(fù)雜的組合運(yùn)動匹配以復(fù)雜的機(jī)械組合而著稱，其制造技術(shù)工藝相對復(fù)雜，工藝要求精密而細(xì)致。圓頭鎖眼機(jī)依靠機(jī)械控制各種動作，其內(nèi)部機(jī)構(gòu)交錯重疊，操作比較復(fù)雜。

目前國內(nèi)市場上常見的圓頭鎖眼機(jī)廠家主要有：德國杜克普、美國利是、日本重機(jī)等國外品牌產(chǎn)品，國內(nèi)圓頭鎖眼機(jī)產(chǎn)品大多數(shù)為機(jī)械型，自動化程度和產(chǎn)品附加值不高，產(chǎn)品的核心技術(shù)——控制系統(tǒng)主要從國外購買，處處受制于人，競爭力不強(qiáng)。

近年來，隨著電子技術(shù)和處理技術(shù)的發(fā)展，將嵌入式技術(shù)應(yīng)用于圓頭鎖眼機(jī)控制系統(tǒng)，大大提高了縫制設(shè)備的自動化、智能化水平。

1 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

1.1 工作原理

圓頭鎖眼機(jī)控制系統(tǒng)包含運(yùn)動控制器、電機(jī)驅(qū)動器、人機(jī)界面等部分，圓頭鎖眼機(jī)如圖1所示。

圖1 圓頭鎖眼機(jī)

圓頭鎖眼機(jī)通過人機(jī)操作界面選擇扣眼類型，設(shè)置參數(shù)，然后發(fā)送指令給運(yùn)動控制器處理。運(yùn)動控制器將接收的指令分析處理后，將指令進(jìn)一步分解給主軸驅(qū)動器、步進(jìn)驅(qū)動器、電磁閥、氣閥等，并接收機(jī)械運(yùn)動的電氣輸入量。

主軸驅(qū)動器驅(qū)動，步進(jìn)驅(qū)動器驅(qū)動步進(jìn)電機(jī)。主軸電機(jī)帶動機(jī)針上下運(yùn)動，主軸電機(jī)轉(zhuǎn)一圈，機(jī)針上下一次，實(shí)現(xiàn)刺布縫紉；X軸、Y軸電機(jī)帶動送料框左右、前后移動，進(jìn)行定位；C軸電機(jī)帶動機(jī)械旋轉(zhuǎn)，實(shí)現(xiàn)弧線操作；通過主軸電機(jī)編碼器的反饋信號確定允許送料區(qū)間，在允許送料區(qū)間X軸、Y軸電機(jī)才能運(yùn)動，以此實(shí)現(xiàn)刺布與送料的同步；于此同時，零位開關(guān)將機(jī)械位置實(shí)時反饋給運(yùn)動控制器。

1.2 系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)

控制系統(tǒng)為開放式、模塊化的軟硬件結(jié)構(gòu)，其核心是基于ARM、DSP、FPGA硬件架構(gòu)和以WINCE為軟件平臺。DSP芯片作為控制處理器，主要完成各種運(yùn)動控制算法；FPGA完成各種運(yùn)動控制接口、系統(tǒng)開關(guān)量以及系統(tǒng)內(nèi)部各種邏輯控制；ARM芯片通過RS 232協(xié)調(diào)、調(diào)度FPGA和DSP工作，共同構(gòu)建智能化縫制設(shè)備控制系統(tǒng)的核心單元。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖2所示。

圖2 系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

控制系統(tǒng)硬件平臺采用主從式雙CPU結(jié)構(gòu)。上位機(jī)以ARM9芯片S3C2440為核心的人機(jī)界面，主要包括ARM主板、觸摸顯示屏；下位機(jī)是以DSP，F(xiàn)PGA為核心的運(yùn)動控制卡及以DSP為核心的交流伺服驅(qū)動器，主要具有運(yùn)動控制、步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動、主軸電機(jī)驅(qū)動等功能。上下位機(jī)之間通過RS 232通信方式交換數(shù)據(jù)和信息。

2.1 ARM主板

ARM主板以三星公司的ARM9芯片S3C2440為核心，工作頻率為300 MHz，板載SDRAM內(nèi)存設(shè)計(jì)為64 MB，工作頻率為133 MHz，采用64 MB的NAND FLASH作為系統(tǒng)鏡像及應(yīng)用程序存儲設(shè)備，包含板載FLASH，支持LCD屏，并具有USB、串口等總線接口。上位機(jī)主板結(jié)構(gòu)框圖如圖3所示。

