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硕士论文 电脑绣花机绣框运动研究与实现 摘要 随着电子技术和精密机械技术的发展及应用而逐渐发展、成熟起来的电脑绣花机是 当代最先进的绣花机械，它使传统的手工绣花得到高速度、高效率的实现。电脑绣花机 最核心的控制技术在于对绣框电机和主轴电机的协调运动控制。从控制角度说，绣框电 机控制好坏是对刺绣产品质量影响最大的一个因素，因此绣框运动的研究一直是研究的 重点和难点。 本文针对刺绣中存在的绣框电机丢步或过冲、刺绣断线率高、以及运行噪音等问题， 重点展开对绣框系统的研究。主要研究工作如下： ( 1 ) 结合绣框系统控制要求深入分析绣框步进电机的工作机理，并在此基础上建立 其数学模型；针对绣框步进电机模型非线性的特点，采用模糊p i d 控制方案对其进行控 制；综合具体控制模型和控制方案，在m a t l a b 仿真环境下进行仿真，验证了控制方案的 正确性和优越性：根据仿真效果总结了位置偏差e 、位置偏差变化率趴比例系数变化 量a k 。、积分系数变化量a k ，、微分系数变化量a k 。各自隶属度函数的选取规则。 ( 2 ) 依据绣框步进电机的矩频特性，着重研究其最佳启动频率、最佳升降曲线、最 佳运行频率，得出各自寻求最佳值的具体方法，进一步优化了绣框电机的速度控制曲线， 并给出了速度曲线的离散化方法。 ( 3 ) 通过分析花样文件格式和绣花机系统的协调控制原理，结合上述研究理论优化 了花样控制信息转换算法，并应用该算法的转换信息实现了绣花机的刺绣控制；此外， 设计了一种新的绣框系统控制方法，弥补了现有绣框控制方法的不足。 关键词：绣框系统，数学模型，协调控制，模糊p i d ，速度曲线 a b s t r a c t c o m p u t e r i z e de m b r o i d e r ym a c h i n ei so n eo ft h em o s ta d v a n c e de m b r o i d e r ym a c h i n ed u e t 0i t su s eo fe l e c t r o n i ct e c h n o l o g ya n di n t e g r a t i o nt e c h n o l o g yo fm e c h a n i c sa n de l e c t r i c s i t h a sm u c hg o o dw o r kp e r f o r m a n c es u c ha sh i 曲i n t e l l i g e n c e ，h i 曲e f f i c i e n c y , h i 曲p r e c i s i o n a n ds oo n t h ec o o r d i n a t ec o n t r o lo fs e r v e rm o t o ra n dt a b o r e tm o t o r si so n eo ft h em o s t i m p o r t a n tt e c h n o l o g i e s t h ec o n t r o lo ft a b o r e ts y s t e md e c i d e sw h e t h e rt h ep e r f o r m a n c ei s g o o do rn o t s ot h er e s e a r c ho ft a b o r e ts y s t e mi sc o n s i d e r e da sad i f f i c u l ta n di m p o r t a n t p r o b l e m t h et a b o r e ts y s t e mr e s e a r c hi sc a r r i e do u tf r o mt h ea s p e c t so fo v e r s h o o t ，l o s ts t e pa n d l i n eb r e a k i n g t h em a i nr e s e a r c ha r el i s t e da sf o l l o w s ： ( 1 ) t h em a t h e m a t i c a lm o d e li sg i v e nb a s e do nt h eb a s i cw o r k i n gp r i n c i p l eo ft h es t e p m o t o r a c c o r d i n gt ot h en o n l i n e a rc h a r a c t e r i s t i co ft a b o r e ts t e p - m o t o rm a t h e m a t i c a lm o d e l ， t h ef u z z y - p i dc o n t r o lm e t h o di sp r o p o s e di n t h i s p a p e r i tm a k