轉(zhuǎn)載;交流伺服系統(tǒng)在工業(yè)縫紉機(jī)中的應(yīng)用

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中圖分類號(hào): TM351　TM341　　　　　　文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼: A　　　　　　文章編號(hào): 100126848 (2007) 0320075203
交流伺服系統(tǒng)在工業(yè)縫紉機(jī)中的應(yīng)用
唐文秀1 , 許　強(qiáng)1 , 杜佳星1 , 姚建光2
(1. 華中科技大學(xué), 武漢　430074; 2. 江蘇省泰州供電公司, 泰州　225300)
摘　要: 為了提高工作效率和可靠性, 介紹了控制芯片LPC2131在工業(yè)縫紉機(jī)中的應(yīng)用; 提出
了一種基于ARM的永磁同步電機(jī)伺服系統(tǒng)的控制方案, 并給出仿真結(jié)果, 證明該控制方案的可
靠性。
關(guān)鍵詞: 工業(yè)縫紉機(jī); 交流伺服控制系統(tǒng); 永磁同步電機(jī); 芯片; 控制方案
Applican tion of AC Servo System Ba sed on ARM in Industr ia l SewingMach ine
TANGWen2xiu1 , XU Qiang1 , DU J ia2xing1 , YAO J ian2guang2
(1. Huazhong University of Science and Technology, Wuhan 430074;
2. Taizhou power supp ly Co. , L td. , Taizhou 225300, China)
ABSTRACT: This paper introduces the app lication ofARM controller LPC2131 in AC servo system for
industrial sewing machine. Control scheme based on ARM of PMSM servo system and its simulational re2
sults are p resented.
KEY WORDS: Industrial sewing machine; AC servo control; PMSM; ARM; Control schme
　　收稿日期: 2006205215
0　引　言
目前國(guó)內(nèi)縫紉機(jī)廠家基本上是自己生產(chǎn)機(jī)械
部分, 然后購(gòu)買國(guó)外或者臺(tái)灣地區(qū)等一些公司的
控制器, 組裝出售。這樣大大增加了成本, 降低
了利潤(rùn)。本文根據(jù)市場(chǎng)需求, 設(shè)計(jì)了一種由ARM
控制芯片和永磁同步電機(jī)組成的控制系統(tǒng)來控制
高速平縫機(jī)。
1　伺服系統(tǒng)硬件構(gòu)成
圖1為工業(yè)縫紉機(jī)交流伺服系統(tǒng)的硬件結(jié)構(gòu)。
它由主電路、傳感器和LPC2131 為核心的控制電
路組成。
在對(duì)工業(yè)平縫機(jī)運(yùn)動(dòng)特點(diǎn)分析的基礎(chǔ)上, 從
工業(yè)平縫機(jī)的自動(dòng)控制原理入手, 以控制箱為核
心, 通過操作面板和腳踏板與用戶交互, 利用伺
服電機(jī)和機(jī)頭定位器實(shí)現(xiàn)速度和位置伺服功能,
并使用直流電磁鐵作為驅(qū)動(dòng)力以實(shí)現(xiàn)自動(dòng)切線、
倒縫、撥線和抬壓腳的功能。
111　功率主電路與傳感器
伺服系統(tǒng)的主電路采用雙列直插式智能功率
模塊(D IP2SPM) FSBS15CH60。其內(nèi)部集成了IGBT