ARM主板主要負(fù)責(zé)640×480分辨率，256K Color TFT LCD液晶屏顯示，4線電阻式觸摸屏操作，USB外部數(shù)據(jù)接口，SD卡接口，通過RS 232通信與運(yùn)動控制板之間進(jìn)行實(shí)時數(shù)據(jù)傳送。

2.2 專用運(yùn)動控制卡

由于圓頭鎖眼機(jī)運(yùn)動控制復(fù)雜，輸入/輸出（I/O）開關(guān)量多，資源需求大，因此圓頭鎖眼機(jī)專用高性能運(yùn)動控制卡采用ALTERA公司的EP3C16Q240C8芯片和TI公司的DSP芯片TMS320F28332PGFA為核心，研發(fā)了用于圓頭鎖眼機(jī)控制系統(tǒng)專用運(yùn)動控制卡。該控制系統(tǒng)構(gòu)成了運(yùn)動控制單元（1個主軸、2個水平進(jìn)給軸和1個旋轉(zhuǎn)進(jìn)給軸的運(yùn)動控制）、擁有13個數(shù)字輸出和13個數(shù)字輸入、2個模擬輸入、1個模擬輸出、5個電磁鐵輸出等功能模塊；FRAM能實(shí)時動態(tài)存儲系統(tǒng)的運(yùn)行狀態(tài)信息。該結(jié)構(gòu)模式既充分利用DSP數(shù)據(jù)信號處理能力，進(jìn)行復(fù)雜算法運(yùn)算；又充分利用FPGA設(shè)計(jì)、修改方便簡潔；即充分發(fā)揮DSP算法運(yùn)算優(yōu)勢，又體現(xiàn)了FPGA運(yùn)算速度快的特點(diǎn)，使其資源互補(bǔ)。其硬件框圖如圖4，圖5所示。

圖3 ARM主板硬件框圖

圖4 FPGA總體框架

2.3 專用主軸伺服驅(qū)動

圓頭鎖眼機(jī)專用交流伺服驅(qū)動器是圓頭鎖眼機(jī)控制系統(tǒng)的關(guān)鍵部件，用于控制圓頭鎖眼機(jī)主軸電機(jī)的運(yùn)轉(zhuǎn)。伺服控制系統(tǒng)由交流伺服驅(qū)動器及交流伺服電機(jī)組成，交流伺服驅(qū)動器以高性能數(shù)字信號處理器（DSP）及大規(guī)?？删幊踢壿嬈骷–PLD）為處理器，運(yùn)用現(xiàn)代伺服電機(jī)控制理論，以旋轉(zhuǎn)編碼器和電流傳感器為反饋，以智能功率模塊（IPM）為逆變器實(shí)現(xiàn)對交流伺服電機(jī)的高性能控制。交流伺服系統(tǒng)原理框圖如圖6所示。

圖5 FPGA控制驅(qū)動原理框圖

圖6 伺服控制系統(tǒng)原理框圖

控制程序主要完成電機(jī)位置環(huán)、速度環(huán)、電流環(huán)的實(shí)時控制。在控制程序中主要有以下幾種控制模式：位置控制、速度控制、轉(zhuǎn)矩控制。圖7是交流伺服驅(qū)動系統(tǒng)框圖。

專用交流伺服驅(qū)動器針對圓頭鎖眼機(jī)應(yīng)用的具體情況，在保證交流伺服驅(qū)動器優(yōu)異性能和滿足實(shí)際需要的前提下，對驅(qū)動器進(jìn)行簡化設(shè)計(jì)，去掉了那些不必要的功能，并根據(jù)縫紉機(jī)運(yùn)動的特性優(yōu)化了控制算法。采用交流伺服電機(jī)作為縫紉機(jī)主軸，在不需要縫紉操作時，伺服電機(jī)停止轉(zhuǎn)動，節(jié)能至少20%以上。該項(xiàng)技術(shù)的突破，使驅(qū)動器的生產(chǎn)成本大幅度降低，與市場上通用型交流伺服比較，可降低成本1 500元以上，并能與縫紉機(jī)的主軸和進(jìn)給軸更好地配合，實(shí)現(xiàn)了同一驅(qū)動器對不同交流伺服電機(jī)的自動辨識。

