（控制理论与控制工程专业论文）绣花机电控系统电机协调控制及主从机通讯研究.pdf

硕士论文英文摘要 withthe 丘 汾 tu n 治 ofth e c s 召 z15 and th e 加 d 诵o n 明u e s t ofemb r o i d ery 立 比 c hi 幻 e ， basedonth e 5 2 21介q 龙 功 b edd ed ” 伽 汀 。 l syst e m ， 而s p a per d e 面 l e d 妙d 晰幼5 此 c o n tr o l s y s t e m ， s h a n 力 o n y c ontrol b etw 呱 p n n 吻ai甜s mo以胡 d tabo 以motor ， 即d th e 印n 妞 n u 正 c a d onb e 幻 四 een th e h ost o n 甲 u terand the 犯 b o r d in a t e c o m p u te r w i thr s 4 2 2. the c ontr o 1 s y s t em a d o pts t h r eeh ardw are ti r n e 巧 ， o f th e con trol c or e of c s 巨 2 2 1 5 一 ，5 3 c 2 4 1 0 a ， tore 目 过 e 此 s y o c h r o n i z eda c 廿 onb e t w ee o the p 血c i p alaxis 川 以 。 r 山 ld the 曲。 r e t m ot o r . 仆e wri记th ought 助d r 山 圈石 onofth e h ar d w are t i n 记 rs driv 七 r p r oc曰 u 玲is d e . 习 司 l y i n tr o d u c edinthis p a 户 二 . s e v er 日 l m e a 名 u r e 双 犯 由 ods ofthe 乒 勿 d 网 翻s s s pe树阳 d the d e te c 石 0 o p 仙d ple of th e p n n d 州 几 石 5 . s posi ti onare心已 址 c h edin面s p a 声 斌itin tr edu ces the app li c at i onof s tep 咖torin此 c o m p u terai d 司e 川 b ro i d e 口n . 肠 的 e and 伽 s t e p motor，s 5 沐 创c o n tro l si mul taneo u sl y ， 如s p a 户 叮 n 浇 坦 肚 c h th e rise 刁 ro p s pee d c a r v esofs t e p n lo 仁 o r 曲 d 此 atgo ri 山 面c r 山 zati onofn 刀 l u 心y mov in g 伽 丘 却 l e the k 即b o 拟 月n 益 让 旧 g e l 刀 ec h 句 五 5 刀 大 ofth e e l e c tri c con o o l syst 日 叭 5 o n w 田 吧 d es i 幼， 15 al so加 tn 川 u c edin面s p aper . ind es 加 teofi ts n eed for fu rtherstud 外 ng， it h 韶c o m e true to d e t ec t the k 即e ven t and 刀 拍 k e 帆thr es pon s e and di s 钾5 目in石 扣 e . a t l as 仁 s o tr le q u es ti ons inth e p 双 犯 es s ofth e s ys t 。 旧 s d e v d o p m ent a 刀 d testing are 伽 d u d ed明 d the 细p 恤esofthe n ext d e v e 】 。 p n l e o t 叨d r 已 ， 当 江 c h on此 c o m p u terai d e d emb r o i d e rym a c hi n o are p r o s 伴c t ed atth e p r es ent t i m e ， this c o n 。 l sy s t e mha d p as s edth e 确edd e b u g gi n g 阴 d 氏 al i : ed the b 出i c 九u c 6 on. k eyw o r ds: c o m p u 沈 r 越d e d e m b r o i d e rymac 加 n e ， e l bed d e d/ qt， c s 一 22巧， mot orh a n n o n y c o n ti 劝 1 ， s eriaic o n 刀 卫 u n l c ation， key eve nt d i s p o s al 图表目 录硕士论文 图表目 录 图1 . 