基于STM8S的缝头机驱动控制系统的设计

孙盟盟，张团善，周文胜，郝永健

（西安工程大学机电工程学院，陕西西安 710048）

基于STM8S的缝头机驱动控制系统的设计

孙盟盟，张团善，周文胜，郝永健

（西安工程大学机电工程学院，陕西西安 710048）

为适应袜子缝头机中电子程序控制的高精度、低成本的技术要求，设计一种基于STM8S的袜子缝头机电机驱动控制系统.首先，根据缝头机的工作原理提出了PWM波调压调速控制策略，设计了无刷直流电动机的电流转速双闭环控制方法.然后根据调压调速控制策略及总体控制系统策略，并结合缝头机传感器信号，设计了系统的硬件电路和软件程序.通过软硬件的在线联合调试，结果表明，控制系统满足缝头机驱动功能，电动机波形纯正，且缝头机缝袜整齐，系统运行良好.

袜子缝头机；STM8S；PWM波调压调速；硬件电路

Key words：sock toe closing machine；STM8S；PWM strategy of voltage－velocity regulation；drive control system

0 引 言

随着电力电子技术和计算机的发展，各种新型驱动技术在纺织机械中得到广泛应用，国内外纺织机械都在向自动控制方向发展，计算机和电力电子技术正在对织袜技术的发展产生巨大影响，像缝头机这样的纺织机器，其驱动技术仍在向高性能与高精度方向发展［1］.

缝头机是纺织类机械的一种，它是对已加工好的袜子顶部进行缝合的机器，缝袜质量的好坏和缝合效率的高低取决于控制系统的驱动性能指标，而当前国内外缝头机大多采用无刷直流电动机来驱动，对无刷直流电动机的控制方法多种多样，但大都采用控制器组成的控制系统来完成对无刷直流电动机的驱动［2］，对于高性能的驱动控制系统，外国发展水平较高，缝头机价格偏高，而我国发展水平较低，缝头机驱动技术相比不够成熟，高性能的自动缝头机仍然从外国进口，因此研发具有我国自主知识产权的高精度、低成本的缝头机驱动控制系统已成为迫切需求［3－4］.

本文以STM8S单片机为缝头机下位机核心，采用PWM波换相调压调速方法，设计了电流和速度双闭环控制策略，并设计出缝头机电机驱动的最小系统电路、电源电路、电机驱动电路、保护电路、通信电路等，且最终编写程序进行软硬件联合调试，验证了系统的可行性.

1 工作原理及控制策略

1.1 驱动系统工作原理

图1为袜子缝头机控制系统框图.系统上电时，人为通过上位机发送一速度命令，通过通信电路送至下位机，下位机STM8S接受命令按指定程序运行，使电源通过逆变桥电路，加在无刷直流电机绕组上，根据霍尔传感器信号电动机开始运行，通过电机转子主轴上安装的传动机构将动力源传向缝头机机械执行机构使袜子开始缝合，并且通过上位机实时操作实现电动机的调速进而实现袜间距的调整与工作速度等机器参数的调整，缝头机在运行中出现的如卷袜、断线、门开关未关、过压、欠压等故障信号通过故障传感器电路迅速送入STM8S控制器，控制器立即作出响应，控制无刷直流电动机停止运行并将故障信号发送至上位机.

图1 缝头机驱动控制系统框图Fig.1 Drive control system block diagram of the sock toe closing machine

1.2 控制策略

对于无刷直流电动机，采用霍尔传感器测量转子位置信息的无刷直流电动机的换向控制策略有二二导通方式，三三导通方式，由于无刷直流电动机的反电动势为梯形波，而二二导通方式很好地利用了方波气隙磁场的的平顶部分，使得电机出力大，电磁转矩比三三导通方式要大，且电机的转矩平稳性好，所以本系统采用二二导通方式，即每次仅有两个开关管导通，每隔60°改变一次导通状态，每次改变仅切换一相桥臂的一个开关管，并且每个开关管连续导通120°.无刷直流电动机的电动势平衡方程为

式中，U为电源电压，E为反电动势，Iac为三项绕组的平均电枢电流，rac为电动机定子绕组的平均电阻，ΔU为功率管饱和压降.无论电动机是哪种绕组和线路结构，定子反电动势都可以表示为

式中，n为电动机的转速，Kc为反电动势常数，由以上各式整理得

由式（3）可知，在忽略电机定子电阻和开关压降的情况下，无刷直流电动机的转速仅和电动机的定子电压和磁场强度有关，改变定子电压或磁场强度都可改变电动机的转速.由于PWM技术在频率和效率方面有明显的优点，且可以有效抑制谐波，使得电动机的逆变电路性能得到了明显提高.采用三相逆变桥，逆变桥输入为电压固定不变的直流电，可以通过PWM技术在同一逆变桥中既实现调频又实现调压，采用这种逆变桥，使电机驱动系统主回路和控制回路的结构得到了简化，进而使控制系统的体积减小，可靠性增高，动态响应较好.故针对本系统，采用调压调速策略，采取一个开关管工作于PWM状态进行调压，而另一个处于常通状态，并用HPWM－LON模式，即功率桥中对上桥臂的功率管进行PWM调制，下桥臂保持常通状态，通过调节上桥臂的占空比进而实现电动机的调压调速［5］.