2.4 閉環(huán)步進(jìn)驅(qū)動控制

圓頭鎖眼機(jī)對縫紉精度要求非常高，要求縫紉機(jī)機(jī)械在高速縫紉的同時，保證具有良好縫紉效果，因此水平進(jìn)給軸和旋轉(zhuǎn)進(jìn)給軸必須具有快速的響應(yīng)能力，用步進(jìn)電機(jī)作為圓頭鎖眼機(jī)的進(jìn)給電機(jī)非常適合，能很好地保證縫紉針距均勻，線跡美觀。

步進(jìn)電機(jī)能夠?qū)㈦姷拿}沖信號轉(zhuǎn)換成相應(yīng)的角位移，是一種離散型自動化執(zhí)行元件。隨著計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)的發(fā)展，步進(jìn)電機(jī)廣泛用于同步系統(tǒng)、直線及角位系統(tǒng)、點(diǎn)位系統(tǒng)、連續(xù)軌跡控制系統(tǒng)以及其他自動化系統(tǒng)中，是高科技發(fā)展的一個重要環(huán)節(jié)。閉環(huán)步進(jìn)驅(qū)動控制原理框圖如圖8所示。

圖8 閉環(huán)步進(jìn)驅(qū)動控制原理框圖

步進(jìn)電機(jī)的全數(shù)字化閉環(huán)控制技術(shù)，采用32位高性能DSP處理器，實(shí)現(xiàn)電機(jī)繞組電流的數(shù)字化控制，使用電子齒輪、微細(xì)分、電磁轉(zhuǎn)距的矢量控制等技術(shù)，實(shí)現(xiàn)對電機(jī)轉(zhuǎn)子位置閉環(huán)控制，解決電機(jī)震蕩和丟步問題，提升步進(jìn)電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)性能，減小電機(jī)發(fā)熱，大大提升了步進(jìn)電機(jī)的性能。全數(shù)字閉環(huán)步進(jìn)驅(qū)動主控制電路如圖9所示。

步進(jìn)電機(jī)閉環(huán)驅(qū)動具有步進(jìn)電機(jī)開環(huán)驅(qū)動和直流無刷伺服電機(jī)的優(yōu)點(diǎn)，提高了矩頻特性，輸出功率/轉(zhuǎn)矩曲線得以提高，效率?轉(zhuǎn)矩曲線提高。因此，閉環(huán)驅(qū)動的步進(jìn)電機(jī)的性能在所有方面均優(yōu)于開環(huán)驅(qū)動的步進(jìn)電機(jī)，可得到比開環(huán)控制更高的運(yùn)行速度，更穩(wěn)定、更光滑的轉(zhuǎn)速。

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

系統(tǒng)軟件在特定的硬件架構(gòu)上與縫紉機(jī)機(jī)械部分配合完成圓扣眼鎖眼機(jī)可以實(shí)現(xiàn)的特定功能，根據(jù)硬件架構(gòu)可以分為兩個部分，即上位機(jī)（ARM主板）和下位機(jī)（運(yùn)動控制卡）兩部分。這兩個軟件是相輔相成，缺一不可的，上下位機(jī)通過RS 232通信方式交換數(shù)據(jù)和信息。圓扣眼鎖眼機(jī)控制系統(tǒng)上位機(jī)具有文件管理、參數(shù)設(shè)置、扣眼文件編制、扣眼文件修改、扣眼文件運(yùn)行等功能。圓扣眼鎖眼機(jī)控制系統(tǒng)下位機(jī)主要完成上位機(jī)發(fā)出的各種指令，具體包括信號輸入控制、信號輸出控制、電磁鐵信號控制、電機(jī)運(yùn)動控制等。

圖9 全數(shù)字閉環(huán)步進(jìn)驅(qū)動主控制原理框圖

上位機(jī)通過RS 232串行通信實(shí)現(xiàn)與下位機(jī)之間雙向通信，下位機(jī)接收上位機(jī)發(fā)送的指令，進(jìn)行相應(yīng)的操作，并將相應(yīng)的數(shù)據(jù)反饋回上位機(jī)。通信使用主從技術(shù)，即僅主設(shè)備（上位機(jī)）能初始化傳輸（查詢），從設(shè)備（下位機(jī)）根據(jù)主設(shè)備查詢提供的數(shù)據(jù)作出相應(yīng)反應(yīng)。