功率器件及其驅(qū)動(dòng)電路、過流(通過直流母線上的
采樣電阻監(jiān)測(cè)電流)和驅(qū)動(dòng)電源欠壓保護(hù)電路, 并
可在發(fā)生以上故障時(shí)輸出故障信號(hào)。主電路上可
以實(shí)現(xiàn)軟啟動(dòng)和回饋制動(dòng)等功能。
圖1　工業(yè)縫紉機(jī)硬件系統(tǒng)結(jié)構(gòu)
電機(jī)電流信號(hào)ia , ib 由電流傳感器HCPL27840
獲得。電機(jī)轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)子位置信息由安裝在電機(jī)軸
上的增量式光電碼盤獲得。
另外為達(dá)到縫紉機(jī)的特殊功能, 還包括幾個(gè)
主要部分:
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交流伺服系統(tǒng)在工業(yè)縫紉機(jī)中的應(yīng)用　唐文秀　許　強(qiáng)　杜佳星　姚建光
(1)腳踏信號(hào)的采集　腳踏包括3個(gè)信號(hào), 第
一個(gè)為向前踩的開通信號(hào), 第二個(gè)為向后踩的后
踏剪線信號(hào), 第三個(gè)為由向前踩的深度決定電機(jī)
轉(zhuǎn)速的調(diào)速信號(hào)。前兩個(gè)信號(hào)利用與腳踏板連桿
相連的兩塊擋板在適當(dāng)位置遮擋光電對(duì)光管的發(fā)
射光, 從而得到反映連桿位置的兩個(gè)開關(guān)信號(hào)。
速度給定信號(hào)產(chǎn)生的基本原理是利用線性霍爾器
件檢測(cè)磁場(chǎng)的變化, 反映腳踏板連桿上的磁鐵的
運(yùn)動(dòng)狀況, 再通過運(yùn)放對(duì)該信號(hào)進(jìn)行處理到一定
范圍輸入給ARM進(jìn)行計(jì)算和控制。
(2)動(dòng)作繼電器的控制　根據(jù)高速平縫機(jī)要求
的功能, 用了4個(gè)繼電器驅(qū)動(dòng)電路, 分別用來驅(qū)動(dòng)
剪線、撥線、倒縫、抬押腳4個(gè)繼電器。
自動(dòng)剪線是平縫機(jī)伺服控制系統(tǒng)中最重要的
一個(gè)功能, 大大提高了平縫機(jī)的工作效率, 減小
了縫紉工的工作量, 也提高了使用的安全性。
撥線是伴隨剪線而產(chǎn)生的功能, 目的是將切
完線后的面線撥起, 下一次縫制時(shí)多余的面線將
被壓到縫料的反面, 以避免下一次縫制時(shí)多余的
面線影響表面的針跡。
自動(dòng)倒縫則是利用電磁鐵吸合拉動(dòng)一根自動(dòng)
倒送料拉桿。該拉桿拉動(dòng)針距連桿改變位置, 實(shí)
現(xiàn)倒向送料。
自動(dòng)切線以后, 一道縫制工序結(jié)束, 一般情
況下需要縫紉工用膝動(dòng)拉桿將壓腳頂起, 通過在
機(jī)頭背部安裝抬壓腳電磁鐵, 可以控制電磁鐵吸
合以抬起壓腳。
(3)縫紉機(jī)機(jī)頭針位　微機(jī)控制縫紉機(jī)的一個(gè)
重要指標(biāo)是停機(jī)位置的準(zhǔn)確度, 這里包括上針位和
下針位的停機(jī)。所以, 縫紉機(jī)在這兩個(gè)位置必須各
給出一個(gè)信號(hào), 處理器才可以通過檢測(cè)這兩個(gè)信號(hào)
來控制電機(jī)停止。上、下針位信號(hào)的產(chǎn)生主要是依
靠安裝在機(jī)頭上的兩塊極性相反的磁鐵(跟著電機(jī)旋
轉(zhuǎn)) , 對(duì)兩個(gè)相反安裝的開關(guān)型霍爾傳感器(固定)
作用, 即每塊磁鐵僅對(duì)應(yīng)一個(gè)傳感器起作用。當(dāng)機(jī)
頭旋轉(zhuǎn)到上針位或下針位位置上時(shí), 相應(yīng)的開關(guān)霍
爾傳感器因?yàn)榇艌?chǎng)到達(dá)其跳變的閾值, 而產(chǎn)生輸出