1 电 脑绣花机样 机. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3 图2 . 1 宿主机与目 标机的 连接模式. ，. . . . . . .， . ， ， . ， . ， .6 图2 . 2 电 脑绣花机工作框图. . . . . 甲 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 图23 软件层次结构图. . . . . . . . . . . ， ， . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 10 图2 ， 4 控制软件系统模型图. ， . . ， ， 二 ， . ， . . ， . . . . ， . . . . . ， . 10 图3 . 1 光电编码器原理示意图. ， . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 17 图32 硬件定时器测速软件流程图. ， . . . r . . . ， . . ， ， 二 19 图4 . 1 绣框工作框图， ， . . . . . . . . . . . . . . ，. . . . . . ， 二 23 图或2 单脉冲控制 方式时序甲 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . ， . . . . . . 25 图东3 双脉冲控制方式时序 ， . ， . . . . . ， . ， ， . ， . . ， . ， . ， . . ， ， .25 图4 . 4 常见的步进电 机升降速运行曲线. . . . . . ， . . . . . . . . . . . . . . . . 26 图4 . s x方向步进电机升降速软件框图 ， . 二. ， ， . . ， . . . .28 图46 手动移框基本流程图. . . . . . ， ， . ， 二 . . . ， . ， 二 3 0 图47 手动移框算法改进流程图. . . . . . . . . . . . . . ， 二，. . . . . 31 图51 三轴电机协调控制软件框图. ， . ， 二， 二 . ， ， . . ， ， 42 图6 . 1 多机通信连接示意图. . ， . . . . . . . . . . . . . 甲 . . . . 甲 .， 46 图6 . 2 阻塞刀 0模型. ， ， ， 二， . ， ， ， ， ， . ， . . . . . . ， . ， . . . . . 一 图63 非阻塞f o模型 . ， . ， ，. . . . . . . ， . ， . ， . . . . . . . 49 图6 . 4 复用f o模型 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . ， . . . . . . . . . . . . . . 5 0 图6 . 5串口读写框图， ， ， ， ， ， 二 ， .， . _ ， 二 ， . ， . . . 55 图7 . 1键盘输入模型图 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 61 图72 按键布局图. 丫 二 ， ， ， . . . . . . . . . . . . ， . ， . . . . : . . . . . . . . 6 8 图8 . 1步进电 机升降速运行曲 线二 ， 二 ， . . . . ， . . . . . . . . . . . . ， ， ， ， 一 71 图8 . 2 串口 通讯发送及接收程 序框图 . ”. “ . . 一 ” ，. ，. ，. . ” ，. . ” . . 72 图83 矩阵式键盘结构 . . ， .， . . ， . . ， . . . ， ， . . . 3 表6 . 1终端标志一” ” ” . .- .” 价 . . 一 ”， . ， .，. . . . . - . . - - . .一” :.” 二 53 表7 . 1键码对应表二 ，“ . . . *. . .， . . 甲. . . . - . . ，. . . . . . . . . 67 讥 声明 本学位论文是我在导师的指导下取得的研究成果， 尽我所知， 在本 学位论文中， 除了加以标注和致谢的部分外， 不包含其他人已 经发表或 公布过的研究成果， 也不包含我为获得任何教育机构的学位或学历而使 用过的材料。 与我一同工作的同事对本学位论文做出的贡献均己 在论文 中 作了 明确的说明。 研 究 生 豁丰牛吵卿日 学位论文使用授权声明 南京理工大学有权保存本学位论文的电 子和纸质文档， 可以 借阅或 上网公布本学位论文的 部分或全部内 容， 可以向有关部门或机构送交并 授权其保存、 借阅 或上网 公布本学位论文的 部分或全部内容。 