下位機(jī)通過SCI接口接收上位機(jī)發(fā)送的數(shù)據(jù)并發(fā)送反饋數(shù)據(jù)。通過SPI接口，接一片32 KB FRAM，用于參數(shù)存儲。FPGA通過電機(jī)接口控制主軸電機(jī)驅(qū)動器和兩個步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動器。FPGA通過輸入接口控制開關(guān)量的輸入，也通過輸出接口控制開關(guān)量的輸出。DSP通過外接RAM的0xff00～0xff80地址操作FPGA，來完成電機(jī)控制功能、輸入信號和輸出信號設(shè)置功能。DSP通過相應(yīng)的地址讀取已編譯花樣文件和設(shè)定的運(yùn)行速度，通過運(yùn)動控制卡控制各驅(qū)動器，從而實(shí)現(xiàn)對各軸位置運(yùn)動的控制和速度的控制。DSP通過相應(yīng)的地址讀取各輸入信號實(shí)現(xiàn)對應(yīng)的相關(guān)功能。同時DSP接收上位機(jī)的指令，通過相應(yīng)的地址操作FPGA，寫入各輸出信號實(shí)現(xiàn)相應(yīng)的功能。

系統(tǒng)軟件流程如圖10所示。

圖10 系統(tǒng)軟件流程圖

4 結(jié) 語

該控制系統(tǒng)具有快速、高精度、擴(kuò)張功能快捷、操作方便、性價(jià)比高等優(yōu)點(diǎn)，各項(xiàng)指標(biāo)完全滿足設(shè)計(jì)要求。該產(chǎn)品已經(jīng)批量生產(chǎn)，產(chǎn)品遠(yuǎn)銷國內(nèi)外，市場前景十分廣闊，產(chǎn)生了良好的經(jīng)濟(jì)、社會效益。

參考文獻(xiàn)

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ARM主板主要負(fù)責(zé)640×480分辨率，256K Color TFT LCD液晶屏顯示，4線電阻式觸摸屏操作，USB外部數(shù)據(jù)接口，SD卡接口，通過RS 232通信與運(yùn)動控制板之間進(jìn)行實(shí)時數(shù)據(jù)傳送。

2.2 專用運(yùn)動控制卡

由于圓頭鎖眼機(jī)運(yùn)動控制復(fù)雜，輸入/輸出（I/O）開關(guān)量多，資源需求大，因此圓頭鎖眼機(jī)專用高性能運(yùn)動控制卡采用ALTERA公司的EP3C16Q240C8芯片和TI公司的DSP芯片TMS320F28332PGFA為核心，研發(fā)了用于圓頭鎖眼機(jī)控制系統(tǒng)專用運(yùn)動控制卡。該控制系統(tǒng)構(gòu)成了運(yùn)動控制單元（1個主軸、2個水平進(jìn)給軸和1個旋轉(zhuǎn)進(jìn)給軸的運(yùn)動控制）、擁有13個數(shù)字輸出和13個數(shù)字輸入、2個模擬輸入、1個模擬輸出、5個電磁鐵輸出等功能模塊；FRAM能實(shí)時動態(tài)存儲系統(tǒng)的運(yùn)行狀態(tài)信息。該結(jié)構(gòu)模式既充分利用DSP數(shù)據(jù)信號處理能力，進(jìn)行復(fù)雜算法運(yùn)算；又充分利用FPGA設(shè)計(jì)、修改方便簡潔；即充分發(fā)揮DSP算法運(yùn)算優(yōu)勢，又體現(xiàn)了FPGA運(yùn)算速度快的特點(diǎn)，使其資源互補(bǔ)。其硬件框圖如圖4，圖5所示。

圖3 ARM主板硬件框圖

圖4 FPGA總體框架

2.3 專用主軸伺服驅(qū)動

圓頭鎖眼機(jī)專用交流伺服驅(qū)動器是圓頭鎖眼機(jī)控制系統(tǒng)的關(guān)鍵部件，用于控制圓頭鎖眼機(jī)主軸電機(jī)的運(yùn)轉(zhuǎn)。伺服控制系統(tǒng)由交流伺服驅(qū)動器及交流伺服電機(jī)組成，交流伺服驅(qū)動器以高性能數(shù)字信號處理器（DSP）及大規(guī)?？删幊踢壿嬈骷–PLD）為處理器，運(yùn)用現(xiàn)代伺服電機(jī)控制理論，以旋轉(zhuǎn)編碼器和電流傳感器為反饋，以智能功率模塊（IPM）為逆變器實(shí)現(xiàn)對交流伺服電機(jī)的高性能控制。交流伺服系統(tǒng)原理框圖如圖6所示。