跳變, 也就是需要的開關(guān)信號(hào)。
(4)操作面板電路　操作面板為一個(gè)單片機(jī)系統(tǒng),
CPU為ATMEGE8。它通過RS232與主控板通信, 以
設(shè)定所需縫紉模式、針數(shù)以及顯示主控板反饋來的信
息, 包括軟啟動(dòng)、回饋制動(dòng)、過壓等故障信號(hào)。
112　LPC2131控制器及其外圍電路
LPC2131微控制器是基于一個(gè)支持實(shí)時(shí)仿真和
嵌入式跟蹤的16 /32位ARM7TDM I - S CPU, 并帶
有32kB 嵌入的高速Flash存儲(chǔ)器。較小的封裝和
很低的功耗使LPC2131 特別適用于訪問控制和
POS機(jī)等小型應(yīng)用中; 多個(gè)32位定時(shí)器、1個(gè)10
位8路的ADC、PWM通道、47個(gè)GP IO以及多達(dá)
9個(gè)邊沿或電平觸發(fā)的外部中斷使它們特別適用于
工業(yè)控制應(yīng)用以及醫(yī)療系統(tǒng)。
選用ARM為主處理器是因?yàn)锳RM價(jià)格便宜、
對(duì)外開放功能、易于移植, 但在電機(jī)控制中也存
在一些功能不足的問題, 所以需可編程控制器件
CPLD對(duì)其進(jìn)行輔助。
CLPD選用EPM3128, 屬于MAX3000A 系列,
有128個(gè)宏單元, 最大98個(gè)I/O口。本設(shè)計(jì)中的
CLPD主要承擔(dān)碼盤信號(hào)的解碼、PWM死區(qū)控制
以及故障信號(hào)緩存功能, 是ARM 和智能功模塊
SPM的重要接口芯片。
從圖2的CPLD實(shí)現(xiàn)編碼器功能的仿真波形可
以看到, 光電碼盤發(fā)出的A、B信號(hào)通過編碼器得
到正轉(zhuǎn)脈沖e和反轉(zhuǎn)脈沖f以及編碼器輸出的一個(gè)
6位可以加減計(jì)數(shù)的序列。它與主電路的軟啟動(dòng)信
號(hào)、回饋制動(dòng)信號(hào)、過壓信號(hào)、智能模塊故障信
號(hào)一起作為一個(gè)10位的幀, 送到ARM的同步串行
接口控制器( SSP)上。ARM定時(shí)讀出SSP的數(shù)據(jù)
寄存器的值, 以得到電機(jī)的轉(zhuǎn)速、位置和主電路
狀態(tài)。另外, ARM 發(fā)出3 路PWM 信號(hào)輸入到
CPLD中進(jìn)行死區(qū)控制, 以得到6路PWM信號(hào)來
驅(qū)動(dòng)智能模塊SPM, 以驅(qū)動(dòng)電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)。
圖2　碼盤編碼信號(hào)波形
光電碼盤的U、V、W信號(hào)與電機(jī)反電勢(shì)同頻
率。相位互差120°電角度。A、B信號(hào)頻率一般是
電機(jī)機(jī)械轉(zhuǎn)速頻率的幾百至幾千倍, 相位相差90°
電角度, 即1 /4脈沖周期. 轉(zhuǎn)子每轉(zhuǎn)一周, 在信號(hào)
的上升沿處產(chǎn)生一個(gè)Z脈沖。ARM的捕獲單元利
用U、V、W信號(hào)來確定電機(jī)的初始位置, 利用Z
信號(hào)可校正電機(jī)的轉(zhuǎn)子位置。通過讀取SSP數(shù)據(jù)寄
存器的值來精確確定轉(zhuǎn)子位置、轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)向。另
外將ARM的一些I/O口預(yù)留給縫紉機(jī)的一些輔助
功能, 如負(fù)責(zé)切線、抬壓腳等電磁鐵的控制。通
過裝在縫紉機(jī)機(jī)頭的霍爾位置元件感應(yīng)出個(gè)針位
相應(yīng)的AS、BS脈沖序列, 通過ARM的捕獲單元,
以獲取針頭的位置信息。
— 76 —
