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

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中圖分類號: TM351　TM341　　　　　　文獻(xiàn)標(biāo)識碼: A　　　　　　文章編號: 100126848 (2007) 0320075203
交流伺服系統(tǒng)在工業(yè)縫紉機中的應(yīng)用
唐文秀1 , 許　強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)縫紉機中的應(yīng)用; 提出
了一種基于ARM的永磁同步電機伺服系統(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; 交流伺服控制系統(tǒng); 永磁同步電機; 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
目前國內(nèi)縫紉機廠家基本上是自己生產(chǎn)機械
部分, 然后購買國外或者臺灣地區(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。本文根據(jù)市場需求, 設(shè)計了一種由ARM
控制芯片和永磁同步電機組成的控制系統(tǒng)來控制
高速平縫機。
1　伺服系統(tǒng)硬件構(gòu)成
圖1為工業(yè)縫紉機交流伺服系統(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。
在對工業(yè)平縫機運動特點分析的基礎(chǔ)上, 從
工業(yè)平縫機的自動控制原理入手, 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
服電機和機頭定位器實現(xiàn)速度和位置伺服功能,
并使用直流電磁鐵作為驅(qū)動力以實現(xiàn)自動切線、
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)動電路、過流(通過直流母線上的
采樣電阻監(jiān)測電流)和驅(qū)動電源欠壓保護(hù)電路, 并
可在發(fā)生以上故障時輸出故障信號。主電路上可
以實現(xiàn)軟啟動和回饋制動等功能。
圖1　工業(yè)縫紉機硬件系統(tǒng)結(jié)構(gòu)
電機電流信號ia , ib 由電流傳感器HCPL27840
獲得。電機轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)子位置信息由安裝在電機軸
上的增量式光電碼盤獲得。
另外為達(dá)到縫紉機的特殊功能, 還包括幾個
主要部分:
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交流伺服系統(tǒng)在工業(yè)縫紉機中的應(yīng)用　唐文秀　許　強　杜佳星　姚建光
(1)腳踏信號的采集　腳踏包括3個信號, 第
一個為向前踩的開通信號, 第二個為向后踩的后
踏剪線信號, 第三個為由向前踩的深度決定電機
轉(zhuǎn)速的調(diào)速信號。前兩個信號利用與腳踏板連桿
相連的兩塊擋板在適當(dāng)位置遮擋光電對光管的發(fā)
射光, 從而得到反映連桿位置的兩個開關(guān)信號。
速度給定信號產(chǎn)生的基本原理是利用線性霍爾器
件檢測磁場的變化, 反映腳踏板連桿上的磁鐵的
運動狀況, 再通過運放對該信號進(jìn)行處理到一定
范圍輸入給ARM進(jìn)行計算和控制。
(2)動作繼電器的控制　根據(jù)高速平縫機要求
的功能, 用了4個繼電器驅(qū)動電路, 分別用來驅(qū)動
剪線、撥線、倒縫、抬押腳4個繼電器。
自動剪線是平縫機伺服控制系統(tǒng)中最重要的
一個功能, 大大提高了平縫機的工作效率, 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, 下一次縫制時多余的面線將
被壓到縫料的反面, 以避免下一次縫制時多余的
面線影響表面的針跡。
自動倒縫則是利用電磁鐵吸合拉動一根自動
倒送料拉桿。該拉桿拉動針距連桿改變位置, 實
現(xiàn)倒向送料。
自動切線以后, 一道縫制工序結(jié)束, 一般情
況下需要縫紉工用膝動拉桿將壓腳頂起, 通過在
機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)縫紉機機頭針位　微機控制縫紉機的一個
重要指標(biāo)是停機位置的準(zhǔn)確度, 這里包括上針位和
下針位的停機。所以, 縫紉機在這兩個位置必須各
給出一個信號, 處理器才可以通過檢測這兩個信號
來控制電機停止。上、下針位信號的產(chǎn)生主要是依
靠安裝在機頭上的兩塊極性相反的磁鐵(跟著電機旋
轉(zhuǎn)) , 對兩個相反安裝的開關(guān)型霍爾傳感器(固定)
作用, 即每塊磁鐵僅對應(yīng)一個傳感器起作用。當(dāng)機
頭旋轉(zhuǎn)到上針位或下針位位置上時, 相應(yīng)的開關(guān)霍
爾傳感器因為磁場到達(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。