圖5 FPGA控制驅(qū)動原理框圖

圖6 伺服控制系統(tǒng)原理框圖

控制程序主要完成電機(jī)位置環(huán)、速度環(huán)、電流環(huán)的實(shí)時控制。在控制程序中主要有以下幾種控制模式：位置控制、速度控制、轉(zhuǎn)矩控制。圖7是交流伺服驅(qū)動系統(tǒng)框圖。

專用交流伺服驅(qū)動器針對圓頭鎖眼機(jī)應(yīng)用的具體情況，在保證交流伺服驅(qū)動器優(yōu)異性能和滿足實(shí)際需要的前提下，對驅(qū)動器進(jìn)行簡化設(shè)計(jì)，去掉了那些不必要的功能，并根據(jù)縫紉機(jī)運(yùn)動的特性優(yōu)化了控制算法。采用交流伺服電機(jī)作為縫紉機(jī)主軸，在不需要縫紉操作時，伺服電機(jī)停止轉(zhuǎn)動，節(jié)能至少20%以上。該項(xiàng)技術(shù)的突破，使驅(qū)動器的生產(chǎn)成本大幅度降低，與市場上通用型交流伺服比較，可降低成本1 500元以上，并能與縫紉機(jī)的主軸和進(jìn)給軸更好地配合，實(shí)現(xiàn)了同一驅(qū)動器對不同交流伺服電機(jī)的自動辨識。

2.4 閉環(huán)步進(jìn)驅(qū)動控制

圓頭鎖眼機(jī)對縫紉精度要求非常高，要求縫紉機(jī)機(jī)械在高速縫紉的同時，保證具有良好縫紉效果，因此水平進(jìn)給軸和旋轉(zhuǎn)進(jìn)給軸必須具有快速的響應(yīng)能力，用步進(jìn)電機(jī)作為圓頭鎖眼機(jī)的進(jìn)給電機(jī)非常適合，能很好地保證縫紉針距均勻，線跡美觀。

步進(jìn)電機(jī)能夠?qū)㈦姷拿}沖信號轉(zhuǎn)換成相應(yīng)的角位移，是一種離散型自動化執(zhí)行元件。隨著計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)的發(fā)展，步進(jìn)電機(jī)廣泛用于同步系統(tǒng)、直線及角位系統(tǒng)、點(diǎn)位系統(tǒng)、連續(xù)軌跡控制系統(tǒng)以及其他自動化系統(tǒng)中，是高科技發(fā)展的一個重要環(huán)節(jié)。閉環(huán)步進(jìn)驅(qū)動控制原理框圖如圖8所示。

圖8 閉環(huán)步進(jìn)驅(qū)動控制原理框圖

步進(jìn)電機(jī)的全數(shù)字化閉環(huán)控制技術(shù)，采用32位高性能DSP處理器，實(shí)現(xiàn)電機(jī)繞組電流的數(shù)字化控制，使用電子齒輪、微細(xì)分、電磁轉(zhuǎn)距的矢量控制等技術(shù)，實(shí)現(xiàn)對電機(jī)轉(zhuǎn)子位置閉環(huán)控制，解決電機(jī)震蕩和丟步問題，提升步進(jìn)電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)性能，減小電機(jī)發(fā)熱，大大提升了步進(jìn)電機(jī)的性能。全數(shù)字閉環(huán)步進(jìn)驅(qū)動主控制電路如圖9所示。

步進(jìn)電機(jī)閉環(huán)驅(qū)動具有步進(jìn)電機(jī)開環(huán)驅(qū)動和直流無刷伺服電機(jī)的優(yōu)點(diǎn)，提高了矩頻特性，輸出功率/轉(zhuǎn)矩曲線得以提高，效率?轉(zhuǎn)矩曲線提高。因此，閉環(huán)驅(qū)動的步進(jìn)電機(jī)的性能在所有方面均優(yōu)于開環(huán)驅(qū)動的步進(jìn)電機(jī)，可得到比開環(huán)控制更高的運(yùn)行速度，更穩(wěn)定、更光滑的轉(zhuǎn)速。

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

系統(tǒng)軟件在特定的硬件架構(gòu)上與縫紉機(jī)機(jī)械部分配合完成圓扣眼鎖眼機(jī)可以實(shí)現(xiàn)的特定功能，根據(jù)硬件架構(gòu)可以分為兩個部分，即上位機(jī)（ARM主板）和下位機(jī)（運(yùn)動控制卡）兩部分。這兩個軟件是相輔相成，缺一不可的，上下位機(jī)通過RS 232通信方式交換數(shù)據(jù)和信息。圓扣眼鎖眼機(jī)控制系統(tǒng)上位機(jī)具有文件管理、參數(shù)設(shè)置、扣眼文件編制、扣眼文件修改、扣眼文件運(yùn)行等功能。圓扣眼鎖眼機(jī)控制系統(tǒng)下位機(jī)主要完成上位機(jī)發(fā)出的各種指令，具體包括信號輸入控制、信號輸出控制、電磁鐵信號控制、電機(jī)運(yùn)動控制等。

