智能縫紉機控制系統(tǒng)的設(shè)計

陳志錦，趙毅忠，馬　艷（中國兵器工業(yè)第58研究所，四川 綿陽　621000）

智能縫紉機控制系統(tǒng)的設(shè)計

陳志錦，趙毅忠，馬艷
（中國兵器工業(yè)第58研究所，四川 綿陽621000）

針對智能縫紉機逐漸向高精度、高速度的專業(yè)化發(fā)展需求，設(shè)計了一款基于ARM+SOC智能縫紉機控制系統(tǒng)，該方案集成了系統(tǒng)電源、運動控制板、交流伺服驅(qū)動器、三軸合一步進驅(qū)動器、ARM主板等功能模塊。該控制系統(tǒng)綜合應(yīng)用ARM、SOC等嵌入式技術(shù)，實現(xiàn)了對智能縫紉機的高速、高精度運動控制，具有擴張功能快捷、操作方便、性價比高等優(yōu)點，主要技術(shù)指標達到國際先進水平。

智能縫紉機；運動控制板；SOC；交流伺服驅(qū)動器；步進驅(qū)動器

0　引言

智能縫紉機主要包括花樣機、平頭鎖眼機、套結(jié)機、圓頭鎖眼機、模板機等機型，國內(nèi)研發(fā)及生產(chǎn)主要企業(yè)有58所、大豪、斯邁迪、鮑麥克斯、星火等，國際上主要有日本三菱、兄弟、重機等。日本三菱、兄弟、重機等國外品牌只銷售整機，在技術(shù)積累、產(chǎn)品穩(wěn)定性、品牌等方面有較大優(yōu)勢，功能齊全，結(jié)構(gòu)框架穩(wěn)定，是高端用戶的首選。國內(nèi)產(chǎn)品主要是以仿制國外的產(chǎn)品為主，缺乏自主創(chuàng)新能力；對于一些急需突破的縫紉機關(guān)鍵技術(shù)，均是借鑒國外現(xiàn)有技術(shù)，沒有形成自己的核心技術(shù)，智能化程度較高的智能化縫制設(shè)備都依賴進口［1～3］。

1　硬件設(shè)計

控制系統(tǒng)為開放式、模塊化的軟硬件結(jié)構(gòu)，采用上位機+下位機結(jié)構(gòu)，上位機為人機界面，采用液晶觸摸屏或數(shù)碼管按鍵屏；下位機包括電源板、運動控制板、主軸驅(qū)動器、進給軸驅(qū)動器等；I/O接口板在控制箱外部單獨配置。

其核心是基于ARM、SOC硬件架構(gòu)和以WINCE為軟件平臺。SOC芯片作為控制處理器，主要完成各種運動控制算法和各種運動控制接口、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RS232協(xié)調(diào)、調(diào)度SOC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?？刂葡到y(tǒng)原理框圖如圖1所示。

1.1電源

AC220V直接給電源板供電，經(jīng)過EMI整流濾波后輸出DC310V。系統(tǒng)電源框圖見圖2所示。DC310V經(jīng)過正激式電源產(chǎn)生DC110V提供給 3合1步進驅(qū)動板，DC110V通過DC-DC生成DC5V、DC15V，DC5V通過LDO生成DC3.3V給DSP供電。

圖1　控制系統(tǒng)原理框圖Fig.1 Schematic diagram of control system

圖2　系統(tǒng)電源框圖Fig.2 Schematic diagram of power system

DC310V經(jīng)過反激式電源產(chǎn)生DC32V提供給運動控制板，DC32V通過一個DC-DC產(chǎn)生DC24V，同時通過擴展軸擴展接口給擴展步進驅(qū)動板供電。DC5V通過LDO生成 DC3.3V、DC2.5V、DC1.8V給 FPGA供電，DC5V同時提供到上位機ARM板。

DC310V經(jīng)過反激式電源產(chǎn)生DC15V、DC5V提供給伺服驅(qū)動板，DC5V通過LDO生成DC3.3V給DSP供電，DC5V同時提供到運動控制版。

1.2運動控制板

運動控制板以SmartFusion2為核心芯片，SmartFusion2內(nèi)部集成166MHZ的ARM Cortex-M3de硬核處理器、配合先進的安全處理加速器，保護知識產(chǎn)權(quán)；在SRAM、PLL等普通外設(shè)基礎(chǔ)上，集成了高速乘法器、DDR2/3、CAN、USB、SerDes以及千兆以太網(wǎng)等高級外設(shè)，完全滿足SOC需求。其原理框圖如圖3所示。

