圆头锁眼机控制系统设计与实现
2014-07-09王正武祝本明刘必标
王正武+祝本明+刘必标
摘 要: 针对系统结构复杂,电器器件多,控制复杂,通过对圆头锁眼机的功能特征、系统结构、人机操作界面等问题的深入分析,开发了圆头锁眼机智能化控制系统。该控制系统综合应用ARM,DSP,FPGA等嵌入式技术,实现了对圆头锁眼机的高速、高精度运动控制。经现场应用结果表明,各项指标完全满足设计要求,得到了很好的实际应用。
关键词: ARM; DSP; FPGA; 圆头锁眼机控制系统
中图分类号: TN911.7?34; TP29 文献标识码: A 文章编号: 1004?373X(2014)13?0122?04
Designing and realization of control system for eyelet buttonhole sewing machine
WANG Zheng?wu, ZHU Ben?ming, LIU Bi?biao
(N0.58 Research Institute of China Ordnance Industries, Mianyang 621000, China)
Abstract: According to complexity of system structure, too many electrical devices needed to control, this paper an intelligent control system for the eyelet buttonhole sewing machine was designed by analyzing the function characteristics, system structure, man?machine interface of the machine. The high?speed and high?precision motion control of the eyelet buttonhole sewing machine was realized by means of integrated application of ARM, DSP, FPGA and other embedded technologies. Application results show that all the indexes of the control system meet the design requirements. It works well in the practical application.
Keywords: ARM; DSP; FPGA; control system of eyelet buttonhole sewing machine
0 引 言
圆头锁眼机,又名凤眼机,是夹克和西服等服装加工中的关键设备之一,被誉为缝纫机之王。它以复杂的组合运动匹配以复杂的机械组合而著称,其制造技术工艺相对复杂,工艺要求精密而细致。圆头锁眼机依靠机械控制各种动作,其内部机构交错重叠,操作比较复杂。
目前国内市场上常见的圆头锁眼机厂家主要有:德国杜克普、美国利是、日本重机等国外品牌产品,国内圆头锁眼机产品大多数为机械型,自动化程度和产品附加值不高,产品的核心技术——控制系统主要从国外购买,处处受制于人,竞争力不强。
近年来,随着电子技术和处理技术的发展,将嵌入式技术应用于圆头锁眼机控制系统,大大提高了缝制设备的自动化、智能化水平。
1 系统总体设计
1.1 工作原理
圆头锁眼机控制系统包含运动控制器、电机驱动器、人机界面等部分,圆头锁眼机如图1所示。
图1 圆头锁眼机
圆头锁眼机通过人机操作界面选择扣眼类型,设置参数,然后发送指令给运动控制器处理。运动控制器将接收的指令分析处理后,将指令进一步分解给主轴驱动器、步进驱动器、电磁阀、气阀等,并接收机械运动的电气输入量。