圖9 全數(shù)字閉環(huán)步進(jìn)驅(qū)動主控制原理框圖

上位機(jī)通過RS 232串行通信實(shí)現(xiàn)與下位機(jī)之間雙向通信，下位機(jī)接收上位機(jī)發(fā)送的指令，進(jìn)行相應(yīng)的操作，并將相應(yīng)的數(shù)據(jù)反饋回上位機(jī)。通信使用主從技術(shù)，即僅主設(shè)備（上位機(jī)）能初始化傳輸（查詢），從設(shè)備（下位機(jī)）根據(jù)主設(shè)備查詢提供的數(shù)據(jù)作出相應(yīng)反應(yīng)。

下位機(jī)通過SCI接口接收上位機(jī)發(fā)送的數(shù)據(jù)并發(fā)送反饋數(shù)據(jù)。通過SPI接口，接一片32 KB FRAM，用于參數(shù)存儲。FPGA通過電機(jī)接口控制主軸電機(jī)驅(qū)動器和兩個步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動器。FPGA通過輸入接口控制開關(guān)量的輸入，也通過輸出接口控制開關(guān)量的輸出。DSP通過外接RAM的0xff00～0xff80地址操作FPGA，來完成電機(jī)控制功能、輸入信號和輸出信號設(shè)置功能。DSP通過相應(yīng)的地址讀取已編譯花樣文件和設(shè)定的運(yùn)行速度，通過運(yùn)動控制卡控制各驅(qū)動器，從而實(shí)現(xiàn)對各軸位置運(yùn)動的控制和速度的控制。DSP通過相應(yīng)的地址讀取各輸入信號實(shí)現(xiàn)對應(yīng)的相關(guān)功能。同時DSP接收上位機(jī)的指令，通過相應(yīng)的地址操作FPGA，寫入各輸出信號實(shí)現(xiàn)相應(yīng)的功能。

系統(tǒng)軟件流程如圖10所示。

圖10 系統(tǒng)軟件流程圖

4 結(jié) 語

該控制系統(tǒng)具有快速、高精度、擴(kuò)張功能快捷、操作方便、性價(jià)比高等優(yōu)點(diǎn)，各項(xiàng)指標(biāo)完全滿足設(shè)計(jì)要求。該產(chǎn)品已經(jīng)批量生產(chǎn)，產(chǎn)品遠(yuǎn)銷國內(nèi)外，市場前景十分廣闊，產(chǎn)生了良好的經(jīng)濟(jì)、社會效益。

參考文獻(xiàn)

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ARM主板主要負(fù)責(zé)640×480分辨率，256K Color TFT LCD液晶屏顯示，4線電阻式觸摸屏操作，USB外部數(shù)據(jù)接口，SD卡接口，通過RS 232通信與運(yùn)動控制板之間進(jìn)行實(shí)時數(shù)據(jù)傳送。

2.2 專用運(yùn)動控制卡

由于圓頭鎖眼機(jī)運(yùn)動控制復(fù)雜，輸入/輸出（I/O）開關(guān)量多，資源需求大，因此圓頭鎖眼機(jī)專用高性能運(yùn)動控制卡采用ALTERA公司的EP3C16Q240C8芯片和TI公司的DSP芯片TMS320F28332PGFA為核心，研發(fā)了用于圓頭鎖眼機(jī)控制系統(tǒng)專用運(yùn)動控制卡。該控制系統(tǒng)構(gòu)成了運(yùn)動控制單元（1個主軸、2個水平進(jìn)給軸和1個旋轉(zhuǎn)進(jìn)給軸的運(yùn)動控制）、擁有13個數(shù)字輸出和13個數(shù)字輸入、2個模擬輸入、1個模擬輸出、5個電磁鐵輸出等功能模塊；FRAM能實(shí)時動態(tài)存儲系統(tǒng)的運(yùn)行狀態(tài)信息。該結(jié)構(gòu)模式既充分利用DSP數(shù)據(jù)信號處理能力，進(jìn)行復(fù)雜算法運(yùn)算；又充分利用FPGA設(shè)計(jì)、修改方便簡潔；即充分發(fā)揮DSP算法運(yùn)算優(yōu)勢，又體現(xiàn)了FPGA運(yùn)算速度快的特點(diǎn)，使其資源互補(bǔ)。其硬件框圖如圖4，圖5所示。