e sas i m u l a t i o nr e s e a r c h c o m b i n e dw i t ht h em a t h e m a t i c a lm o d e la n dt h ef u z z y - p i dc o n t r 0 1m e t h o di nm a t l a b t h e s i m u l a t i o nr e s u l t ss h o wt h a tt h ef u z z y - p i di sb e t t e rt h a np i d w eh a v eg o tt h em o r ea p p r o p r i a t e m e m b e r s h i pf u n c t i o n so fe ，a e ，拭p ，斌ia n d 拭do nt h eb a s i so fs i m u l a t i o ne f f e c t ， w h i c ha l s op r o v i d eas e r i e so fs e l e c t i o nr u l e s ( 2 ) t h et o r q u e f r e q u e n c yc h a r a c t e r i s t i co fs t e p p e rm o t o ri sa n a l y z e d t h eo p t i m u m s t a r t - u pf r e q u e n c y , t h eo p t i m u ms p e e dr i s e d o w nc u r v e dl i n ea n dt h eo p t i m u mr u n n i n g f r e q u e n c ya r ee m p h a t i c a l l ys t u d i e d a n dt h e n ，t h et a b o r e tm o t o rs p e e dc o n t r o lp e r f o r m a n c e h a sb e e no p t i m i z e di nag r e a td e g r e e i n a d d i t i o n ，t h es p e e dr i s e d o w nc u r v e dl i n e d i s c r e t i z a t i o nm e t h o di sg i v e n f i n a l l y ( 3 ) t h ec o o r d i n a t e dc o n t r o lp r i n c i p l eo ft h ee m b r o i d e r ym a c h i n ei sa n a l y z e da n dp a t t e r n c o n t r o lt r a n s f o r m a t i o na l g o r i t h mi sa l s op r e s e n t e da tl a s t t h ec o m p u t e r i z e de m b r o i d e r y m a c h i n ec o n t r o lh a sb e e ni m p l e m e n t e db yt h ei n f o r m a t i o nt r a n s f e r r e d m e a n w h i l e ，an e w t a b o r e ts y s t e mc o n t r o lm e t h o di sd e s i g n e d ，w h i c hi m p r o v e st h ee x i s t i n gc o n t r o lm e t h o d k e yw o r d s ：t a b o r e ts y s t e m ，m e c h a n i s mm o d e l i n g , c o o r d i n a t e dc o n t r o l ，f u z z y - p i d ， n s p e e dc o n t r o lc u r v e dl i n e 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已在论文 中作了明确的说明。 研究生签名：圣望尘 研年月亨。e t 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。 研究生签名：砷年6 月夕e l 硕士论文 电脑绣花机绣框运动研究与实现 1 绪论 本章首先介绍了课题的研究背景及意义；其次阐述了国内外电脑绣花机及其电控系 统的发展现状；最后给出了本文主要研究内容及章节安排。 1 1 课题的研究背景及意义 人们随着生活质量的提高，对服饰的要求已不仅仅是温暖舒适，而且还要求美观、 时尚。我国的工艺刺绣产品在世界上拥有较高的地位，近年来随着刺绣产品的越来越受 欢迎，市场需求也逐日增大。