根据无刷直流电动机的运行原理，文中所设计的无刷直流电机控制系统采用转速电流双闭环控制方法对无刷直流电动机进行控制，电流和转速调节器均采用传统PI调节器进行控制.

2 整体设计

2.1 硬件设计

2.1.1 最小系统电路 图2所示为缝头机驱动控制系统最小系统电路，采用的STM8S系列单片机与传统单片机相比具有2.95V的工作电压范围和高达20MIPS的CPU性能，最大工作频率可达16MHz，且它的外设定义与STM32系列单片机相同，丰富的外设可实现精确的控制和监视功能，并且单片机内部拥有一个10位的模数转换器，最多可以配置16路A／D输入通道，先进的16位定时器特别为电机控制做了优化设计，还具有自动6路互补PWM输出端口，把输出端口与ADC转换输入引脚作了可重配置定义，使之在电机应用时也可获得最大的ADC转换路数，所以这款芯片非常适合无刷直流电动机的低成本低功耗控制要求［5］.

图2 最小系统电路图Fig.2 Minimum system circuit

2.1.2 电源电路 本控制系统采用输出为24V直流电的开关电源供电，并通过317MG和LM2576等芯片获得15V电压和5V电压.其中24V给无刷直流电机供电，15V给开关驱动电路芯片供电，而5V则给单片机及其他芯片供电.图3所示为电源电路图.

2.1.3 三相电机功率桥路设计 图4所示为三相电机桥路，本设计采用IR2101S芯片，这款芯片具有高度集成的电平转换技术，使逻辑电路对功率管等的控制要求大大简化，同时对功率桥中的上桥臂采用了自举电容进行上电，使得电机驱动电源数目相对其他IC芯片驱动大大减少，在工程设计上降低了产品成本，提高了系统稳定性［5－6］.

2.1.4 保护电路设计 电路采用LM358芯片，对电源电压以及电机三相绕组运行中的电流进行实时在线监测，如果出现过流等信号，单片机立即停止运行，保护控制系统以防烧坏.图5为保护电路原理图［7］.

图3 电源电路图Fig.3 Power supplycircuit

图4 电机驱动桥路图Fig.4 Motor drive axle road

图5 保护电路原理图Fig.5 Protection circuit

2.1.5 上位机通信电路设计 本控制系统上位机采用STM32单片机进行实时控制与监测，上位机与下位机通信电路采用RS485芯片进行通信，此芯片通信距离长，抗干扰性能好，适合缝头机驱动的上下位机之间的通信，图6所示为上位机通信电路［89］.

图6 上位机通信电路图Fig.6PC communication circuit

2.2 软件设计

缝头机驱动控制系统程序主要由RS485通信、寄存器初始化、转子预定位、PWM换相、速度调节、故障停止模块等组成.硬件初始化主要是设置STM8S903单片机系统的时钟，堆栈寄存器，各个I／O端口，各定时器，以及中断控制等.通过霍尔传感器来获得无刷直流电动机永磁体转子的位置信息，然后根据已获得的电机转子位置信息对电机进行换相.通过改变PWM波的占空比对电机进行调速［10－11］.系统软件流程图如图7所示.

3 验证与结果

经过以上分析设计并制作印制电路板，编写好STM8S单片机程序并在缝头机机器上进行在线调试验证，图8为示波器测得的无刷直流电动机其中一相电压波形.由图8可知，该波形无杂波，无刷直流电机运行良好，转矩稳定，位置控制精确，缝头效果平稳，机器运行时袜子缝合整齐，满足缝头机的要求，且通过上位机可以实时在线调节无刷直流电动机的速度进而调节机器的工作效率，袜子在出现被卷、断线或门开关未关等情况下均能立即停止运行，从而保护控制系统以及缝头机的安全.

图7 流程图Fig.7 Program flow chart

图8 相电压波形Fig.8 Phase voltage waveform

4 结束语

本文采用PWM波调压调速和电流转速双闭环控制方法，并结合硬件电路和软件程序对缝头机机器驱动源无刷直流电动机进行控制.采用上述方法使得缝头机运行平稳，位置控制精确，并且可以在线实时调速，提高工作效率，实践证明这是一种合理且有效的缝头机驱动控制系统.