对于保密 论文， 按保密的 有关规定和程序处理。 呼豁 导 书 坷 年 和川 硕士论文绣花机电 控系统电 机协调 控制及主从机通讯研究 1 绪论 目 前， 国内 生产电 脑绣花机的主要厂家有深圳的富怡、 北京的兴大豪、 北方天鸟， 武汉的美佳、 创佳， 上海的标准等。 生产电 脑绣花机电 控部分的上市企业只有北京的 兴大豪和深圳的富怡两家公司， 可电控器却有更大的市场需求， 这就为绣花机电控器 的开发提供了重要的机遇。 1 . 1 引言 电 脑绣花机是当 代最先进的绣花机械， 是随 着电 子、 计算机技术、 精密机械的发 展和应用而逐渐成熟 起来的 一种高自 动化、 高生产效率的光、 机、 电 三者合一的刺绣 设备。 它能使传统的 手工绣花得到高速度、 高效率的实现， 并且还能实现手工 刺绣无 法达到的“ 多层次、 多功能、 同一性和完美性” 的要求， 是一种体现多种高新科技的机 电 产 品 1;1. 1 9 77年， 日 本b a r u d a n公司成功开发了 世界上首台 带电 脑控制装置的绣花机。 目 前世界上著名的电 脑绣花机品 牌有日 本田 岛( t a g 乃 i a ) 、 百灵达( b a r i jda n ) 、 兄弟 ( b r o t h e r )、幸福 ( h a p p y) 、丰田 ( t o y o t a )，德国蔡斯克 ( zsk )、 百福 ( p f a f f )， 韩国的日 星 ( s wf )， 美国的m e l c o等: 其中特别是日 本的田岛 和百灵达，在1 998 年以 前占 据了 全球绣花机市场份额的70%以 上。国际电 脑刺绣行 业蓬勃发展，我国也不甘落后。1 9 87 年由北京兴大豪科技开发有限公司联合青岛缝 纫机厂开发成功中国第一台电脑绣花机阴 . 对比国外公司的 产品， 国 产绣花机虽然产量巨大， 但是市场占 有率并不高， 主要 原因是国 产绣花机整机质量和性能与国外相比仍有一定的差距， 主要表现在平均无故 障时间， 机器寿命， 刺绣适应性， 刺绣效果， 主轴转速， 机器噪音以 及操作维修是否 方便等方面。国 外的 绣花机多采用犯位微处理 器并使用嵌入式操作系 统进行系统管 理， 从而实现网 络远程控制， 无线操作， 加工对象多样化， 大容量存贮等新技术， 国 内 使用此类技术却刚刚 起步， 因此如果能够采取更先进的 控制器和控制算法， 结合较 高的 机械 加工 精度 则不 难实 现 有效延 长平均 无故 障时间、 提高 主 轴转 速、 降 低机器噪 音， 使操作维修更方便等目 的，随 着a r m微控制器在国内的推广和使用， 再加上有 效的技术支持使得电 脑绣 花机整机性能得到提高并有效降低产品 成本成为可能。 i j电 脑绣花机的发展与研究现状 1 .2. 1 绣 花 机的 分 炙3 飞 电 脑绣花机品 种繁多， 规格各异，目 前尚未制定统一的分类方法， 一般说来常用 以下一些分类方法: 绣花机电 控系统电 机协调控制及主从机通讯研究硕士论文 以机头的多少来分，可分为单头与多头机 ( 1 24头)，头数越多可刺绣的同 一花样数越多; 以 每一头所含机针的多少来分，可分为单针与多针 ( 3 一 1 2 针)， 针数越多颜 色数就越多可绣的 花样就越复杂; 以 送料绷架形式可分为板式与筒式; 以 绣花所用线迹形式分为锁式线迹 (301线迹) 与链式线 迹 ( 1 01线迹); 以绣花机的主轴驱动方式可分为交流伺服驱动、 交流变频驱动、 滑差驱动等; 以 绣花机的 用途分为家用电 脑绣花机和工业电 脑绣花机; 国内 根据用户需求还可分为带自 动剪线和不带自 动剪线等。 由于每一 机型都有机头多少、 机针多少 以 及剪线形式等问题， 将这些进行组合排列 数字，因而它能满足不同层次、不同规模、 1 :2 绣花机的 发展与研究现状 绷架形式、 线迹形式、 驱动形式、 用途 细化分类， 绣花机型式将是一个很大的 不同要求的客户需要。 目 前国 外电 脑 绣 花 机的 平 绣 速 度普 遍己 经 达 到 8 00刁 以 犯 印 m 。 日 本田 岛 公司 推出 的 t f g n 型 平绣 系 列绣 花 机， 其最 高 的 平 绣 速度己 经 达 到n 侃 冲 m ， 运转 时的 噪 音明 显 下降; 毛巾 绣的 绣 花 速度 最 高 可 达 6 侃 冲 m 。 有些 绣 花 机 还 增 加了 很 多 功能 性 装置 ， 如断线检测、自 动剪线等， 这些装置增强了 绣花机的自 动化程度， 操作方便， 使得刺 绣质量更好。 据初步统计， 尽管目 前国内 的电 脑绣花机生 产企业众多， 但是和国 外同类机种相 比， 仍然存在着一定的差距。 就绣花机电 控部分而言， 绣花机的 控制器是完成绣花动 作和实现各 种功能的灵魂， 绣花机的 诸多功能很大程度上都是由电 控部分决定。 