主轴驱动器驱动,步进驱动器驱动步进电机。主轴电机带动机针上下运动,主轴电机转一圈,机针上下一次,实现刺布缝纫;X轴、Y轴电机带动送料框左右、前后移动,进行定位;C轴电机带动机械旋转,实现弧线操作;通过主轴电机编码器的反馈信号确定允许送料区间,在允许送料区间X轴、Y轴电机才能运动,以此实现刺布与送料的同步;于此同时,零位开关将机械位置实时反馈给运动控制器。
1.2 系统总体结构
控制系统为开放式、模块化的软硬件结构,其核心是基于ARM、DSP、FPGA硬件架构和以WINCE为软件平台。DSP芯片作为控制处理器,主要完成各种运动控制算法;FPGA完成各种运动控制接口、系统开关量以及系统内部各种逻辑控制;ARM芯片通过RS 232协调、调度FPGA和DSP工作,共同构建智能化缝制设备控制系统的核心单元。系统结构图2所示。
图2 系统总体结构
2 系统硬件设计
控制系统硬件平台采用主从式双CPU结构。上位机以ARM9芯片S3C2440为核心的人机界面,主要包括ARM主板、触摸显示屏;下位机是以DSP,FPGA为核心的运动控制卡及以DSP为核心的交流伺服驱动器,主要具有运动控制、步进电机驱动、主轴电机驱动等功能。上下位机之间通过RS 232通信方式交换数据和信息。
2.1 ARM主板
ARM主板以三星公司的ARM9芯片S3C2440为核心,工作频率为300 MHz,板载SDRAM内存设计为64 MB,工作频率为133 MHz,采用64 MB的NAND FLASH作为系统镜像及应用程序存储设备,包含板载FLASH,支持LCD屏,并具有USB、串口等总线接口。上位机主板结构框图如图3所示。
ARM主板主要负责640×480分辨率,256K Color TFT LCD液晶屏显示,4线电阻式触摸屏操作,USB外部数据接口,SD卡接口,通过RS 232通信与运动控制板之间进行实时数据传送。
2.2 专用运动控制卡
由于圆头锁眼机运动控制复杂,输入/输出(I/O)开关量多,资源需求大,因此圆头锁眼机专用高性能运动控制卡采用ALTERA公司的EP3C16Q240C8芯片和TI公司的DSP芯片TMS320F28332PGFA为核心,研发了用于圆头锁眼机控制系统专用运动控制卡。该控制系统构成了运动控制单元(1个主轴、2个水平进给轴和1个旋转进给轴的运动控制)、拥有13个数字输出和13个数字输入、2个模拟输入、1个模拟输出、5个电磁铁输出等功能模块;FRAM能实时动态存储系统的运行状态信息。该结构模式既充分利用DSP数据信号处理能力,进行复杂算法运算;又充分利用FPGA设计、修改方便简洁;即充分发挥DSP算法运算优势,又体现了FPGA运算速度快的特点,使其资源互补。其硬件框图如图4,图5所示。
图3 ARM主板硬件框图
图4 FPGA总体框架
2.3 专用主轴伺服驱动
圆头锁眼机专用交流伺服驱动器是圆头锁眼机控制系统的关键部件,用于控制圆头锁眼机主轴电机的运转。伺服控制系统由交流伺服驱动器及交流伺服电机组成,交流伺服驱动器以高性能数字信号处理器(DSP)及大规模可编程逻辑器件(CPLD)为处理器,运用现代伺服电机控制理论,以旋转编码器和电流传感器为反馈,以智能功率模块(IPM)为逆变器实现对交流伺服电机的高性能控制。交流伺服系统原理框图如图6所示。
图5 FPGA控制驱动原理框图
图6 伺服控制系统原理框图
控制程序主要完成电机位置环、速度环、电流环的实时控制。在控制程序中主要有以下几种控制模式:位置控制、速度控制、转矩控制。图7是交流伺服驱动系统框图。
专用交流伺服驱动器针对圆头锁眼机应用的具体情况,在保证交流伺服驱动器优异性能和满足实际需要的前提下,对驱动器进行简化设计,去掉了那些不必要的功能,并根据缝纫机运动的特性优化了控制算法。采用交流伺服电机作为缝纫机主轴,在不需要缝纫操作时,伺服电机停止转动,节能至少20%以上。该项技术的突破,使驱动器的生产成本大幅度降低,与市场上通用型交流伺服比较,可降低成本1 500元以上,并能与缝纫机的主轴和进给轴更好地配合,实现了同一驱动器对不同交流伺服电机的自动辨识。
