基于DSP的工業縫紉機控制系統設計

?引言

　　傳統的工業縫紉機，主軸驅動大多采用離合器電機，縫制過程中的動作都靠機械和人工配合完成，存在效率低、體積大、調速范圍窄、位置控制難、自動化程度低。另一方面，傳統的工業縫紉機，由于主軸驅動靠離合器電機，通電后不管機器是否正處于縫制狀態，電機都一直在高速運轉耗電，不能實現有縫制動作時機器運轉，沒有縫制動作時機器停止，從而造成了大量電能浪費。

　　近年來德國杜克普(DURKOOP)，日本重機(JUKI)，日本兄弟(BROTHER)等國外公司，相繼推出了縫紉機電腦控制系統，實現了縫制動作的自動化，大大提高了工作效率，降低了能耗，深受市場歡迎，但其價格一直居高不下，國內一般企業很難承受。為此開發低能耗、高可靠性，能實現較寬的調速范圍、精確快速的位置控制并且價格低廉的高速工業縫紉機控制系統，替代進口，將會具有很好的市場前景。

　　系統設計

　　系統設計完成的是整體電控縫紉機的總體技術方案，它是完成電控縫紉機設計的最關鍵的一個步驟，該電控系統主要包括控制器、驅動器、電機、編碼器、傳感器、電磁鐵等幾個部分，系統框圖如圖1所示。

　　控制器

　　圖1的控制器作為工業縫紉機控制系統的核心，一方面產生伺服電機驅動信號，送給驅動器控制縫紉機完成定針位，并完成各種不同線跡的控制功能，另一方面產生開關信號給功率開關電路，完成縫紉機的剪線、撥線、前后加固、抬壓腳等動作?？刂破鞯膭幼餍枰姍C編碼器信號、機頭同步信號、腳踏板加減信號、電機電流傳感器信號等信號的參與運算，以協調整個機器完成相應動作。該控制器的硬件電路如圖2所示。

　　該控制器的主體核心采用TMS320F2406 DSP(U4)進行程序編程，以實現對永磁同步電機實行磁場定向控制。對永磁同步電機實行磁場定向控制的原理框圖如圖3。

　　通過電流傳感器測量逆變器輸出的定子電流iA、iB，經過DSP的A/D轉換器轉換成數字量，并利用iC=-(iA+ iB)計算出iC。通過Clarde變換將電流iA、iB、iC變換成旋轉坐標系中的直流分量isq、isd，isq、isd作為電流環的負反饋量。

　　利用增量式編碼器測量電動機的機械轉角位移qm，并將其轉換成電角度qe和轉速n。電角度qe用于參與Park變換和逆變換的計算。轉速n作為速度環的負反饋量。

　　給定轉速nref與轉速反饋量n的偏差經過速度PI調節器，其輸出作為用于轉矩控制的電流q軸參考分量isqref。isqref和isdref(等于零)與電流反饋量isq、isd的偏差經過電流PI調節器，分別輸出dq旋轉坐標系的相電壓分量Vsqref和Vsdref。Vsqref和Vsdref再通過park逆變換轉換成a b直角坐標系的定子相電壓矢量的分量Vsaref和Vsbref。

　　當定子相電壓矢量的分量Vsaref、Vsbref和其所在的扇區數已知時，就可以利用電壓空間矢量SVPWM技術，產生PMW控制信號來控制逆變器。

　　以上操作可以全部采用軟件來完成，從而實現三相永磁同步伺服電動機的全數字實時控制。

?? 　驅動器

　　驅動器是系統的功率變換部分，是驅動電機運轉的關鍵部分，該部份包括整流、逆變、前置驅動、SVPWM驅動輸出、電流檢測及多種保護功能。硬件電路如圖4所示。

　　電流環的運算需要DSP對電機相電流的檢測 ，該系統設計只需要采集兩相的電流(圖3中iA，iB)，根據電流定理就可以知道第三相的電流了。本系統所采用電流傳感器為LEM(萊姆)公司的LTS6-NP，如圖4中U2，U3，其為霍爾型電流傳感器。