在精 密机械部分平稳运行的基础上， 国外电脑绣花机生产厂商不断采用新的控制技术， 诸 如采用先进的实时操作系统进行系统管理、 u sb闪存或c f 卡大容量存贮花样数据、 以 太网 信息 共享、 网络远 程控制、 无线控制等技术， 而当前国内 有能力开发电 控部分 的厂家却寥寥无几， 其中以北京兴大豪公司的产品为最。 其产品在国内己 处于较为先 进的地位， 大部分电 脑绣花机厂家产品的电 控部分均为兴大豪的 产品， 但从兴大豪的 产品线可以 看出， 其大部 分产品虽然能 够满足电 脑绣花机完成刺绣工作的基本需求且 性能稳定， 但是由于其控制平台的局限 性， 如果以 现有的 平台 进行系统升级并采用完 善成熟的实时操作系统进行移植，从而赶上国外先进技术水准，则会存在不少困难， 因此提高 系统运行速度， 实现多 任务实时控制必须采用先 进的硬件平台， 采用完善成 熟的操作系统进行管理是绣花机控制器开发的 迫切需要间 。 2 硕士论文绣花机电控系统电机协调控制 及主从机通讯研究 2 控制系统介绍 本次设计采用深圳市 科思科技有限公司开发的 c s 2 2 1 5作为本次电 控系统设计 的 控制主 板， 用r edh a t g. 0 自 带的q t3.1 设 计控 制界面。 通 过cs砚15的 核心芯片 一s3c 2 4 1 0 a集成的 硬件定时器控制主轴电 机与绣框电 机协调动作， 保证绣作正常完 成。 通过r s 4 2 2串口 实现上下 位机之间的 信息交互。 控制系统将交互信息以 及刺绣 过程中的 一些数据信息 在控制界面上清楚地显示出 来， 方便操作工对系统的 控制。 下 面就该电 控系统中 与本次设 计相关的软硬件部分作基本介绍. 2. 1 科思cs一15产品介绍 c s 一 2 215 是一款高 集成度、宽工作温度范围、高可 靠的p c l l 04主板。 其自 栈式结 构， 可以 方便的 扩展用户功能; 其体积小、 单干 s v 供电 ， 可以 作为“ 宏器件” 方便的嵌 入到用户产品或系统中 去; 其有优良 的工业级 特性， 超低功耗， 完备的实时多 任务嵌 入式操作系统支持，是当前嵌入式应用的理想方案。 2. 1.1本 设 计 使 用到 主 板 的 相 关 性能 与 特点 问 高 性能: 使用2 00m 到 比以上主频的32位微处理器 ( 相当于p 即 ti um l 8 0 m f z c p u ) ，系统总线1 佣m h z 。 标准 p 01 04 结构:用户开发的p c l l 04 标准接口 扩展卡或者购买的p o1 04 标准扩展卡，插到本a r m c p u的p c1 04主板上运行与x86c p u的p c / 1 以主板运 行没有任何差异. 本设计 采用自 己开发的p c / 1 04标准 扩展卡加以 实现。 功能接口 丰富: c s 一 2215主板上有5 串 一并、 p s 了 2 键盘、 p s z z 鼠 标、 2 路u s b 、 1 0 树l oom网口 、 l c d ie l 接口、 矩阵键盘接口、 标准p c l l 04总 线接口 。 本次设计中 的串口 通信利用了 其上的rs4 2 2 串口:调试的过程中使用了 标准的ps/2键盘。 良 好软件兼容性:基于x 86体系， 在v x 切 o lk s 、 l i ” u x 、 wi刀 c e 等操作系统下 开发的应用程序， 在 a r m 编译器下重新编译，即可在本主板 卜 译行. 本次设计采 用un u x 作为嵌入式控制计算机的操作系统。 2. 1 2 相 关 技 术 参 数 与 规 格 阎 核心处理能力: 月 劝 度 92昨 32位核心微处理器， 主频2 加m h z ，带m mu虚 拟内存寻址管理单元以 及各16k b的指铆数据缓存。 本次设计中使用50m h z的时钟 总线的频率，将其分频作为硬件定时器的频率。 31个内 部中 断， 24个外部中断。 p c l l 以 总线 上的所有中断， 全部开放给用 户使用。 电 机协调控制时使用外部中断4 作为光电 编码器的 零位脉冲中断。 三个硬件 定时器毛 m e r()， 下 m er l ， 下 m e r z 的中断分别使用了内 部中断10，n，1 2 。 ， 硕士论文 绣花机电控系统电机协调控制及主从机通讯研究 当设有循环刺绣功能时， 花样刺绣一次完毕， 可自 动返回原点， 开始下一次刺 绣过程。 贴布刺绣功能 该功能可将花样换色码或停止码处设为贴布点， 当花样绣作到贴布点， 机器自 动停车出 框 ( 以 另外起点的设置为基础)，贴好布后，拉杆自 动回框并继续绣作。 刹车调整功能 用户可根据各自 绣花机机械的不同特点， 调整刹车过程参数使主轴准确停车到 1 (x)0 。 2 3 2电 脑绣花机的 工作原理 电脑绣花机的工作原理有点近似于数控机床， 不过这里是将欲刺绣的花样先通过 打版软件设计成控制软件可翻译的 花样文件， 然后将花样文件存贮于软盘或其它存储 介质上。电脑绣花机工作时，绣花机控制器就会读取存贮于主板内存上的花样数据， 并通过一定的规律进行译码来控制各电 机进行协调运动，从而绣出漂亮的花样。 