微電機(jī)　2007年　第40卷　第3期(總第159期)
2　控制策略和軟件設(shè)計(jì)
驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的模型框圖如圖3所示, 由ARM和
SPM組成。對(duì)永磁同步電動(dòng)機(jī)實(shí)行磁場(chǎng)定向控制,
ARM檢測(cè)得到電機(jī)位置信號(hào)與控制器發(fā)出的命令信
號(hào)比較, P調(diào)節(jié)后得到轉(zhuǎn)速給定nref , 再和實(shí)際轉(zhuǎn)速
比較, 通過PI調(diào)節(jié)器得到轉(zhuǎn)矩電流分量iqref。ARM
內(nèi)部的模數(shù)轉(zhuǎn)換器將來自電流傳感器的模擬信號(hào)轉(zhuǎn)
換成數(shù)字信號(hào), 經(jīng)靜止的Clark變換和旋轉(zhuǎn)的Park
變換得到實(shí)際的轉(zhuǎn)矩電流分量iq 和磁場(chǎng)電流分量id ,
經(jīng)電流PI調(diào)節(jié)得到旋轉(zhuǎn)的電壓分量Vqref和Vdref。
Park逆變換將它們變換成靜止坐標(biāo)系中的電壓分量
uα和uβ , 空間矢量PWM算法對(duì)uα 和uβ運(yùn)算后得
到PWM開關(guān)信號(hào), 控制SPM的逆變部分。
圖3　伺服系統(tǒng)控制框圖
工業(yè)平縫機(jī)應(yīng)具有4種基本縫紉模式: 自由縫
(手工縫)、固定針數(shù)縫、程序縫和曲折縫。每種模
式都具有前后多重加固, 在任何狀態(tài)下進(jìn)行補(bǔ)針的
功能。根據(jù)需要, 操作者可以設(shè)置壓腳位置、停針
位置以及縫紉結(jié)束后是否自動(dòng)剪線等參數(shù)。圖4為
控制器總體框圖, 適用于多種縫紉模式下的操作。
圖4　總體程序框圖
3　系統(tǒng)仿真
對(duì)系統(tǒng)的控制策略進(jìn)行仿真。永磁電機(jī)參數(shù):
功率P = 550W; Rs = 116Ω; Ld = 1017 mH; Lq =
1017 mH; Ψf = 01363 ×10- 1 Wb; J = 0172 ×10- 4
N·m; B = 010016; P = 3。負(fù)載在0102 s由0突變
到1 N·m, 限3倍的額定電流。圖5和圖6分別給
出了電機(jī)轉(zhuǎn)速、電磁轉(zhuǎn)矩和三相電流的仿真波形。
從中可以看到電機(jī)轉(zhuǎn)速超調(diào)量小、穩(wěn)定時(shí)間短、
負(fù)載特性好, 證明這種SVPWM控制策略可行。
4　結(jié)　論
基于ARM的全數(shù)字縫紉機(jī)伺服系統(tǒng)充分利用
的片上資源, 完成了系統(tǒng)中較為復(fù)雜的數(shù)據(jù)處理、
矢量控制和SVPWM生成算法, 實(shí)現(xiàn)了縫紉機(jī)針頭
位置伺服控制及其他輔助功能。高性能ARM的應(yīng)
用可大幅度提高工業(yè)縫紉機(jī)的自動(dòng)化程度和可靠
性, 為工業(yè)縫紉機(jī)產(chǎn)品向機(jī)電一體化的方向更新
換代提供了新的途徑。
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作者簡(jiǎn)介: 唐文秀( 1982 - ) , 男, 漢, 河北邯鄲人, 碩士研
究生, 研究方向?yàn)殡娏﹄娮咏涣鱾鲃?dòng)控制及微機(jī)控制技術(shù)。
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汽車交流發(fā)電機(jī)的穩(wěn)壓電路設(shè)計(jì)　陳　磊　章　瑋　方攸同

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