圖3 ARM主板硬件框圖

圖4 FPGA總體框架

2.3 專用主軸伺服驅(qū)動

圓頭鎖眼機(jī)專用交流伺服驅(qū)動器是圓頭鎖眼機(jī)控制系統(tǒng)的關(guān)鍵部件，用于控制圓頭鎖眼機(jī)主軸電機(jī)的運(yùn)轉(zhuǎn)。伺服控制系統(tǒng)由交流伺服驅(qū)動器及交流伺服電機(jī)組成，交流伺服驅(qū)動器以高性能數(shù)字信號處理器（DSP）及大規(guī)?？删幊踢壿嬈骷–PLD）為處理器，運(yùn)用現(xiàn)代伺服電機(jī)控制理論，以旋轉(zhuǎn)編碼器和電流傳感器為反饋，以智能功率模塊（IPM）為逆變器實(shí)現(xiàn)對交流伺服電機(jī)的高性能控制。交流伺服系統(tǒng)原理框圖如圖6所示。

圖5 FPGA控制驅(qū)動原理框圖

圖6 伺服控制系統(tǒng)原理框圖

控制程序主要完成電機(jī)位置環(huán)、速度環(huán)、電流環(huán)的實(shí)時控制。在控制程序中主要有以下幾種控制模式：位置控制、速度控制、轉(zhuǎn)矩控制。圖7是交流伺服驅(qū)動系統(tǒng)框圖。

專用交流伺服驅(qū)動器針對圓頭鎖眼機(jī)應(yīng)用的具體情況，在保證交流伺服驅(qū)動器優(yōu)異性能和滿足實(shí)際需要的前提下，對驅(qū)動器進(jìn)行簡化設(shè)計(jì)，去掉了那些不必要的功能，并根據(jù)縫紉機(jī)運(yùn)動的特性優(yōu)化了控制算法。采用交流伺服電機(jī)作為縫紉機(jī)主軸，在不需要縫紉操作時，伺服電機(jī)停止轉(zhuǎn)動，節(jié)能至少20%以上。該項(xiàng)技術(shù)的突破，使驅(qū)動器的生產(chǎn)成本大幅度降低，與市場上通用型交流伺服比較，可降低成本1 500元以上，并能與縫紉機(jī)的主軸和進(jìn)給軸更好地配合，實(shí)現(xiàn)了同一驅(qū)動器對不同交流伺服電機(jī)的自動辨識。

2.4 閉環(huán)步進(jìn)驅(qū)動控制

圓頭鎖眼機(jī)對縫紉精度要求非常高，要求縫紉機(jī)機(jī)械在高速縫紉的同時，保證具有良好縫紉效果，因此水平進(jìn)給軸和旋轉(zhuǎn)進(jìn)給軸必須具有快速的響應(yīng)能力，用步進(jìn)電機(jī)作為圓頭鎖眼機(jī)的進(jìn)給電機(jī)非常適合，能很好地保證縫紉針距均勻，線跡美觀。

步進(jìn)電機(jī)能夠?qū)㈦姷拿}沖信號轉(zhuǎn)換成相應(yīng)的角位移，是一種離散型自動化執(zhí)行元件。隨著計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)的發(fā)展，步進(jìn)電機(jī)廣泛用于同步系統(tǒng)、直線及角位系統(tǒng)、點(diǎn)位系統(tǒng)、連續(xù)軌跡控制系統(tǒng)以及其他自動化系統(tǒng)中，是高科技發(fā)展的一個重要環(huán)節(jié)。閉環(huán)步進(jìn)驅(qū)動控制原理框圖如圖8所示。

圖8 閉環(huán)步進(jìn)驅(qū)動控制原理框圖

步進(jìn)電機(jī)的全數(shù)字化閉環(huán)控制技術(shù)，采用32位高性能DSP處理器，實(shí)現(xiàn)電機(jī)繞組電流的數(shù)字化控制，使用電子齒輪、微細(xì)分、電磁轉(zhuǎn)距的矢量控制等技術(shù)，實(shí)現(xiàn)對電機(jī)轉(zhuǎn)子位置閉環(huán)控制，解決電機(jī)震蕩和丟步問題，提升步進(jìn)電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)性能，減小電機(jī)發(fā)熱，大大提升了步進(jìn)電機(jī)的性能。全數(shù)字閉環(huán)步進(jìn)驅(qū)動主控制電路如圖9所示。