主轴电机通过传动轮带动针杆， 针杆带着线上下运动， 而x ， y方向步进电机带 动绣框在水平方向 运动， 绣品随 绣框一起运动， 刺绣出 花样图 案。 刺绣时主轴电 机转 速在 7 00r/l nj n左右，主轴角度在某两个角度之间 ( 即绣针从离开布料到插入布料之 间的时隙)， 步进电 机才允许运动。 需要换色时， 换色电机转动， 通过传动机构带动 针杆箱移动， 将穿 有其它颜色线的针换上， 继续刺绣。 刺绣完毕时， 勾线电 机带动勾 线机械将线勾住， 剪线电 机带动剪刀 将线剪断， 扣线电 机带动扣线机械将线扣好， 等 待下一次拉杆启动. 其工作框图如图2 2所示。 圈2 . 2 电 脸绣花机工作框圈 2 3 )本控制 系统的 软 件 体系结构 1 . 软件层次结构 本系统软件基于a 只 m技术，以 嵌入式u nux 操作系统为软件开发平台。软件层 次结构见下图2. 3 。 绣花机电 控系统电 机协调控制及主从机通讯研究硕士论文 刺绣控制软件 蕊 一 赢 一) 藉 履 薪 舀 丁 爵 一_一一一_占 _一_占 一_1 嵌 入 式 l 画 “ 系 统1 pc 104 黝 p ( 一 1 04奥动 硬 件 平 台 ( cs 22 15)l p c ，04 p c 1 04 目2 . 3 软 件 层次结 构圈 2 .软件系统模型 本系统在主控模块控制下， 完成刺绣、内 存花样管理、 磁盘操作、 参数设置、 系 统维护的 功能。 在刺绣功能中，实现刺绣 准备、 刺绣确认、 正常刺绣、空走、 补绣、 反复绣等子功能。软件系统模型图见图2. 4 . 圈2 . 4 控制软件系统棋型圈 3 . 棋块功能介绍 根据电脑绣花机的工作原理和功能需求，针对上面介绍的控制软件系统模型图， 软件设计的 模块包含的基本功能如下，主要有六大部分: (1) 刺绣举功能(2 ) 花样管理类功能 硕士论文绣花机电控系统电 机协调控制及主从机通讯研究 (3) 磁盘管理类功能 月砚 盘 花 样 显 示 (4 ) 参数设定类功能 辘助管理中的设，花样参效 胜盘花样物入内存 内 存花样输出到进盘 侧除陇盘文件 格式化低密盘 格式化高密盘 待补充 辅助管理中的绣框定位空 走 辐助甘理中的另外起点设， 辅助t理中的设里肠环纷开尹 关 辅助管理中的生成高速花样 参数设定类功能模块 磁盘管理类功能核块 侍补充 (5 ) 系统维护类功能(6 ) 接口 类功能 辅助管理中的断电框保护预设t 辅助管理中的断电据保护之恢复 辅助管理中的设定机胎参数 辅助管理中的中尹 英文显示切换 辅助管理中的机器刹车调整 其它 ( 日期 ，时间 ，显示颜色等) p c 了 1 0 4 总线访问 r s 闷 2 2 端口访问 谧 盘 管 理 usb访 问 接口类功能模块 待补充 系统维护类功能模块 州撇卜 充 通过上面的介绍， 我们电脑绣花机的电控系统有了 基本的了解。 下面将开始设计 本次学位论文的核心部分:主轴电 机控制、 x y步进电机控制、 三轴电机之间协调控 制、串口 通信以 及键盘管理机制，将分别下面的3 7 章给予详细的说明。 l l 硕 士 论 文绣花机电控系统电机协调控制及主从机通讯研究 3 主轴电 机动作的 研究 电 脑绣花机进行花样刺 绣时的 最小单 位是针迹， 包含 着绣框的 一次移 动和绣针的 一次刺布。 针 迹中 绣框移动的距离称为针迹步长。 由于绣框移动与 刺布动作是同时进 行的， 绣框的 移动发生在绣 针处 于布面以 上的时间 段。 因 此根据针 迹步 长的不同， 传 动绣针的 主轴电 机的转速需 要做相应的调 整: 步 长越大， 转速越低; 步长越小， 转速 越高。 通常将针迹步长数值 ( 0 一 1 2 7) 分成若干档， 每一 档有一 个主轴 转速与之对应. 当绣花机刺绣某针迹时， 主轴的 速度应自 动调整到 相应的 档位tgl 。因此， 主轴电机要 求具有较好的调速性能。 3. 1 几种主轴电 机性能介绍 根据电 脑绣花 机的 工作原理， 电 脑绣 花机的 主轴电 机主要是用来给旋梭、 针杆以 及挑线杆的运动提供动力源， 因此主轴电机的运动特征基本决定了整个电脑绣花机的 动作步调和动作的平稳性。 鉴于电脑绣花机的工作特点， 既不要求对主轴的每一个位 置都进行检测， 也不要求对其速度进行严格的控制， 只要求对主轴的某些特定的位置 ( 如零位，1 00。 针位上极点， 针位下极点等) 进行准确的 检测。因此主轴的控制电 机就有了多 种的 选择。 到目 前为止， 国内外的电 脑绣花机的主轴控制电机主要有以 下 几种: 滑差电 机、 交流变频电 机及交流伺服电 机。 下面简单 介绍一下这几 种主轴控制 电机的特点。 3. l i 滑差电 机 滑差电 机即电 磁调 速异 步电 动机， 它由 普 通鼠 笼型异步电 动机、 电 磁滑差离 合器 和电 气控制装置三部分组 成。 滑差电 机的 调速过程是由 是由 滑差离合器的 控制而实现 的。 所以， 滑差电 机的工 作原 理实际上是滑差离合器的工作原理101 。 