2.4 闭环步进驱动控制
圆头锁眼机对缝纫精度要求非常高,要求缝纫机机械在高速缝纫的同时,保证具有良好缝纫效果,因此水平进给轴和旋转进给轴必须具有快速的响应能力,用步进电机作为圆头锁眼机的进给电机非常适合,能很好地保证缝纫针距均匀,线迹美观。
步进电机能够将电的脉冲信号转换成相应的角位移,是一种离散型自动化执行元件。随着计算机控制系统的发展,步进电机广泛用于同步系统、直线及角位系统、点位系统、连续轨迹控制系统以及其他自动化系统中,是高科技发展的一个重要环节。闭环步进驱动控制原理框图如图8所示。
图8 闭环步进驱动控制原理框图
步进电机的全数字化闭环控制技术,采用32位高性能DSP处理器,实现电机绕组电流的数字化控制,使用电子齿轮、微细分、电磁转距的矢量控制等技术,实现对电机转子位置闭环控制,解决电机震荡和丢步问题,提升步进电机运转性能,减小电机发热,大大提升了步进电机的性能。全数字闭环步进驱动主控制电路如图9所示。
步进电机闭环驱动具有步进电机开环驱动和直流无刷伺服电机的优点,提高了矩频特性,输出功率/转矩曲线得以提高,效率?转矩曲线提高。因此,闭环驱动的步进电机的性能在所有方面均优于开环驱动的步进电机,可得到比开环控制更高的运行速度,更稳定、更光滑的转速。
3 系统软件设计
系统软件在特定的硬件架构上与缝纫机机械部分配合完成圆扣眼锁眼机可以实现的特定功能,根据硬件架构可以分为两个部分,即上位机(ARM主板)和下位机(运动控制卡)两部分。这两个软件是相辅相成,缺一不可的,上下位机通过RS 232通信方式交换数据和信息。圆扣眼锁眼机控制系统上位机具有文件管理、参数设置、扣眼文件编制、扣眼文件修改、扣眼文件运行等功能。圆扣眼锁眼机控制系统下位机主要完成上位机发出的各种指令,具体包括信号输入控制、信号输出控制、电磁铁信号控制、电机运动控制等。
图9 全数字闭环步进驱动主控制原理框图
上位机通过RS 232串行通信实现与下位机之间双向通信,下位机接收上位机发送的指令,进行相应的操作,并将相应的数据反馈回上位机。通信使用主从技术,即仅主设备(上位机)能初始化传输(查询),从设备(下位机)根据主设备查询提供的数据作出相应反应。
下位机通过SCI接口接收上位机发送的数据并发送反馈数据。通过SPI接口,接一片32 KB FRAM,用于参数存储。FPGA通过电机接口控制主轴电机驱动器和两个步进电机驱动器。FPGA通过输入接口控制开关量的输入,也通过输出接口控制开关量的输出。DSP通过外接RAM的0xff00~0xff80地址操作FPGA,来完成电机控制功能、输入信号和输出信号设置功能。DSP通过相应的地址读取已编译花样文件和设定的运行速度,通过运动控制卡控制各驱动器,从而实现对各轴位置运动的控制和速度的控制。DSP通过相应的地址读取各输入信号实现对应的相关功能。同时DSP接收上位机的指令,通过相应的地址操作FPGA,写入各输出信号实现相应的功能。
系统软件流程如图10所示。
图10 系统软件流程图
4 结 语
该控制系统具有快速、高精度、扩张功能快捷、操作方便、性价比高等优点,各项指标完全满足设计要求。该产品已经批量生产,产品远销国内外,市场前景十分广阔,产生了良好的经济、社会效益。
参考文献
[1] 杨奕昕,祝本明,赵毅忠.智能化缝制单元控制系统的实现[J].四川兵工学报,2011,32(8):74?75.
[2] 袁敏娟,刘华建,肖昕.圆头锁眼缝纫机扣眼针步算法[J].四川兵工学报,2011,32(6):89?91.
[3] 潘松,黄继业.EDA技术实用教程[M].北京:科学出版社,2006.
[4] 王晓明,王玲.电动机的DSP控制:TI公司DSP应用[M].北京:北京航空航天大学出版社,2004.
[5] 紫文才,何邦贵,紫振钦.基于FPGA的步进电机优化控制[J].现代电子技术,2013,36(23):142?144.
[6] 庄瑞荣,吴先球.基于LabVIEW的步进电机控制[J].现代电子技术,2012,35(4):202?204.
