轉載;交流伺服系統在工業縫紉機中的應用

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中圖分類號: TM351　TM341　　　　　　文獻標識碼: A　　　　　　文章編號: 100126848 (2007) 0320075203
交流伺服系統在工業縫紉機中的應用
唐文秀1 , 許　強1 , 杜佳星1 , 姚建光2
(1. 華中科技大學, 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在工業縫紉機中的應用; 提出
了一種基于ARM的永磁同步電機伺服系統的控制方案, 并給出仿真結果, 證明該控制方案的可
靠性。
關鍵詞: 工業縫紉機; 交流伺服控制系統; 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
目前國內縫紉機廠家基本上是自己生產機械
部分, 然后購買國外或者臺灣地區等一些公司的
控制器, 組裝出售。這樣大大增加了成本, 降低
了利潤。本文根據市場需求, 設計了一種由ARM
控制芯片和永磁同步電機組成的控制系統來控制
高速平縫機。
1　伺服系統硬件構成
圖1為工業縫紉機交流伺服系統的硬件結構。
它由主電路、傳感器和LPC2131 為核心的控制電
路組成。
在對工業平縫機運動特點分析的基礎上, 從
工業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速度和位置伺服功能,
并使用直流電磁鐵作為驅動力以實現自動切線、
倒縫、撥線和抬壓腳的功能。
111　功率主電路與傳感器
伺服系統的主電路采用雙列直插式智能功率
模塊(D IP2SPM) FSBS15CH60。其內部集成了IGBT
功率器件及其驅動電路、過流(通過直流母線上的
采樣電阻監測電流)和驅動電源欠壓保護電路, 并
可在發生以上故障時輸出故障信號。主電路上可
以實現軟啟動和回饋制動等功能。
圖1　工業縫紉機硬件系統結構
電機電流信號ia , ib 由電流傳感器HCPL27840
獲得。電機轉速和轉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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交流伺服系統在工業縫紉機中的應用　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
轉速的調速信號。前兩個信號利用與腳踏板連桿
相連的兩塊擋板在適當位置遮擋光電對光管的發
射光, 從而得到反映連桿位置的兩個開關信號。
速度給定信號產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行處理到一定
范圍輸入給ARM進行計算和控制。
(2)動作繼電器的控制　根據高速平縫機要求
的功能, 用了4個繼電器驅動電路, 分別用來驅動
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
現倒向送料。
自動切線以后, 一道縫制工序結束, 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
重要指標是停機位置的準確度, 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) , 對兩個相反安裝的開關型霍爾傳感器(固定)
作用, 即每塊磁鐵僅對應一個傳感器起作用。當機
頭旋轉到上針位或下針位位置上時, 相應的開關霍
爾傳感器因為磁場到達其跳變的閾值, 而產生輸出
跳變, 也就是需要的開關信號。
(4)操作面板電路　操作面板為一個單片機系統,
CPU為ATMEGE8。它通過RS232與主控板通信, 以
設定所需縫紉模式、針數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
9個邊沿或電平觸發的外部中斷使它們特別適用于
工業控制應用以及醫療系統。
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。本設計中的
CLPD主要承擔碼盤信號的解碼、PWM死區控制
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實現編碼器功能的仿真波形可
以看到, 光電碼盤發出的A、B信號通過編碼器得
到正轉脈沖e和反轉脈沖f以及編碼器輸出的一個
6位可以加減計數的序列。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的數據
寄存器的值, 以得到電機的轉速、位置和主電路
狀態。另外, ARM 發出3 路PWM 信號輸入到
CPLD中進行死區控制, 以得到6路PWM信號來
驅動智能模塊SPM, 以驅動電機轉動。
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. 轉子每轉一周, 在信號
的上升沿處產生一個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子位置。通過讀取SSP數據寄
存器的值來精確確定轉子位置、轉速和轉向。另
外將ARM的一些I/O口預留給縫紉機的一些輔助
功能, 如負責切線、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出個針位
相應的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　控制策略和軟件設計
驅動系統的模型框圖如圖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出的命令信
號比較, P調節后得到轉速給定nref , 再和實際轉速
比較, 通過PI調節器得到轉矩電流分量iqref。ARM
內部的模數轉換器將來自電流傳感器的模擬信號轉
換成數字信號, 經靜止的Clark變換和旋轉的Park
變換得到實際的轉矩電流分量iq 和磁場電流分量id ,
經電流PI調節得到旋轉的電壓分量Vqref和Vdref。
Park逆變換將它們變換成靜止坐標系中的電壓分量
uα和uβ , 空間矢量PWM算法對uα 和uβ運算后得
到PWM開關信號, 控制SPM的逆變部分。
圖3　伺服系統控制框圖
工業平縫機應具有4種基本縫紉模式: 自由縫
(手工縫)、固定針數縫、程序縫和曲折縫。每種模
式都具有前后多重加固, 在任何狀態下進行補針的
功能。根據需要, 操作者可以設置壓腳位置、停針
位置以及縫紉結束后是否自動剪線等參數。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　系統仿真
對系統的控制策略進行仿真。永磁電機參數:
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
出了電機轉速、電磁轉矩和三相電流的仿真波形。
從中可以看到電機轉速超調量小、穩定時間短、
負載特性好, 證明這種SVPWM控制策略可行。
4　結　論
基于ARM的全數字縫紉機伺服系統充分利用
的片上資源, 完成了系統中較為復雜的數據處理、
矢量控制和SVPWM生成算法, 實現了縫紉機針頭
位置伺服控制及其他輔助功能。高性能ARM的應
用可大幅度提高工業縫紉機的自動化程度和可靠
性, 為工業縫紉機產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
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Space2vectorModulation and Regular2samp led PWM [ J ]. IEEE
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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。
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汽車交流發電機的穩壓電路設計　陳　磊　章　瑋　方攸同

丹陽湖

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yimiyangguang

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