利用电 气控制装 置平滑地调节滑差离合 器的电 枢激磁电 流， 通过电 磁感应原理， 就可以 实现无极地调 节感应子的旋转速度，达到调速的目的。 从交流电 运行理论 而知， 滑差离 合器的 机械特性曲 线硬度很小， 具有软的 机械特 性。 也就是在一定的激 磁电 流下， 转速随着转矩的增加 剧烈下降， 并且这种趋势随着 激磁电 流的减小而愈 加严重。 因此， 用此电 机 进行调 速拖动时， 不论带动哪种类型的 负载，转 速将随负 荷的 波动而变化，调速的工作稳定性差， 运行效率较低。 北京兴大豪公司的 b ecs 一 18 系列电 脑绣花机 就采用滑差电 机作为主轴控制电 机。 高 速运 行 时 噪 音 大 ， 且 只 能 调 高 速 到 70 0rpm 左 右 ， 否 则 容 易 损 坏 机 床 . 1 1 )交流变频电机 交流变频电机的一般特点l0jlllj : l 3 绣花机电控系统电 机协调控制及主从 机通讯 研究硕士论文 能与各 类高 性能脉宽调制型 变频器 相配合而且使 用时一 般不需要配用 外接滤 波器: 对电 机的电 磁负荷考虑了一定的裕 度，因 此可以 既能保证电机在高频时的 过 载能力，又能在 低频运行时 仍能 保持恒转矩输出; 考虑到变 频器的高电压上升率 对电 机绕组的冲击，因此 对绝缘结构设 计时除 了 采用国际上广 为使用的f 级绝缘外， 对电机的匝间 耐压试验应超过交流电 机的国家 标准规定; 为了 保证 在不同转 速下 均有较好的 冷却效果和保证电 机在 低频 运行时 仍能 保 持恒转矩输出， 电机单独装有轴流风扇强迫通风; 电动 机后轴端设计 有安 装测 速发电 机或光电 编码 器的 接口， 根据用户的 要求 可以 方便地安 装测速发电 机或光电 编码器; 另外交流变频电机不 但有较宽的调速 范围 而且效率相对较高， 价格与 交流伺服电 机相比也 要低很多. 大连理工大学的 贾智贤等人研究的绣花 机控制器就采用了 交流变频电 机作为主 轴电 机。 这种电 机 尽管其具有良 好的性能、 较低的成本、 较宽的 调速范围以 及较高的 运行效率。 3. i j交流伺服电 机 交流伺服电 机的 主要 特点是 惯量小， 转矩大， 控制 精度高， 可方便地获得与 频率 成正比的 可变速 度， 在低速运行时无 爬行， 无震 动， 调速范围 宽， 力矩 频率 特性 好， 同时电 机轴上自 带 有高分辨率的位置旋 转编 码器， 可方便地将电 机轴的 实际转角 反馈给驱动器， 在位置 环方式下构成一个闭 环位置 控制。 另外交流伺服电 机结构简单， 体积小， 运行可靠， 无需维护， 与其配套的 交流伺 服驱动器控制方式灵活， 适合多 种 用途的全数字化驱 动装置， 本身带 有 c pu 和人机 对话界 面， 可以 对其控制方式 ( 位 置控制、 速度控制、 转矩控 制方式 或组合控制方式) 和工 作参 数 ( 如位置环增 益、 速 度环增益、 速度环积 分时间常数、 速度前馈等) 进行设定，以 达到最优控制， 满足不 同 工况下调速系统的 稳定 性要求阴旧 贾 川 。 通过上面的介 绍， 综合比 较一下几种主轴电 机的 性能。 滑差电 机作为电 脑绣 花机 的主轴电 机在国 外已 经很少见到， 而由 于 整机成 本等原因， 国 产电 脑绣花机的主轴电 机一部 分仍为滑差电 机。 由于滑 差电 机本身的 调速稳定 性差， 维护成本高， 效率低等 缺点， 以 及它的 驱 动能 力不够， 不 利于系 统的 升级， 我 们不再 考虑滑差电 机作为电脑 绣花机的 主轴电 机。 至于交流变频电 机， 由 于它的运行 速度限 制， 主要应用于单头家 硕士论文绣花机电 控系统电 机协调控制及主从机通讯研究 用型绣花机中， 不利于系统的升级， 不能满足本次设计的多头商用电 脑绣花机控制系 统的要求， 不予采用。 选用交流伺服电 机做主轴电 机， 尽管产品 成本较高， 但是从长 远角度来看， 显然具备良 好的综合性能， 在国内 外的高档电 脑绣花机中 基本都采用交 流伺服电机作为主轴控制电 机。 由 此可见， 根据电 脑绣花机的 档次、 刺绣对象、 具体功能的 不同， 对于主轴控制 电机的要求也不同， 本项目 开发的电 脑绣花机为九头九针的工业用电 脑绣花机， 对控 制系统的性能要求比较高， 且以 后将升级到12头机乃至20头机， 因此选用交流伺服 电动机作为主轴控制电机是必要的。 3 2主轴电机动作原理 3 么1 主轴电 机的工作原理 在电 脑绣花机对一件绣品进行刺绣时， 主轴电 机配合光电 编码器、 上传动轴、 下 传动轴、 旋梭、 针杆传动机构以 及挑线机构等， 通过针杆和旋梭的 相互配合动作完成 刺绣过程。 刺绣时， 主轴电机将动力分别传给传动轴; 传动轴带动针杆和旋梭进行动 作。传动轴与伺服电机轴之间通过皮带相连，伺服电机的速度为传动轴速度的两倍。 