ARM主板主要负责640×480分辨率,256K Color TFT LCD液晶屏显示,4线电阻式触摸屏操作,USB外部数据接口,SD卡接口,通过RS 232通信与运动控制板之间进行实时数据传送。
2.2 专用运动控制卡
由于圆头锁眼机运动控制复杂,输入/输出(I/O)开关量多,资源需求大,因此圆头锁眼机专用高性能运动控制卡采用ALTERA公司的EP3C16Q240C8芯片和TI公司的DSP芯片TMS320F28332PGFA为核心,研发了用于圆头锁眼机控制系统专用运动控制卡。该控制系统构成了运动控制单元(1个主轴、2个水平进给轴和1个旋转进给轴的运动控制)、拥有13个数字输出和13个数字输入、2个模拟输入、1个模拟输出、5个电磁铁输出等功能模块;FRAM能实时动态存储系统的运行状态信息。该结构模式既充分利用DSP数据信号处理能力,进行复杂算法运算;又充分利用FPGA设计、修改方便简洁;即充分发挥DSP算法运算优势,又体现了FPGA运算速度快的特点,使其资源互补。其硬件框图如图4,图5所示。
图3 ARM主板硬件框图
图4 FPGA总体框架
2.3 专用主轴伺服驱动
圆头锁眼机专用交流伺服驱动器是圆头锁眼机控制系统的关键部件,用于控制圆头锁眼机主轴电机的运转。伺服控制系统由交流伺服驱动器及交流伺服电机组成,交流伺服驱动器以高性能数字信号处理器(DSP)及大规模可编程逻辑器件(CPLD)为处理器,运用现代伺服电机控制理论,以旋转编码器和电流传感器为反馈,以智能功率模块(IPM)为逆变器实现对交流伺服电机的高性能控制。交流伺服系统原理框图如图6所示。
图5 FPGA控制驱动原理框图
图6 伺服控制系统原理框图
控制程序主要完成电机位置环、速度环、电流环的实时控制。在控制程序中主要有以下几种控制模式:位置控制、速度控制、转矩控制。图7是交流伺服驱动系统框图。
专用交流伺服驱动器针对圆头锁眼机应用的具体情况,在保证交流伺服驱动器优异性能和满足实际需要的前提下,对驱动器进行简化设计,去掉了那些不必要的功能,并根据缝纫机运动的特性优化了控制算法。采用交流伺服电机作为缝纫机主轴,在不需要缝纫操作时,伺服电机停止转动,节能至少20%以上。该项技术的突破,使驱动器的生产成本大幅度降低,与市场上通用型交流伺服比较,可降低成本1 500元以上,并能与缝纫机的主轴和进给轴更好地配合,实现了同一驱动器对不同交流伺服电机的自动辨识。
2.4 闭环步进驱动控制
圆头锁眼机对缝纫精度要求非常高,要求缝纫机机械在高速缝纫的同时,保证具有良好缝纫效果,因此水平进给轴和旋转进给轴必须具有快速的响应能力,用步进电机作为圆头锁眼机的进给电机非常适合,能很好地保证缝纫针距均匀,线迹美观。
步进电机能够将电的脉冲信号转换成相应的角位移,是一种离散型自动化执行元件。随着计算机控制系统的发展,步进电机广泛用于同步系统、直线及角位系统、点位系统、连续轨迹控制系统以及其他自动化系统中,是高科技发展的一个重要环节。闭环步进驱动控制原理框图如图8所示。
图8 闭环步进驱动控制原理框图
步进电机的全数字化闭环控制技术,采用32位高性能DSP处理器,实现电机绕组电流的数字化控制,使用电子齿轮、微细分、电磁转距的矢量控制等技术,实现对电机转子位置闭环控制,解决电机震荡和丢步问题,提升步进电机运转性能,减小电机发热,大大提升了步进电机的性能。全数字闭环步进驱动主控制电路如图9所示。
步进电机闭环驱动具有步进电机开环驱动和直流无刷伺服电机的优点,提高了矩频特性,输出功率/转矩曲线得以提高,效率?转矩曲线提高。因此,闭环驱动的步进电机的性能在所有方面均优于开环驱动的步进电机,可得到比开环控制更高的运行速度,更稳定、更光滑的转速。
3 系统软件设计
系统软件在特定的硬件架构上与缝纫机机械部分配合完成圆扣眼锁眼机可以实现的特定功能,根据硬件架构可以分为两个部分,即上位机(ARM主板)和下位机(运动控制卡)两部分。这两个软件是相辅相成,缺一不可的,上下位机通过RS 232通信方式交换数据和信息。圆扣眼锁眼机控制系统上位机具有文件管理、参数设置、扣眼文件编制、扣眼文件修改、扣眼文件运行等功能。圆扣眼锁眼机控制系统下位机主要完成上位机发出的各种指令,具体包括信号输入控制、信号输出控制、电磁铁信号控制、电机运动控制等。
