特種工業(yè)縫紉機(jī)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)及實(shí)現(xiàn)

祝本明，陳軍，竇琴

（中國(guó)兵器工業(yè)第58研究所 四川 綿陽　621000）

特種工業(yè)縫紉機(jī)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)及實(shí)現(xiàn)

祝本明，陳軍，竇琴

（中國(guó)兵器工業(yè)第58研究所 四川 綿陽621000）

針對(duì)特種工業(yè)縫紉機(jī)逐漸向高精度、高速度的專業(yè)化發(fā)展需求，設(shè)計(jì)了一款以基于ARM+SOC+DSP特種工業(yè)縫紉機(jī)控制系統(tǒng)，該方案集成了系統(tǒng)電源、運(yùn)動(dòng)控制板、交流伺服驅(qū)動(dòng)器、三軸合一步進(jìn)驅(qū)動(dòng)器、ARM主板等功能模塊。該控制系統(tǒng)綜合應(yīng)用ARM、DSP、SOC等嵌入式技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了對(duì)特種工業(yè)縫紉機(jī)縫紉機(jī)的高速、高精度運(yùn)動(dòng)控制，具有擴(kuò)張功能快捷、操作方便、性價(jià)比高等優(yōu)點(diǎn)，主要技術(shù)指標(biāo)達(dá)到國(guó)際先進(jìn)水平。

特種工業(yè)縫紉機(jī)；運(yùn)動(dòng)控制板；SOC；交流伺服驅(qū)動(dòng)器；步進(jìn)驅(qū)動(dòng)器

日本三菱、兄弟、重機(jī)等國(guó)外品牌只銷售整機(jī)，在技術(shù)積累、產(chǎn)品穩(wěn)定性、品牌等方面有較大優(yōu)勢(shì)，功能齊全，結(jié)構(gòu)框架穩(wěn)定，是高端用戶的首選。國(guó)內(nèi)產(chǎn)品主要是以仿制國(guó)外的產(chǎn)品為主，缺乏自主創(chuàng)新能力；對(duì)于一些急需突破的縫紉機(jī)關(guān)鍵技術(shù)，均是借鑒國(guó)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(jìn)口[1-3]。

1　硬件設(shè)計(jì)

控制系統(tǒng)采用上位機(jī)+下位機(jī)結(jié)構(gòu)，上位機(jī)為人機(jī)界面，采用液晶觸摸屏或數(shù)碼管按鍵屏；下位機(jī)包括電源板、運(yùn)動(dòng)控制板、主軸驅(qū)動(dòng)器、進(jìn)給軸驅(qū)動(dòng)器等；I/O接口板在控制箱外部單獨(dú)配置?？刂葡到y(tǒng)原理框圖如圖1所示。

系統(tǒng)電源框圖見圖2所示。系統(tǒng)供電輸入為AC220V，該電源直接提供給電源板。電源板上經(jīng)過EMI整流濾波后輸出DC310V，經(jīng)過正激式電源產(chǎn)生DC110V提供給3合1步進(jìn)驅(qū)動(dòng)板，經(jīng)過反激式電源產(chǎn)生DC32V提供給運(yùn)動(dòng)控制板，同時(shí)將DC310V引到伺服驅(qū)動(dòng)板。

伺服驅(qū)動(dòng)板通過反激式電源產(chǎn)生DC5V、DC15V，DC5V通過LDO生成DC3.3V給DSP供電，DC5V同時(shí)提供到運(yùn)動(dòng)控制版。

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

運(yùn)動(dòng)控制板上DC32V通過一個(gè)DC-DC產(chǎn)生DC24V，同時(shí)通過3/4軸擴(kuò)展接口給2合1簡(jiǎn)易步進(jìn)驅(qū)動(dòng)板供電。DC5V通過 LDO生成 DC3.3V、DC2.5V、DC1.8V給 FPGA供電，DC5V同時(shí)提供到上位機(jī)ARM板。

3合1步進(jìn)驅(qū)動(dòng)板上DC110V通過DC-DC生成DC5V、DC15V，DC5V通過LDO生成DC3.3V給DSP供電。

1.2運(yùn)動(dòng)控制板

控制板主要包括多個(gè)電機(jī)軸的運(yùn)動(dòng)控制、電磁鐵控制、I/O控制、與上位機(jī)通信等功能，實(shí)現(xiàn)進(jìn)給電機(jī)的自動(dòng)加減速控制、運(yùn)動(dòng)軸插補(bǔ)控制和位置控制等，其原理框圖如圖3所示。