步進(jìn)電機(jī)閉環(huán)驅(qū)動具有步進(jìn)電機(jī)開環(huán)驅(qū)動和直流無刷伺服電機(jī)的優(yōu)點(diǎn)，提高了矩頻特性，輸出功率/轉(zhuǎn)矩曲線得以提高，效率?轉(zhuǎn)矩曲線提高。因此，閉環(huán)驅(qū)動的步進(jìn)電機(jī)的性能在所有方面均優(yōu)于開環(huán)驅(qū)動的步進(jìn)電機(jī)，可得到比開環(huán)控制更高的運(yùn)行速度，更穩(wěn)定、更光滑的轉(zhuǎn)速。

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

系統(tǒng)軟件在特定的硬件架構(gòu)上與縫紉機(jī)機(jī)械部分配合完成圓扣眼鎖眼機(jī)可以實(shí)現(xiàn)的特定功能，根據(jù)硬件架構(gòu)可以分為兩個部分，即上位機(jī)（ARM主板）和下位機(jī)（運(yùn)動控制卡）兩部分。這兩個軟件是相輔相成，缺一不可的，上下位機(jī)通過RS 232通信方式交換數(shù)據(jù)和信息。圓扣眼鎖眼機(jī)控制系統(tǒng)上位機(jī)具有文件管理、參數(shù)設(shè)置、扣眼文件編制、扣眼文件修改、扣眼文件運(yùn)行等功能。圓扣眼鎖眼機(jī)控制系統(tǒng)下位機(jī)主要完成上位機(jī)發(fā)出的各種指令，具體包括信號輸入控制、信號輸出控制、電磁鐵信號控制、電機(jī)運(yùn)動控制等。

圖9 全數(shù)字閉環(huán)步進(jìn)驅(qū)動主控制原理框圖

上位機(jī)通過RS 232串行通信實(shí)現(xiàn)與下位機(jī)之間雙向通信，下位機(jī)接收上位機(jī)發(fā)送的指令，進(jìn)行相應(yīng)的操作，并將相應(yīng)的數(shù)據(jù)反饋回上位機(jī)。通信使用主從技術(shù)，即僅主設(shè)備（上位機(jī)）能初始化傳輸（查詢），從設(shè)備（下位機(jī)）根據(jù)主設(shè)備查詢提供的數(shù)據(jù)作出相應(yīng)反應(yīng)。

下位機(jī)通過SCI接口接收上位機(jī)發(fā)送的數(shù)據(jù)并發(fā)送反饋數(shù)據(jù)。通過SPI接口，接一片32 KB FRAM，用于參數(shù)存儲。FPGA通過電機(jī)接口控制主軸電機(jī)驅(qū)動器和兩個步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動器。FPGA通過輸入接口控制開關(guān)量的輸入，也通過輸出接口控制開關(guān)量的輸出。DSP通過外接RAM的0xff00～0xff80地址操作FPGA，來完成電機(jī)控制功能、輸入信號和輸出信號設(shè)置功能。DSP通過相應(yīng)的地址讀取已編譯花樣文件和設(shè)定的運(yùn)行速度，通過運(yùn)動控制卡控制各驅(qū)動器，從而實(shí)現(xiàn)對各軸位置運(yùn)動的控制和速度的控制。DSP通過相應(yīng)的地址讀取各輸入信號實(shí)現(xiàn)對應(yīng)的相關(guān)功能。同時DSP接收上位機(jī)的指令，通過相應(yīng)的地址操作FPGA，寫入各輸出信號實(shí)現(xiàn)相應(yīng)的功能。

系統(tǒng)軟件流程如圖10所示。

圖10 系統(tǒng)軟件流程圖

4 結(jié) 語

該控制系統(tǒng)具有快速、高精度、擴(kuò)張功能快捷、操作方便、性價(jià)比高等優(yōu)點(diǎn)，各項(xiàng)指標(biāo)完全滿足設(shè)計(jì)要求。該產(chǎn)品已經(jīng)批量生產(chǎn)，產(chǎn)品遠(yuǎn)銷國內(nèi)外，市場前景十分廣闊，產(chǎn)生了良好的經(jīng)濟(jì)、社會效益。

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