(4)操作面板電路　操作面板為一個單片機系統(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、回饋制動、過壓等故障信號。
112　LPC2131控制器及其外圍電路
LPC2131微控制器是基于一個支持實時仿真和
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機等小型應(yīng)用中; 多個32位定時器、1個10
位8路的ADC、PWM通道、47個GP IO以及多達(dá)
9個邊沿或電平觸發(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為主處理器是因為ARM價格便宜、
對外開放功能、易于移植, 但在電機控制中也存
在一些功能不足的問題, 所以需可編程控制器件
CPLD對其進(jìn)行輔助。
CLPD選用EPM3128, 屬于MAX3000A 系列,
有128個宏單元, 最大98個I/O口。本設(shè)計中的
CLPD主要承擔(dān)碼盤信號的解碼、PWM死區(qū)控制
以及故障信號緩存功能, 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
6位可以加減計數(shù)的序列。它與主電路的軟啟動信
號、回饋制動信號、過壓信號、智能模塊故障信
號一起作為一個10位的幀, 送到ARM的同步串行
接口控制器( SSP)上。ARM定時讀出SSP的數(shù)據(jù)
寄存器的值, 以得到電機的轉(zhuǎn)速、位置和主電路
狀態(tài)。另外, ARM 發(fā)出3 路PWM 信號輸入到
CPLD中進(jìn)行死區(qū)控制, 以得到6路PWM信號來
驅(qū)動智能模塊SPM, 以驅(qū)動電機轉(zhuǎn)動。
圖2　碼盤編碼信號波形
光電碼盤的U、V、W信號與電機反電勢同頻
率。相位互差120°電角度。A、B信號頻率一般是
電機機械轉(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
的上升沿處產(chǎn)生一個Z脈沖。ARM的捕獲單元利
用U、V、W信號來確定電機的初始位置, 利用Z
信號可校正電機的轉(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
過裝在縫紉機機頭的霍爾位置元件感應(yīng)出個針位
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。
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微電機　2007年　第40卷　第3期(總第159期)
2　控制策略和軟件設(shè)計
驅(qū)動系統(tǒng)的模型框圖如圖3所示, 由ARM和
SPM組成。對永磁同步電動機實行磁場定向控制,
ARM檢測得到電機位置信號與控制器發(fā)出的命令信
號比較, P調(diào)節(jié)后得到轉(zhuǎn)速給定nref , 再和實際轉(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轉(zhuǎn)
換成數(shù)字信號, 經(jīng)靜止的Clark變換和旋轉(zhuǎn)的Park
變換得到實際的轉(zhuǎn)矩電流分量iq 和磁場電流分量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uα 和uβ運算后得
到PWM開關(guān)信號, 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
對系統(tǒng)的控制策略進(jìn)行仿真。永磁電機參數(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。
從中可以看到電機轉(zhuǎn)速超調(diào)量小、穩(wěn)定時間短、
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, 實現(xiàn)了縫紉機針頭
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)縫紉機的自動化程度和可靠
性, 為工業(yè)縫紉機產(chǎn)品向機電一體化的方向更新
換代提供了新的途徑。
參考文獻(xiàn)
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Space2vectorModulation and Regular2samp led PWM [ J ]. IEEE
Trans. On IE, 1997, 44 (5) .
作者簡介: 唐文秀( 1982 - ) , 男, 漢, 河北邯鄲人, 碩士研
究生, 研究方向為電力電子交流傳動控制及微機控制技術(shù)。
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汽車交流發(fā)電機的穩(wěn)壓電路設(shè)計　陳　磊　章　瑋　方攸同

丹陽湖

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