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

圖3　運(yùn)動(dòng)控制板原理框圖Fig.3　Schematic diagram of motion control card

SmartFusion2是Microsemi的第四代65nm工藝產(chǎn)品：基于Flask架構(gòu)的，是滿足工業(yè)、軍事、航空、通信和醫(yī)療領(lǐng)域所需的高安全性、高可靠性和極低功耗的SOC系統(tǒng)。SmartFusion2內(nèi)部集成166MHZ的ARM Cortex-M3de硬核處理器、配合先進(jìn)的安全處理加速器，保護(hù)知識(shí)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(jí)外設(shè)，完全滿足SOC需求。SmartFusion2內(nèi)部框圖如圖4所示。

圖4　SmartFusion2內(nèi)部框圖Fig.4　Diagram of SmartFusion2

1.3交流伺服驅(qū)動(dòng)器

交流伺服驅(qū)動(dòng)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(jī)運(yùn)動(dòng)的特性優(yōu)化了電機(jī)位置環(huán)、速度環(huán)、電流環(huán)實(shí)時(shí)控制算法，實(shí)現(xiàn)對(duì)交流伺服電機(jī)的高性能控制。該項(xiàng)技術(shù)的突破，使驅(qū)動(dòng)器的生產(chǎn)成本大幅度降低，并能與縫紉機(jī)的主軸和進(jìn)給軸更好地配合[4-5]。交流伺服系統(tǒng)原理圖如圖5所示。

李殿平表示，流通行業(yè)要發(fā)展，必須改變行業(yè)小散弱的基本局面。他說：“要鼓勵(lì)農(nóng)資流通企業(yè)通過參股控股、兼并重組、協(xié)作聯(lián)盟等方式做大做強(qiáng)，發(fā)展形成一批大型現(xiàn)代農(nóng)資流通企業(yè)集團(tuán)，通過規(guī)?；?jīng)營(yíng)提高農(nóng)資流通服務(wù)的一體化、網(wǎng)絡(luò)化水平?！崩畹钇奖硎?，必須加快農(nóng)資企業(yè)轉(zhuǎn)型升級(jí)，推進(jìn)農(nóng)資流通企業(yè)由“一買一賣”的農(nóng)資網(wǎng)點(diǎn)向農(nóng)業(yè)綜合服務(wù)商轉(zhuǎn)型。

圖5　交流伺服系統(tǒng)原理圖Fig.5　Schematic diagram of AC servo drive

1.4進(jìn)給軸驅(qū)動(dòng)器

縫紉機(jī)控制系統(tǒng)進(jìn)給軸的數(shù)量一般為2～5軸。據(jù)市場(chǎng)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(jìn)給軸設(shè)計(jì)為三軸合一步進(jìn)驅(qū)動(dòng)器，以方便生產(chǎn)和降低成本。

三軸合一步進(jìn)驅(qū)動(dòng)器將3個(gè)單軸步進(jìn)驅(qū)動(dòng)器設(shè)計(jì)在一塊印制板，原理同單軸步進(jìn)驅(qū)動(dòng)器一致，三軸合一步進(jìn)驅(qū)動(dòng)器原理框圖如圖6所示。

圖6　三軸合一步進(jìn)驅(qū)動(dòng)器原理框圖Fig.6　Schematic diagram of 3-in-1 stepper drive

電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊采用DSP進(jìn)行電機(jī)電流采樣、編碼器信號(hào)采集以及PWM信號(hào)輸出；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(duì)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。

1.5人機(jī)界面

人機(jī)界面由ARM主板、液晶顯示屏、觸摸屏、開模塑料外殼等組成。

ARM主板以TI公司的Cortex-A8內(nèi)核的AM3352為處理器核心，275 MHz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，ARM主板系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖如圖7所示。

圖7　系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖Fig.7　Schematic diagram of ARM motherboard system

Sitara AM335x是公司新的基于ARM Cortex A8結(jié)構(gòu)的系列處理器，功耗低至 7 mW，其支持低功耗，可延長(zhǎng)電池使用壽命，實(shí)現(xiàn)更低散熱，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)袖珍型便攜式無風(fēng)扇應(yīng)用。處理器上提供的高級(jí)3D圖形功能、觸摸屏控制器以及高級(jí)外設(shè)為開發(fā)人員提供更高性能，縮減板級(jí)空間，降低復(fù)雜性，從而可充分滿足便攜式導(dǎo)航、掌上游戲及教育設(shè)備，以及家庭及樓宇自動(dòng)化等更小型應(yīng)用的需求。AM335x片上具有豐富的外設(shè)控制器 （AM335X內(nèi)部具有16位的內(nèi)存控制接口，支持DDR2和DDR3，總線頻率可以為200/266/203MHz、具有NAND控制器，支持 MLC/SLC等大容量、大頁面的Nandflash，最高4096字節(jié)/頁面、內(nèi)部集成了2D/3D GPU圖形處理器，并具有24位的LDC控制器和觸摸屏控制器等）、總線接口資源（GPMC總線、MMC總線、USB、SPI總線、I2C總線、LCD接口、UART接口等）和工業(yè)外設(shè)資源（CAN、ADC、USB+PHY、雙端口Gigabit Ethernet等）。