图9 全数字闭环步进驱动主控制原理框图
上位机通过RS 232串行通信实现与下位机之间双向通信,下位机接收上位机发送的指令,进行相应的操作,并将相应的数据反馈回上位机。通信使用主从技术,即仅主设备(上位机)能初始化传输(查询),从设备(下位机)根据主设备查询提供的数据作出相应反应。
下位机通过SCI接口接收上位机发送的数据并发送反馈数据。通过SPI接口,接一片32 KB FRAM,用于参数存储。FPGA通过电机接口控制主轴电机驱动器和两个步进电机驱动器。FPGA通过输入接口控制开关量的输入,也通过输出接口控制开关量的输出。DSP通过外接RAM的0xff00~0xff80地址操作FPGA,来完成电机控制功能、输入信号和输出信号设置功能。DSP通过相应的地址读取已编译花样文件和设定的运行速度,通过运动控制卡控制各驱动器,从而实现对各轴位置运动的控制和速度的控制。DSP通过相应的地址读取各输入信号实现对应的相关功能。同时DSP接收上位机的指令,通过相应的地址操作FPGA,写入各输出信号实现相应的功能。
系统软件流程如图10所示。
图10 系统软件流程图
4 结 语
该控制系统具有快速、高精度、扩张功能快捷、操作方便、性价比高等优点,各项指标完全满足设计要求。该产品已经批量生产,产品远销国内外,市场前景十分广阔,产生了良好的经济、社会效益。
参考文献
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[6] 庄瑞荣,吴先球.基于LabVIEW的步进电机控制[J].现代电子技术,2012,35(4):202?204.
ARM主板主要负责640×480分辨率,256K Color TFT LCD液晶屏显示,4线电阻式触摸屏操作,USB外部数据接口,SD卡接口,通过RS 232通信与运动控制板之间进行实时数据传送。
2.2 专用运动控制卡
由于圆头锁眼机运动控制复杂,输入/输出(I/O)开关量多,资源需求大,因此圆头锁眼机专用高性能运动控制卡采用ALTERA公司的EP3C16Q240C8芯片和TI公司的DSP芯片TMS320F28332PGFA为核心,研发了用于圆头锁眼机控制系统专用运动控制卡。该控制系统构成了运动控制单元(1个主轴、2个水平进给轴和1个旋转进给轴的运动控制)、拥有13个数字输出和13个数字输入、2个模拟输入、1个模拟输出、5个电磁铁输出等功能模块;FRAM能实时动态存储系统的运行状态信息。该结构模式既充分利用DSP数据信号处理能力,进行复杂算法运算;又充分利用FPGA设计、修改方便简洁;即充分发挥DSP算法运算优势,又体现了FPGA运算速度快的特点,使其资源互补。其硬件框图如图4,图5所示。
图3 ARM主板硬件框图
图4 FPGA总体框架
2.3 专用主轴伺服驱动
圆头锁眼机专用交流伺服驱动器是圆头锁眼机控制系统的关键部件,用于控制圆头锁眼机主轴电机的运转。伺服控制系统由交流伺服驱动器及交流伺服电机组成,交流伺服驱动器以高性能数字信号处理器(DSP)及大规模可编程逻辑器件(CPLD)为处理器,运用现代伺服电机控制理论,以旋转编码器和电流传感器为反馈,以智能功率模块(IPM)为逆变器实现对交流伺服电机的高性能控制。交流伺服系统原理框图如图6所示。
图5 FPGA控制驱动原理框图
图6 伺服控制系统原理框图
控制程序主要完成电机位置环、速度环、电流环的实时控制。在控制程序中主要有以下几种控制模式:位置控制、速度控制、转矩控制。图7是交流伺服驱动系统框图。
专用交流伺服驱动器针对圆头锁眼机应用的具体情况,在保证交流伺服驱动器优异性能和满足实际需要的前提下,对驱动器进行简化设计,去掉了那些不必要的功能,并根据缝纫机运动的特性优化了控制算法。采用交流伺服电机作为缝纫机主轴,在不需要缝纫操作时,伺服电机停止转动,节能至少20%以上。该项技术的突破,使驱动器的生产成本大幅度降低,与市场上通用型交流伺服比较,可降低成本1 500元以上,并能与缝纫机的主轴和进给轴更好地配合,实现了同一驱动器对不同交流伺服电机的自动辨识。
