電腦繡花機(jī)中的伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)器的設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)

石銳

摘要：伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)器是電腦繡花機(jī)的執(zhí)行機(jī)構(gòu)，伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)器執(zhí)行的結(jié)果直接反映到繡品的質(zhì)量。

關(guān)鍵詞：伺服;精確控制

隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)、電子技術(shù)的不斷推廣，國(guó)內(nèi)的電腦繡花機(jī)已具備高效、高質(zhì)量、低成本、高穩(wěn)定性以及繡品的統(tǒng)一性等特點(diǎn)，已取代相當(dāng)一部分人工刺繡，將大量的勞動(dòng)力從繁瑣、低效的勞動(dòng)中解放出來(lái)，并大幅度降低了繡品的成本。與此同時(shí)，電腦繡花機(jī)的繡品質(zhì)量將決定繡品本身的市場(chǎng)價(jià)值，伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)器對(duì)各軸的精確控制就顯得尤為重要。

一、電腦繡花機(jī)的伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)器介紹

電腦繡花機(jī)用到的伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)器的位置主要有兩種，共三個(gè)，分別是主軸、X軸、Y軸。主軸是電腦繡花機(jī)速度的主要體現(xiàn)者，繡花機(jī)的速度就是指主軸的轉(zhuǎn)動(dòng)速度，主軸每轉(zhuǎn)一圈，就完成一針的繡做，正常繡做主軸只朝一個(gè)方向轉(zhuǎn)動(dòng)，但在針扎到布的瞬間需要的力量最大。X軸、Y軸是用來(lái)移動(dòng)繡框的，分別控制X軸的左右移動(dòng)和Y軸的上下移動(dòng)，繡框的移動(dòng)必須在針離開(kāi)布面的時(shí)間到下一針落下來(lái)之前完成，所以，X/Y軸驅(qū)動(dòng)器剛性較強(qiáng)，并隨著主軸的速度增大繡框移動(dòng)的速度，因?yàn)閄/Y軸驅(qū)動(dòng)器負(fù)載都是繡框，所以參數(shù)完全一樣。

同一臺(tái)電腦繡花機(jī)，一般主軸驅(qū)動(dòng)器比X/Y軸驅(qū)動(dòng)器功率更大，但是剛性略低。這和負(fù)載，還有動(dòng)作性質(zhì)有關(guān)。

二、伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)器的設(shè)計(jì)

1.硬件設(shè)計(jì)。

本文討論的伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)器設(shè)計(jì)方案由微控制器+伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)器專(zhuān)用控制芯片+ IPM模塊組成，并配有存儲(chǔ)器、CPLD和相應(yīng)的接口電路、人機(jī)交互、多路開(kāi)關(guān)電源等組成。

微控制器選用LPC17XX系列Cortex - M3微控制器，其工作速度最高可達(dá)120MHZ，擁有最高512KB閃存、最高64KB SRAM、12位A/D轉(zhuǎn)換器、10位D/A轉(zhuǎn)換器及內(nèi)部RC振蕩器。微控制器是伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)器的處理核心，用來(lái)完成通訊和各種收到和反饋的信號(hào)處理，并控制人機(jī)交互。

伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)器專(zhuān)用控制芯片選用IRMCK201伺服電機(jī)控制器，它可以完成速度環(huán)和電流環(huán)的閉環(huán)控制，配以微控制器的位置環(huán)閉環(huán)控制，實(shí)現(xiàn)精確控制。

IPM模塊是伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)器的執(zhí)行機(jī)構(gòu)，其電源和控制信號(hào)、反饋信號(hào)均與控制回路隔離，以保證安全并減少相互干擾。IPM收到控制電路發(fā)來(lái)的動(dòng)作信號(hào)，執(zhí)行相應(yīng)的操作，并通過(guò)電流傳感器將輸出的各路電流反饋回控制器，并在過(guò)載時(shí)，主動(dòng)發(fā)出過(guò)流報(bào)警信號(hào)，反饋回控制器。

存儲(chǔ)器主要用于存儲(chǔ)斷電前的一些信息，保證重新上電后能保持這些重要的信息。

CPLD用做邏輯處理，主要是控制信號(hào)和反饋信號(hào)的邏輯處理。

接口電路主要由伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)器的控制信號(hào)、編碼器信號(hào)、電機(jī)線(xiàn)接口以及電源輸入等。控制信號(hào)包括電腦繡花機(jī)電腦發(fā)送過(guò)來(lái)的使能信號(hào)、方向信號(hào)、速度信號(hào);編碼器信號(hào)是伺服電機(jī)自帶的編碼器反饋回來(lái)的信號(hào)，用以確定電機(jī)運(yùn)動(dòng)的當(dāng)前位置，已確定之后的運(yùn)動(dòng)速度和方向;電機(jī)線(xiàn)接口為UVW輸出，直接驅(qū)動(dòng)伺服電機(jī)運(yùn)動(dòng);電源輸入接口提供交流電源，有單相AC220V，三相AC220V， 三相AC380V三種供電方式。