但是传统手工刺绣质量好坏取决于绣工技术水平的高低且 工作效率低、价格昂贵，所以整体质量无法得到保证，不能满足日益增长的市场需求。 如今，随着电子技术、计算机技术以及精密机械的发展和应用而逐渐发展、成熟起来的 电脑绣花机可以解决以上问题。 高自动化、高生产效率的电脑绣花机不仅能使传统的手工刺绣得到高速度、高效率 的实现，而且还能实现手工刺绣无法达到的多层次、多功能、统一性的要求。近年来无 论是国际市场还是国内市场，对电脑绣花机的需求量一直居高不下。我国电脑绣花机起 步比较晚，在机械方面的加工精度和工艺水平及电控系统的运动控制性能、运行效率和 故障发生率等方面与国外都有较大的差距。因此不断采用新技术开发高性能的电脑绣花 机成为国产绣花机占领国内外市场的必然要求，开发高性能的电控系统具有很好的应用 前景和重要的现实意义。 电脑绣花机最核心的控制技术在于对绣框电机和主轴电机的协调运动控制。绣框在 工作中的移动轨迹就是一副完整的刺绣图案，从控制的角度来说，绣框电机控制的好坏 是对刺绣产品质量影响最大的一个因素。如何在保证电脑绣花机工作效率的同时降低断 线率、减小噪声、防止绣框电机的丢步和过冲以保证刺绣精度一直是绣花机电控系统研 究的重点与难点问题。因此本文研究的绣框运动控制在电脑绣花机的控制中占有重要地 位。 1 2 电脑绣花机及其电控系统发展现状 1 2 1 电脑绣花机的发展现状 电脑绣花机最早在国外兴起，目前世界上著名的电脑绣花机生产厂家有德国蔡斯克 ( z s k ) 公司、百福( p f a f f ) 公司、日本田岛( t a j i m a ) 公司、百灵达( b a r u d a n ) 公司 等1 1 。我国在8 0 年代初引进了日本、德国生产的绣花机，8 0 年代末自行开发研制成功 自己的绣花机。1 9 9 9 年，深圳富怡从事绣花机生产、打版软件设计、网络系统等业务， 1 绪论硕士论文 建立起全国性的销售和网络支持系统，这对于我国的绣花机产业具有重大的意义。发展 至今，出现了诸如深圳富怡、北方天鸟、江苏通力、武汉佳美等一批绣花机知名的生产 企业。国产绣花机有着良好的性价比优势，但在机械结构的用材、加工精度和工艺水平 上与国外同类机种相比尚有一定的差距。一些有实力的大公司凭借其雄厚的物质基础和 强大的技术研发能力，牢牢掌握着各种核心技术，因此与世界先进水平的绣花机相比我 国国产绣花机还存在很大的差距。而且国内众多厂家着重于数量和价格的恶性竞争，盲 目追求利润，导致绣花机出1 2 1 产品以中低端为主，采用高新技术的高端产品较少。 电脑绣花机是集机械、嵌入式技术于一体的高科技数控产品，其机械结构设计和电 控系统的开发是相辅相成的，因此要提高电脑绣花机的整体性能，可以从机械结构和电 控系统两方面着手。 机械结构方面，目前的电脑绣花机已形成规模效应，各项配套设备已形成标准生产， 其成本几乎已达到最低。短时间内在机械方面有较大的改进与技术突破比较困难，当然 要做到各原配件生产厂商和电控器生产厂商的充分沟通，需要消耗较多的成本和时间。 因此从机械方面考虑提高电脑绣花机的性能显得比较困难【2 】。 电控系统方面，目前国内生产电脑绣花机电控部分的企业只有深圳的富怡和北京的 兴大豪两家公司，相比于电脑绣花机的机械部分，电控器的开发有更大的市场前景。同 时随着电子技术和计算机技术的发展，特别是嵌入式技术的发展使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【2 】。 目前，一些发达国家刺绣设备制造企业相继推出了一系列的智能型电脑绣花机。日 本推出的l z 2 2 9 0 a s r 7 自动剪线曲折线迹平绣机，其控制系统采用了新型的嵌入式及 光电控制技术，用户可根据设定参数进行高速压缩绣、连续绣以及倒绣作业，采用的嵌 入式l c d 图形显示模式，可方便灵活地显示定制绣花形状、针位信息、刺绣进度等， 大幅度提高了生产效率和产品的智能性。因此，绣制种类多样化、控制参数精确化、数 据加载网络化、操作界面人性化将成为新一代绣花设备的主流发展趋势【3 】。 1 2 2 电脑绣花机电控系统发展现状 绣花机的电控系统是实现各方面刺绣功能的灵魂，对电控系统的研究一直是研究的 重点与难点问题。在国外，著名的绣花机商家有韩国的s w f 、日本的田岛和百灵达绣 花机械有限公司以及德国的蔡斯克( z s k ) 。他们所生产的电脑绣花机技术优势在于其高 效、可靠、功能多样等方面。其能发展到这种程度，除了在机械方面的优势外，与绣花 机的先进电控系统是分不开的。在绣花机精密机械平稳运行的基础上，国外绣花机生产 厂商不断采用新的控制技术，使得其绣花机整体性能得到迅速提高。 在国内，国产绣花机有着良好的性价比优势，但无论是机械的精准度，还是电控的 稳定性等方面，与国外绣花机都存在一定的差距。目前国内开发电控部分的厂家屈指可 2 硕士论文电脑绣花机绣框运动研究与实现 数，以北京兴大豪电脑控制设备有限公司的产品为最，其产品在国内外已处于较为先进 的地位。然而，为赶上国外先进的技术，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存在一定的困难。