［1］ 周志辉，林燕.纺织机械的自动控制技术［J］.精密制造与自动化，2012（1）：3－7.

ZHOU Zhihui，LIN Yan.Automatic control technology for textile machinery［J］.Precision Manufacturing and Automation，2012（1）：3－7.

［2］ 林明耀，陈华锋，白玉庆.永磁无刷直流电动机的控制技术研究综述［J］.机械制造与自动化，2012（6）：1－2.

L

IN Mingyao，CHEN Huafeng，BAI Yuqing.Study on control technique of permanent magnet brushless DC motor［J］.2012（6）：1－2.

［3］ 晨锡.东北袜业园引进意大利电脑缝头机［J］.纺织服装周刊，2010（27）：28－29.

CHEN Xi.The computer sewing machine that is introduced to the northeast socks industry park［J］.Textile Fashion Weekly，2010（27）：28－29.

［4］ 吕双庆，张团善，胡秀芳.基于LPC4357的嵌入式电脑棉袜机控制系统设计［J］.西安工程大学学报，2014，28（6）：740－741.

LYU Shuangqing，ZHANG Tuanshan，HU Xiufang.Design of cotton socks system controlled by embedded computer based on LPC4357［J］.Journal of Xi′an Polytechnic University，2014，28（6）：740－741.

［5］ 李家庆，李芳，叶文.无刷直流电机控制应用——基于STM8S系列单片机［M］.北京：北京航空航天大学出版社，2014：201－205.

LI Jiaqing，LI Fang，YE Wen.Brushless DC motor control application：Based on STM8Sseries microcontroller［M］.Beijing：Beihang University Press，2014：201－205.

［6］ 石岛胜，薛亮，祝建俊.小型交流伺服电机控制电路设计［M］.北京：科学出版社，2013：56－58.

SHI Daosheng，XUE Liang，ZHU Jianjun.Small AC servo motor control circuit design［M］.Beijing：Science Press，2013：56－58.

［7］ 高甜甜，孙瑜，徐方建，等.基于STM8S903K3的纯电动车实用控制器设计［J］.工业控制计算机，2014，27（9）：128－129.

GAO Tiantian，SUN Yu，XU Fangjian，et al.Design of pure electric vehicle controller based on STM8S903K3［J］.Industrial Control Computer，2014，27（9）：128－129.

［8］ 吴桂林，郑建勇.RS485上下位机多机通信网络系统设计［J］.微计算机信息，2008：24（12－3）：124－125.

WU Guilin，ZHENG Jianyong.Design of communication network system between upper and lower computers based on RS485［J］.Microcomputer Information，2008：24（12－3）：124－125.

［9］ 王燕.多LED显示屏协同控制系统设计及应用［J］.西安工程大学学报，2015，29（2）：188－189.

WANG Yan.Design and application of multi LED display collaborative control system［J］.Journal of Xi′an Polytechnic University，2015，29（2）：188－189.

［10］ 张团善，罗富文，吴辉.基于ARM的嵌入式电脑丝袜机控制系统设计［J］.针织工业，2014（1）：22－23.

ZHANG Tuanshan，LUO Fuwen，WU Hui.ARM－based control system design of embedded computerized hosiery machine［J］.Knitting Industry，2014（1）：22－23.

［11］ 张邦术.嵌入式软件设计之思想与方法［M］.北京：北京航空航天大学出版社，2009：8－14.

ZHANG Bangshu.The thought and method of embedded software design［M］.Beijing：Beihang University Press，2009：8－14.

编辑、校对：赵放

Design of the drive control system for the sock toe closing machine based on STM8S

SUN Mengmeng，ZHANG Tuanshan，ZHOU Wensheng，HAO Yongjian

（School of Mechanical and Electrical Engineering，Xi′an Polytechnic University，Xi′an 710048，China）

In order to meet the the technical requirements of the sock toe closing machine in the electronic program control of low cost and high precision，a sock toe closing machine motor drive control system based on STM8Sis designed.Firstly，the operation principle of drive system is introduced，PWM strategy of voltage－velocity regulation is put forward，and the brushless DC motor speed and current double closed loop control method is designed.Then，according to the regulating voltage and regulating speed control strategy and the overall control block diagram of the system and combining with the sensor signal of the sock toe closing machine，the hardware circuit of the system，and software program are designed.The experimental results show that the control system can meet the needs of sock toe closing machine drive function，the motor waveform is pure，the socks are stitched neatly，and the system is running in good operation through the online software and hardware debugging.

TP 273.5

A

1674－649X（2015）05－0583－06

10.13338／j.issn.1674－649x.2015.05.012

2015－06－02

科技部攻关资助项目（2012BAF13B00）

张团善（1971—），男，湖北省随州市人，西安工程大学副教授，研究方向为纺机控制系统和嵌入式系统.E－mail：459915771＠qq.com