人機(jī)交互包括面板上的數(shù)碼顯示管和按鍵組成，數(shù)碼顯示管以菜單形式展示，可以顯示當(dāng)前驅(qū)動(dòng)器工作信息和報(bào)警信息，按鍵用以設(shè)置參數(shù)和查找驅(qū)動(dòng)器信息。

多路開(kāi)關(guān)電源采用電源開(kāi)關(guān)芯片和高頻變壓器的控制方式，輸出多路隔離電源，滿(mǎn)足驅(qū)動(dòng)器的使用。

2.軟件設(shè)計(jì)。

伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)器的軟件設(shè)計(jì)思路，是微控制器為核心，提供給伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)器專(zhuān)用控制芯片相關(guān)信息，將控制信號(hào)傳輸IPM，IPM驅(qū)動(dòng)電機(jī)運(yùn)動(dòng)。

具體為伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)器通電后，先檢測(cè)驅(qū)動(dòng)器本身狀態(tài)和編碼器狀態(tài)，正常時(shí)，可通過(guò)按鍵操作，輸入相關(guān)參數(shù)，并保存。當(dāng)驅(qū)動(dòng)器收到繡花機(jī)電腦發(fā)來(lái)的伺服使能信號(hào)有效后，接收方向信號(hào)和速度信號(hào)才有效，其中方向信號(hào)的高低，決定電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)方向;速度信號(hào)為脈沖信號(hào)，脈沖信號(hào)的頻率就是電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)的速度。此三信號(hào)通過(guò)信號(hào)處理后由微控制器接收和解析，然后將動(dòng)作信息傳遞給伺服電機(jī)控制器，伺服電機(jī)控制器將動(dòng)作信息解析后，再通過(guò)光耦隔離發(fā)送至IPM模塊，IPM通過(guò)UVW信號(hào)發(fā)送至伺服電機(jī)，驅(qū)動(dòng)伺服電機(jī)動(dòng)作，電機(jī)編碼器將電機(jī)的當(dāng)前位置信息反饋回伺服電機(jī)控制器，實(shí)現(xiàn)閉環(huán)控制。此過(guò)程中，若有異常，則停止電機(jī)驅(qū)動(dòng)，并提示報(bào)警信息。

報(bào)警信息主要由過(guò)流、堵轉(zhuǎn)、過(guò)壓、過(guò)載、編碼器未連接、過(guò)熱、位置超差等，可根據(jù)顯示的報(bào)警信息檢查使用環(huán)境和維修損壞的驅(qū)動(dòng)器。

三、未來(lái)發(fā)展方向

隨著機(jī)械工業(yè)的發(fā)展，機(jī)械的精度將越來(lái)越高，電機(jī)的驅(qū)動(dòng)必將向著更高的速度、更重的負(fù)載、更高的精度方向發(fā)展。更高的速度，決定更高的產(chǎn)量，需要轉(zhuǎn)速更快的電機(jī)，更高的齒輪比，更大的IPM模塊來(lái)實(shí)現(xiàn);更重的負(fù)載，決定更多的機(jī)頭、更大的繡框，這個(gè)主要指瞬間的過(guò)載能力，可通過(guò)提高IPM模塊的功率或更準(zhǔn)確的控制來(lái)實(shí)現(xiàn);更高的精度，是指伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)器的動(dòng)態(tài)響應(yīng)特性，控制的越精確，繡品的精細(xì)程度越高，及繡品的品質(zhì)越高，這個(gè)響應(yīng)時(shí)間需要提高接收命令的速度提高，需要以更快更準(zhǔn)的通訊方式減少接收延時(shí)，并改進(jìn)控制算法達(dá)到更快更準(zhǔn)。與此同時(shí)，伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)器的控制器還應(yīng)當(dāng)進(jìn)一步的簡(jiǎn)化，接口、處理器、執(zhí)行器等更簡(jiǎn)單、更專(zhuān)業(yè)，算法固化，以提高伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)器的穩(wěn)定性、高效性、可靠性、高抗干擾性，并簡(jiǎn)化維修，降低成本等等。還可以通過(guò)通訊總線(xiàn)，實(shí)現(xiàn)各驅(qū)動(dòng)器之間互相通訊，組網(wǎng)，協(xié)調(diào)各驅(qū)動(dòng)器動(dòng)作的配合，減少繡花機(jī)電腦控制風(fēng)險(xiǎn)。

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