　　圖4中的IR2136(U1)是IR公司的高壓IGBT驅動器，它接受來自DSP的6路PWM信號，處理后驅動圖4中6只IGBT(Q1-Q6)，產生SVPWM信號，控制永磁同步電機的運轉，以達到理想的伺服控制性能。

　? 編碼器

　　永磁同步電機精確控制離不開編碼器，DSP只有通過對編碼器A、B信號及U、V、W信號的檢測計算，才能完成電機仍至整個系統的精確控制。另一方面，我們只有自己設計并制作編碼器，才可將價格降到最低限度。

　　圖5為編碼器硬件圖，U1(HEDS9701)采集A、B信號，PH-U、PH-V、PH-W三只光電開關檢測產生U、V、W信號，它們與碼盤一起裝在電機內，檢測電機轉速、判斷轉子位置,并將采集信號送給DSP。DSP(TMS320F2406)內部帶有正交編碼模塊，從編碼器輸出的正交信號輸入DSP的PHASEA引腳和PHASEB引腳，內部的正交編碼模塊將信號進行四倍頻，再由位置計數器計數從而可以確定轉子的速度和位置。

　　PHASEA和PHASEB的輸入信號首先必須通過一個干擾信號濾波器，該濾波器可以數字延時，可以濾除毛刺，保證只有真正的信號才進行計數。同時對于只用單個信號的控制，均可配置為單個的脈沖計數。

　　對于一個高速轉軸編碼器，轉軸速度可以通過計算每單位時間內位置計數器的變化值來得到。對于電機低速時，由于輸入PHASEA和PHASEB與通用定時器相連均可作為輸入捕捉引腳，可以利用定時器測量正交相位之間的時間周期來得到高分辨率的速度測量。定時器模塊利用一個16位的計數器，通過對總線時鐘的分頻來計數。對于一個1000齒的編碼器來說，通過利用定時器測量速度可以精確測量到0.15轉每分。

　? 機頭同步定位器

　　編碼器是裝在電機里，而機頭同步定位器則是裝在機頭里，它們均屬于傳感器的范疇。

　　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，DSP才可以通過檢測這兩個信號來控制電機停止，這是機頭同步定位器的主要作用。另外電機運轉通過皮帶與機頭連接傳動，皮帶可能存在打滑現象，只有結合電機編碼器信號與機頭同步信號，才能準確判斷系統狀態，從而保證系統運轉在最佳狀態。

　　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，即機頭同步信號。我們選用Allegro公司的U3144，應用方便，性能穩定。

　　在整個系統設計中我們強調了可靠性設計，對系統中的敏感信號都加強了保護，以符合電磁兼容的要求。在程序設計中強調了指令的精簡及信號的多次確認，以提高運算結果的快速性與準確性。在設計中還引入了多種保護措施，如過流、過壓、過載、堵轉等狀態下，系統都將立即進入保護狀態，以保證系統穩定可靠。

　　在系統設計中也強調了可維修性設計，如裝拆方便、功能板更換方便，并設置了許多錯誤代碼，以保證當系統發生故障時，就能根據錯誤代碼快速判斷故障位置及原因。

　　結語

　　目前該縫紉機控制系統已開發成功，并進行了小批量生產。從實際使用效果看，該控制技術實現了縫紉機針位控制的快速性與準確性，保證了高低速運行的平穩性，同時使縫紉機具備了自動剪線、自動撥線、自動前后加固的功能。基于DSP的磁場定向控制技術是運用于縫紉機電氣控制系統的突破口，它的成功開發，其意義不僅在于可以在工業縫紉機電控系統中獲得較高的性能，另外可將該技術演化到其他種類的縫制紡織設備中去，以實現針位控制的快速性與準確性。