2.4 闭环步进驱动控制
圆头锁眼机对缝纫精度要求非常高,要求缝纫机机械在高速缝纫的同时,保证具有良好缝纫效果,因此水平进给轴和旋转进给轴必须具有快速的响应能力,用步进电机作为圆头锁眼机的进给电机非常适合,能很好地保证缝纫针距均匀,线迹美观。
步进电机能够将电的脉冲信号转换成相应的角位移,是一种离散型自动化执行元件。随着计算机控制系统的发展,步进电机广泛用于同步系统、直线及角位系统、点位系统、连续轨迹控制系统以及其他自动化系统中,是高科技发展的一个重要环节。闭环步进驱动控制原理框图如图8所示。
图8 闭环步进驱动控制原理框图
步进电机的全数字化闭环控制技术,采用32位高性能DSP处理器,实现电机绕组电流的数字化控制,使用电子齿轮、微细分、电磁转距的矢量控制等技术,实现对电机转子位置闭环控制,解决电机震荡和丢步问题,提升步进电机运转性能,减小电机发热,大大提升了步进电机的性能。全数字闭环步进驱动主控制电路如图9所示。
步进电机闭环驱动具有步进电机开环驱动和直流无刷伺服电机的优点,提高了矩频特性,输出功率/转矩曲线得以提高,效率?转矩曲线提高。因此,闭环驱动的步进电机的性能在所有方面均优于开环驱动的步进电机,可得到比开环控制更高的运行速度,更稳定、更光滑的转速。
3 系统软件设计
系统软件在特定的硬件架构上与缝纫机机械部分配合完成圆扣眼锁眼机可以实现的特定功能,根据硬件架构可以分为两个部分,即上位机(ARM主板)和下位机(运动控制卡)两部分。这两个软件是相辅相成,缺一不可的,上下位机通过RS 232通信方式交换数据和信息。圆扣眼锁眼机控制系统上位机具有文件管理、参数设置、扣眼文件编制、扣眼文件修改、扣眼文件运行等功能。圆扣眼锁眼机控制系统下位机主要完成上位机发出的各种指令,具体包括信号输入控制、信号输出控制、电磁铁信号控制、电机运动控制等。
图9 全数字闭环步进驱动主控制原理框图
上位机通过RS 232串行通信实现与下位机之间双向通信,下位机接收上位机发送的指令,进行相应的操作,并将相应的数据反馈回上位机。通信使用主从技术,即仅主设备(上位机)能初始化传输(查询),从设备(下位机)根据主设备查询提供的数据作出相应反应。
下位机通过SCI接口接收上位机发送的数据并发送反馈数据。通过SPI接口,接一片32 KB FRAM,用于参数存储。FPGA通过电机接口控制主轴电机驱动器和两个步进电机驱动器。FPGA通过输入接口控制开关量的输入,也通过输出接口控制开关量的输出。DSP通过外接RAM的0xff00~0xff80地址操作FPGA,来完成电机控制功能、输入信号和输出信号设置功能。DSP通过相应的地址读取已编译花样文件和设定的运行速度,通过运动控制卡控制各驱动器,从而实现对各轴位置运动的控制和速度的控制。DSP通过相应的地址读取各输入信号实现对应的相关功能。同时DSP接收上位机的指令,通过相应的地址操作FPGA,写入各输出信号实现相应的功能。
系统软件流程如图10所示。
图10 系统软件流程图
4 结 语
该控制系统具有快速、高精度、扩张功能快捷、操作方便、性价比高等优点,各项指标完全满足设计要求。该产品已经批量生产,产品远销国内外,市场前景十分广阔,产生了良好的经济、社会效益。
参考文献
[1] 杨奕昕,祝本明,赵毅忠.智能化缝制单元控制系统的实现[J].四川兵工学报,2011,32(8):74?75.
[2] 袁敏娟,刘华建,肖昕.圆头锁眼缝纫机扣眼针步算法[J].四川兵工学报,2011,32(6):89?91.
[3] 潘松,黄继业.EDA技术实用教程[M].北京:科学出版社,2006.
[4] 王晓明,王玲.电动机的DSP控制:TI公司DSP应用[M].北京:北京航空航天大学出版社,2004.
[5] 紫文才,何邦贵,紫振钦.基于FPGA的步进电机优化控制[J].现代电子技术,2013,36(23):142?144.
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