圖3　運動控制板原理框圖Fig.3 Schematic diagram of motion control card

控制板主要包括基本的X軸、Y軸、Z軸的運動控制、以及擴展軸運動控制、5個電磁鐵控制、10個輸入和14個輸出控制及上位機通信等功能，實現(xiàn)進給電機的自動加減速控制、運動軸插補控制和位置控制等功能。

1.3交流伺服驅(qū)動器

隨著縫制設(shè)備控制系統(tǒng)集成度的提高，系統(tǒng)硬件日益復雜，強弱電混合、模數(shù)電路混合、工作頻率增高，導致系統(tǒng)內(nèi)干擾更加嚴重。開關(guān)電源和交流伺服系統(tǒng)作為功率器件，它們的可靠性直接影響系統(tǒng)的性能。交流伺服系統(tǒng)原理圖如圖4所示。

圖4　交流伺服系統(tǒng)原理圖Fig.4 Schematic diagram of AC servo drive

伺服控制系統(tǒng)由交流伺服驅(qū)動器及交流伺服電機組成，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，運用現(xiàn)代伺服電機控制理論，以旋轉(zhuǎn)編碼器和電流傳感器為反饋，以智能功率模塊（IPM）為逆變器實現(xiàn)對交流伺服電機的高性能控制。

交流伺服驅(qū)動控制以高性能DSP為處理器、以旋轉(zhuǎn)編碼器和電流傳感器為反饋、智能功率模塊IPM為逆變器，并根據(jù)縫紉機運動的特性優(yōu)化了電機位置環(huán)、速度環(huán)、電流環(huán)實時控制算法，實現(xiàn)對交流伺服電機的高性能控制。該項技術(shù)的突破，使驅(qū)動器的生產(chǎn)成本大幅度降低，并能與縫紉機的主軸和進給軸更好地配合［4～5］。

1.4進給軸驅(qū)動器

步進電機能夠?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。隨著計算機控制系統(tǒng)的發(fā)展，步進電機廣泛用于同步系統(tǒng)、直線及角位系統(tǒng)、點位系統(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)。

縫紉機控制系統(tǒng)進給軸的數(shù)量一般為2～5軸。據(jù)市場人員反饋的信息，以前用于2軸控制系統(tǒng)將很快被3軸控制系統(tǒng)所取代，所以進給軸設(shè)計為三軸合一步進驅(qū)動器，以方便生產(chǎn)和降低成本。

三軸合一步進驅(qū)動器將三個單軸步進驅(qū)動器設(shè)計在一塊印制板，原理同單軸步進驅(qū)動器一致，步進驅(qū)動器原理框圖如圖5所示。

圖5　步進驅(qū)動器原理框圖Fig.5 Schematic stepper drive

電機驅(qū)動模塊采用DSP進行電機電流采樣、編碼器信號采集以及PWM信號輸出；實現(xiàn)電機繞組電流的數(shù)字化控制，使用電子齒輪、微細分、電磁轉(zhuǎn)距的矢量控制等技術(shù)，實現(xiàn)對電機轉(zhuǎn)子位置閉環(huán)控制，解決電機震蕩和丟步問題，提升步進電機運轉(zhuǎn)性能，減小電機發(fā)熱，大大提升了步進電機的性能。電流控制采用增量式PID算法，離散的PID為：

離散的PID第K-1個采樣時刻的輸出值為：

將式（1）、式（2）相減并整理，就可以得到增量式PID算法公式為：

閉環(huán)步進驅(qū)動采用恒定的采樣周期T，確定A、B、C后，只要使用前后三次測量的偏差值，就可以使用式（3）求出控制量。步進電機閉環(huán)驅(qū)動具有步進電機開環(huán)驅(qū)動和直流無刷伺服電機的優(yōu)點，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)動的步進電機的性能在所有方面均優(yōu)于開環(huán)驅(qū)動的步進電機，可得到比開環(huán)控制更高的運行速度，更穩(wěn)定、更光滑的轉(zhuǎn)速。

1.5人機界面

人機界面ARM主板以Cortex-A8內(nèi)核的AM3352為處理器核心，ARM主板系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖6所示。275MHz的主頻板載內(nèi)存128MB，F(xiàn)lash 128MB，支持液晶屏，具有USB、串口、以太網(wǎng)等接口。