2　軟件設(shè)計(jì)

控制系統(tǒng)由上位機(jī)和下位機(jī)兩部分組成，上下位機(jī)通過RS422通信方式交換數(shù)據(jù)和信息。上位機(jī)具有手動(dòng)功能、縫制數(shù)據(jù)編程、自動(dòng)縫紉、斷點(diǎn)功能、參數(shù)設(shè)置、故障診斷、文件管理等功能。上位機(jī)顯示界面如圖8所示。

圖8　上位機(jī)顯示界面Fig.8　Master control interface

手動(dòng)功能：在手動(dòng)方式下各軸運(yùn)動(dòng)、輸出口控制。

縫制數(shù)據(jù)編程功能：根據(jù)各類縫紉機(jī)的數(shù)據(jù)需求，采用相應(yīng)的方式，生成縫制數(shù)據(jù)。

自動(dòng)縫紉：在自動(dòng)方式下按編制好的縫制數(shù)據(jù)進(jìn)行縫制。

斷點(diǎn)功能：從斷點(diǎn)處繼續(xù)進(jìn)行縫制。

參數(shù)設(shè)置：系統(tǒng)參數(shù)、用戶參數(shù)設(shè)置。

故障診斷：系統(tǒng)及外圍接口的診斷，故障原因報(bào)告。

文件管理：縫制數(shù)據(jù)文件、參數(shù)文件、配置文件的管理。

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(hào)輸入控制、信號(hào)輸出控制、電磁鐵信號(hào)控制、電機(jī)運(yùn)動(dòng)控制等。

圖9　系統(tǒng)軟件流程圖Fig.9　Flow chart of software system

3　結(jié)束語

本產(chǎn)品屬于自主研發(fā)，整體技術(shù)和產(chǎn)品穩(wěn)定性較好，產(chǎn)品功能豐富，能根據(jù)用戶要求特殊定制。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)，主要技術(shù)指標(biāo)達(dá)到國(guó)際先進(jìn)水平。該產(chǎn)品已經(jīng)批量生產(chǎn)，產(chǎn)品遠(yuǎn)銷國(guó)內(nèi)外，市場(chǎng)前景十分廣闊，產(chǎn)生了良好的經(jīng)濟(jì)、社會(huì)效益[8]。

[1]祝本明，劉必標(biāo).平鎖縫紉機(jī)運(yùn)動(dòng)控制卡設(shè)計(jì)[J].電子設(shè)計(jì)工程，2014，22（12）:183-187.

[2]趙毅忠，陳志錦，祝本明.基于通用縫制設(shè)備控制平臺(tái)的430F套結(jié)機(jī)控制系統(tǒng)開發(fā)[J].兵工自動(dòng)化，2014，33（2）:75-76.

[3]楊奕昕，祝本明，趙毅忠.智能化縫制單元控制系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)[J].四川兵工學(xué)報(bào)，2011，32（8）:74-75.

[4]郭麗，石航飛.基于DSP的雙軸交流伺服運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)[J].兵工自動(dòng)化，2010，29（9）:79-81.

[5]李勇，陳志錦，郭麗.交流伺服系統(tǒng)電磁兼容設(shè)計(jì)[J].四川兵工學(xué)報(bào)，2012，33（6）:98-99.

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

[7]王曉明，王玲.電動(dòng)機(jī)的DSP控制—TI公司DSP應(yīng)用[M].北京:北京航空航天大學(xué)出版社，2004.

[8]尚春華，張洪濤.嵌入式技術(shù)在特種工業(yè)縫紉機(jī)上的應(yīng)用[J].電子設(shè)計(jì)工程，2014（7）:154-157，160.

Design and implementation of special industrial sewing machine control system

ZHU Ben-ming，CHEN Jun，DOU Qin
（N0.58 Research Institute of China Ordnance Industries，Mianyang 621000，China）

According to the special industrial sewing machine gradually to the high precision，high speed of professional development needs，designed a model based on ARM+DSP+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、DSP、FPGA such as embedded technology，realized on the special industrial sewing machine sewing machine of high-speed，high precision motion control，with expansion function advantages of quick，convenientoperationandhighcostperformance，the maintechnicalindexhasreachedthe internationaladvancedlevel.

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

TN06

A

1674－6236（2016）01-0109-03

2015-03-30稿件編號(hào)：201503431

國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目（61133016）

祝本明（1981—），男，安徽阜陽人，碩士，工程師。研究方向：數(shù)控技術(shù)。