在刺绣过程中， 旋梭旋转时， 梭尖勾住上线， 使上线在梭壳上滑过并与下线形成 一个线套，而传动轴则通过偏心凸轮和曲柄连杆机构带动滑块沿针杆轴进行上下滑 动， 从而带动针杆在一定动程范围内以 一定速度进行上下运动完成刺绣动作。 传动轴 在旋转的同时还带动相应的挑线臂凸轮及扇型齿轮， 使得扇型齿轮在一定角度 ( 大约 20。左右) 内 完成半转往复运动， 带动挑线杆作上下 运动 ( 由 于刺绣的需要， 挑线杆 的 上下运动速度有所不同， 向 下运动时 速度慢， 向 上运动时 速度快; 挑线杆的整个运 程约为5 5 mm 荀s lnm )， 适时收紧和放松绣线， 配合针杆完成整个刺绣工作，使针杆 和挑线杆之间始终保持着一定的 相位关系，从而有效地保证了 刺绣的 顺利完成181 。 ”二 主轴电 机的 起动 与停 车 我们通过三个信号位来控制主轴电 机动作: s p e e d ( 主轴调 速信号) 、 b r e a k ( 主 轴刹车信号)和5 1 人 r t( 主轴启动信号) 。它们均为低电 平有效， 主轴电机起动时， 需给s p e e d位送入脉冲信号，同时置s rfar t 位有效， b r e a k位无效;主轴电机停 车时，停止s p e e d位的脉冲输入，同时置s t a r t位无效， b r e a k位有效。主轴电 机起动的时候有个升速的过程， 停车时有个降速的 过程。 输入的控制脉冲了 、 号为方波。 根 据 下 面 介 绍的 硬 件定 时 器的 工 作 原理， 假 设 定 时 器 精 度设 为2 哪， 如果 设定 的 主轴 速度为600 rl m 加， 则对应定时 器计数缓冲区寄存器的值为34，当 主轴电 机要从 初始速度8 叼m in 升到6 0( 蒯 injn 时，系统要经过一 个升速的 过程。 将80600这个速 度范围 分为34个等分， 根据本硬件定时器的工作原理，定时器 计数缓冲区寄存器的 l 5 绣花机电控系统电 机协调控制及主从机通讯研究硕士论文 值每减一， 速度上升一级，保证大范围 升速时 伺服电 机的 平稳动作。 进行一个绣品的 刺绣过程中， 如果 遇到断线、 停止码、 结束码或者操作工拉杆停 车时， 主轴电 机都必须停车。 主轴电 机停车涉及到一个重要的 概念， 只要主轴电 机是 正常停车，主轴的停止位置应该在1 加. 。这就需要在停车前对主轴位置进行判断， 当系统检测到停车标志并且主轴转到1 00， 位置时， 给伺服电 机发送停车命令。 如果 此时 系统正以 较高的 速度运行， 如7 加rj 而n ， 则主轴电 机不能及时停车， 主轴电 机需 再空 转两圈 ， 以 保证主 轴停 车在1 00 。 根 据本 章第 三节介绍的 光电 编 码器工 作原理， 假设光电 编码器安装的 位置为: 光电编码器零位脉冲位置对应绣花机主轴的少 。 将 光电 编码器的0 以倪4 个脉冲孔与主轴0 3 6 0 0 一一对应起来， 通过下面的计算可知， 主轴1 00。 对应的光电 编码器脉冲数n 为: 。 习o 2 4 x ( 1 00令3 6 0 ) 二2 料。 由 于主轴停 1 00， 允许误差为土 2 50 ， 所以n 二 2 84土 7 ，通过找到光电 编码器该 范围脉冲计数值，以 此得到主轴1 00。位置。 下面介绍一下光电 编码器的工作原理。 幼 电 脑绣花 机中的 光电 编码器 光电 编码器是一种通过光电 转换将输出 轴上的机械几何位移量转换成脉冲或数 字量的传感器， 它是按照透射光原理工作的 码盘来实施光电 扫描。 这是目 前应用最多 的传感器。 光电 编码器的原理示意图 如下图3. 1 所示. 习j光电 编码器 光电 编 码器是由光 栅盘和光电 检测装置组成。 光栅盘是在一定直径的圆 板上有规 则地刻有若干个有透光 和不透光的长方形孔， 在光栅盘的两侧， 安 放发光元件和光敏 元件。 由 于 光电码盘与电 动机同 轴， 电 动机旋转时， 光栅盘与电 动机同速旋转， 光敏 元件接收的 光通量随透光线条同步变化， 光敏元件输出 波形经过放大整形后变为脉冲 信号， 码盘 上刻有相应标 志， 每转一圈输出 一个咏 冲， 通过计 算每 秒光电 编码器输出 脉冲的 个数就能反映当 前电动机的转速. 此外， 为判断旋转方向， 码盘还可提供相位 相差 90“的两路脉冲信号。本次软件设计中，可以通过读取 16 位 刀 0地址一 0 xl l 佣es 0 2 8 2 端口 的 值来得到光电 编码器的 计数值。 这 16位地址只使用了其中的低 1 0 位， 在读取端口 值时， 务必将高6 位置零， 避免影响计数值。 透镜 码盘 透镜先敏放大 硕士论文绣花机电 控系统电 机协调控制及 主从机通讯研究 圈3 . 1 光电 编码异原 理示 宜圈 根据检测原理， 编码器可分为光学式、 磁式、 感应式和电 容式四 种。 根据其刻度 方法及信号输出 形式， 可分为增量式、绝对式 及混合式三种 115 气 增量式编码器 增量式编 码器是直接利用光电转换原理输出 三组方波脉冲a 、 b和2相; a 、b 两组脉冲相位差9 。 。