圖6　系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖Fig.6 Schematic diagram of system

2　軟件設(shè)計

系統(tǒng)軟件在特定的硬件架構(gòu)上與縫紉機機械部分配合實現(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（ARM主板）和下位機（運動控制卡）兩部分。這兩個軟件是相輔相成，缺一不可的，上下位機通過RS422通信方式交換數(shù)據(jù)和信息。控制系統(tǒng)上位機具有文件管理、參數(shù)設(shè)置、扣眼文件編制、扣眼文件修改、扣眼文件運行等功能?？刂葡到y(tǒng)下位機主要完成上位機發(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、電機運動控制等。

上位機通過RS422串行通信實現(xiàn)與下位機之間雙向通信，下位機接收上位機發(fā)送的指令，進行相應(yīng)的操作，并將相應(yīng)的數(shù)據(jù)反饋回上位機。通信使用主從技術(shù)，即僅主設(shè)備（上位機）能初始化傳輸 （查詢），從設(shè)備（下位機）根據(jù)主設(shè)備查詢提供的數(shù)據(jù)做出相應(yīng)反應(yīng)。上位機顯示界面如圖7所示。圖8為系統(tǒng)軟件流程。

下位機接收上位機發(fā)送的數(shù)據(jù)并發(fā)送反饋數(shù)據(jù)。SOC通過電機接口控制主軸電機驅(qū)動器和兩個步進電機驅(qū)動驅(qū)動器；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；SOC通過外接RAM地址操作，來完成電機控制功能、輸入信號和輸出信號設(shè)置功能；SOC內(nèi)置ARM通過相應(yīng)的地址讀取已編譯花樣文件和設(shè)定的運行速度，通過運動控制卡控制各驅(qū)動器，從而實現(xiàn)對各軸運動位置的控制和速度的控制。

下位機主要完成上位機發(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、電機運動控制等。

圖7　上位機顯示界面Fig.7 Master Control interface

圖8　系統(tǒng)軟件流程圖Fig.8 Flow chart of software system

3　結(jié)束語

該控制系統(tǒng)具有快速、高精度、參考文獻：

擴張功能快捷、操作方便、性價比高等優(yōu)點，各項指標完全滿足設(shè)計要求。該產(chǎn)品已經(jīng)批量生產(chǎn)，產(chǎn)品遠銷國內(nèi)外，市場前景十分廣闊，產(chǎn)生了良好的經(jīng)濟、社會效益。

［1］祝本明，劉必標，等.平鎖縫紉機運動控制卡設(shè)計［J］.電子設(shè)計工程，2014，12.

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［3］楊奕昕，祝本明，趙毅忠.智能化縫制單元控制系統(tǒng)的實現(xiàn)［J］.四川兵工學報，2011，8.

［4］郭麗，石航飛.基于DSP的雙軸交流伺服運動控制系統(tǒng)［J］.兵工自動化，2010，9.

［5］李勇，陳志錦，郭麗.交流伺服系統(tǒng)電磁兼容設(shè)計［J］.四川兵工學報，2012，6.

［6］潘松，黃繼業(yè).EDA技術(shù)實用教程［M］.北京：科學出版社，2006.

［7］王曉明，王玲.電動機的DSP控制—TI公司DSP應(yīng)用［M］.北京航空航天大學出版社，2004.

Design of Intelligent Sewing Machine Control System

CHEN Zhi-Jin，ZHAO Yi-Zhong，MA Yan
（No.58 Research Institute of China Ordnance Industries，Mianyang Sichuan 621000，China）

According to the intelligent sewing machine gradually to the high precision，high speed of professional development needs，designed a model based on ARM+SOC special industrial sewing machine control system，which integrates the system power，Motion Control Card，AC servo drive，3-in-1 stepper drive，ARM motherboard such as function modules.Integrated application ARM、SOC such as embedded technology，realized on the intelligent sewing machine sewing machine of high-speed，high precision motion control，with expansion function advantages of quick，convenient operation and high cost performance，the main technical index has reached the international advanced level.

the intelligent sewing machine；motion control card；SOC；AC servo drive；stepper drive

TN06

Adoi：10.3969/j.issn.1002-6673.2015.05.039

1002-6673（2015）05-104-04

2015-07-21

國家自然科學基金項目（61133016）

陳志錦 （1979-），男，云南麗江人，碩士，高級工程師。從事數(shù)控技術(shù)研究工作。