， 从而可方便地判断出 旋转方向，而2相为每转一个脉冲， 用 于基准点定位。 它的优点是原理构造简单， 机械平均寿命在几万小时以 上， 抗干扰能 力强， 可靠性高，适合于长距离传输。其缺点是无法输出 轴传动的绝对位置信息。 绝对式编码器 绝对式编码器是利用自 然二进制或循环二进制 ( 格雷码)方式进行光电转换的。 绝对式编码器与增量式编码器的不同之处在于圆盘上透光、 不透光的线条图形， 绝对 编码器可有若干编码， 根据读出码盘上的编码， 检测绝对位置。 编码的设计可采用二 进制码、 循环码、二进制补码等。它的特点是: 可以 直接读出角度坐标的绝对值; 没 有累积误差; 电 源切除后位置信息不会丢失。 但是分辨率是由二进制的 位数来 决定的， 也就是说精度取决 于位数， 目 前有10位、 14位等多种。 混 合式绝对值编码器 它输出两组信息: 一组信息用于检测磁极位置， 带有绝对信息功能; 另一组则完 全同增量式编码器的输出信息。 光电 编码器是一种角度 ( 角速度) 检测 装置， 它将输入给轴的角度量， 利用光电 转换原理转换成相应的电 脉冲或数字量， 具有体积小、 精度高、 工作可靠、 接口 数字 化等优点。 本项目 使用的6 f c 9 3 加召 k b oo 光电 编码器是一种增量式编码器。 鉴于电 脑绣花 机的抗千 扰性能力强、 高可靠性等需求， 选用增量式编码器. 下面简单介绍一下增量 式光电编码器的技术特性。 ”j增童型旋转编码器技术特性简介 增量型编码器的 轴每转动一周， 就提供一定数量的脉冲。 周期性的测量或者对单 位时间内的脉冲计数可以 用来测量移动的速度。如果在一个参考点后面脉冲数被累 加， 计数值就代表了 转动角度或行程的参数。 双通道编码器输出脉冲a 、 b之间相差 1 7 绣花机电控系统电机协调控制及主 从机通讯研 究硕士论文 90.， 能使接收脉冲的电 子设备接收轴的旋转感应 信号， 因 此， 可用来实现双向的定 位控制;另外，三通道增量型旋 转编码器每转一圈 便产生一个称为零位信号的脉冲 ( 2) 。 增量式编码器是以 脉冲形式输出的传感器， 其码盘比 绝对编码器码盘要简单得多 且分辨率更高。 一般只需要三条码道， 这里的码道实际上已 不具有绝对编码器码道的 意义， 而是 产生计数脉冲。 它的 码盘的外道和中间道 有数目 相同且均匀分布的透光和 不透光的扇形区 ( 光栅) ，但是两道扇区相互错开半个区。当 码盘转动时，它的输出 信号是相位差为9 00 的a相合b 相脉冲信号及只有一条透光 狭缝的 第三条码道所产 生的脉冲信号 ( 它作为码盘的基准位置，给计数系统提供一个初始的零位信号) 。从 a 、 b两个输出 信号的相位关系 ( 超前或滞后) 可判断旋转的 方向。当 码盘正转时， a通道波形比b通道超前成;而反转时，a通道波形比b通道滞后侧 2 . 3 .4主轴电 机速度和 位置的 侧 量研究 主轴电 机的 速度快慢及是否稳定直接关系到绣品 质量的 好坏， 不同的绣品需要以 不同的主轴速度进行刺绣， 能否较为准确地测量主轴电 机的速度并给以反馈， 影响到 软件开发人员 对速度的 控制。 主轴电 机是带动针杆的 上下运动以 实现针杆与旋梭之间 的配合来进行刺绣的， 主轴的 位置直接对应这针杆的 位置， 编程人员需要根据当 前主 轴的位置来判断移框的时间来完成一针代码信息的刺绣。下面将就这些方面进行研 究。 3.4.1通过 侧量光电 编 码器的 抽出 脉 冲数 来计算 主轴 速度 光电编码器连接在带动电 脑绣花机主轴动作的伺服电 机轴上。 它的上面上有 1 0 2 4个脉冲孔， 其中 有一个为 零位脉冲孔，它比 一般的脉冲 孔要宽。 一旦零位脉冲 孔检测到脉冲 信号， 即 把脉冲计数器清零， 下一周期 从0 开始计数。 假设1 秒内 检测 到1 0 2 叨个 脉 冲， 则 主 轴 速 度 为s p eed二 60 x (1 0 2 4 0 令 1 0 2 4 ) = 6 的 ( r/ 珑 山 户 。 由 于 零 位 脉 冲的宽 度要比 一般的 脉冲宽 度宽， 而且根据光电 编码器的原理， 每来一个零位脉冲， 主轴电 机转一圈， 因此可以 通过测量零位脉冲数来计算主轴速度。 假设1 秒钟内 检测 到10个 零 位 脉 冲， 则主 轴 速 度为s p e ed = 60x 10= 6 加州 11五 n ) 。 实验中需要 使用示 波器来观测脉冲的输出 个数， 比 较麻烦。 这种方法多用于变成 人员调试过程中使用。 3. 4. 2 硬 件 定 时 器 侧 量主 轴电 机 速 度 1 .基本原理 s3c 2 4 1 0a 集成有3 个可供用户使用的硬件定时器右 功 曰 心 ， 舫 m 成 1 ， 毛 m e r z。 l 吕 硕士论文绣花机电控系统电 机协调控制及主从机通讯研究 具体的硬件定时器的原理介绍在第五章中 将会有详细介绍。 任一硬件定时器精度均可 精 确到1 0 哪。 任选 其中 一 个硬 件 定 时 器， 将 其 定时 间 隔 设 为1 00 娜。 鉴于 每 来