因此，若要提高系统的运行速度，实现多任务 实时控制，就必须采用先进的硬件平台和完善成熟的操作系统进行管理。因为这不但有 助于系统升级，而且也为系统的维护带来很大的方型4 1 。 当前国内外先进的绣花机控制系统多采用以下几种结构【6 】【7 】： ( 1 ) 采用已开发好的工控主板，利用工控主板提供的接口和可重用模块实现控制逻 辑要求。这样可以简便设计，缩短开发周期，降低开发难度，保证可靠性。 ( 2 ) 以d s p ( d i g i t a ls i g n a lp r o c e s s i n g ) 为主控制器，结合外围电路组成控制系统，利 用d s p 运算速度快、丰富的片内外设接口、大容量的片内f l a s h 等特点达到实时精确 控制的目的。 ( 3 ) 基于a r m 微处理器的嵌入式系统，其中软件的可重用模块较多，且有一些a r m 微处理器已经内嵌u s bh o s t 模块或l c d 控制器等模块，所以能够直接控制大多数常 用外围设备。这样大大降低了产品成本，缩短了开发周期。另外，移植嵌入式实时操作 系统使重要事件响应的速度提高，实现了实时控制。 1 3 本文的研究内容及章节安排 本文的目的在于进一步改进绣框运动控制中存在的问题，以提高绣花机的绣框运行 性能，改善刺绣花样质量。具体针对绣框电机丢步或过冲、刺绣断线率高、以及运行噪 音等问题，展开了对绣框系统的研究。本论文共分为6 章，章节安排如下： 第一章：绪论。首先简要介绍本课题的研究背景及意义；其次阐述了国内外电脑绣 花机及其电控系统的发展现状：最后对本文的研究内容和组织结构进行了说明。 第二章：绣框运动背景知识研究。首先简要介绍了电脑绣花机的工作流程；其次对 电脑绣花机的机械结构及各部分运动原理进行了详细阐述；再次给出了系统的相关硬件 结构及i o 口定义；最后根据绣框电机选型方法选定合适的步进电机并提出绣框运动控 制中存在的若干问题，从而引出本论文的研究内容。 第三章：绣框电机系统分析与研究。首先结合绣框运动的特点，分析了绣框步进电 机的基本工作原理，并建立了步进电机数学模型；其次针对绣框步进电机模型非线性的 特点，采用了模糊p i d 控制方案对其进行控制；最后为了简化研究，将建立的数学模型 线性化为一般二阶系统，结合电机参数在m a t l a b 环境下进行了仿真研究。 第四章：绣框电机速度控制研究。为了使绣框平稳运行，本章着重对步进电机的速 度控制进行研究。此章从步进电机的矩频特性出发，考虑相应的动力学方程，进而得到 符合矩频特性的升降速曲线、最佳启动频率、最佳运行频率，为优化绣框电机的速度控 制曲线提供了坚实的理论基础，最后给出了速度升降速曲线的离散化方法。 3 i 绪论 硕士论文 第五章：绣框电机运动优化与实现。本章主要研究绣框电机控制实现问题。首先分 析了绣框电机的运行特点及与主轴电机的协调控制原理；其次依据第四章研究的速度控 制理论，设计了刺绣控制信息的转换算法，优化了整体运行速度；最后给出了一种基于 已转换控制信息实现绣框电机与主轴电机协调运动控制的方法，然后结合绣框电机闭环 控制思路，提出了一种运用模糊p i d 算法控制绣框电机的新思路和方法。 第六章：总结与展望。对全文的工作进行总结，并在本文研究的基础上对进一步要 解决的问题提出了建议和展望。 4 硕士论文电脑绣花机绣框运动研究与实现 2 绣框运动背景知识研究 本章首先详细阐述了电脑绣花机的总体工作流程及各部分的工作原理；其次简要介 绍了系统的硬件结构及i o 口定义；再次根据电机选型方法选定了绣框执行电机；最后 指出了刺绣过程中绣框运动控制存在的问题。 2 1 电脑绣花机的工作流程 电脑绣花机的工作原理类似数控机床，首先用户通过打版软件得到花样文件，其次 通过u 盘将花样文件传送到磁盘驱动器中。此时，用户可以通过主控界面选择要刺绣的 花样，并等待确认。当按确认键以后，控制器将对选中的花样文件进行解码，转换成绣 框电机、主轴电机的运动控制信息。当系统进入运行状态后，控制器分别对x 轴、y 轴 及z 轴进行速度和位移控制。x 轴、y 轴步进电机将绣框面料上每个待绣点送往主轴绣 针下等待刺绣。主轴伺服电机带动机针上下运动，并与绣框移动的方向、移动量以及移 动速度进行协调配合绣出花样图案。刺绣过程中，绣框只有在机针离开布面到机针进入 布面的过程才允许移动，否则绣针会划破绣布发生绣针折断从而无法进行刺绣【6 】【引。当 遇到换色代码时，启动换色电机，通过传动机构带动针杆箱移动，把穿有其它颜色线的 针换上继续刺绣。其工作流程如图2 1 所示： 2 2 电脑绣花机的工作原理 图2 1 绣花机工作流程图 电脑绣花机的机械方面可以分为移框部分、刺绣部分、换色部分、勾线、剪线、扣 线部分等，其中以移框部分和刺绣部分最为重要。 2 2 1 绣框部分的工作原理 绣框由两组互相垂直的同步齿形带驱动，采用平面直角坐标定位方式。同步齿形带 通过) ( ，y 轴步进电机带动。滑车固定在同步齿形带上，随同步齿形带作直线运动，为克 服齿形带的柔性，导轨被设成v 型，滑车上装一滚子，滚子的外圆嵌入框架的滑槽中， 气 2 绣框运动背景知识研究 硕士论文 这样，框架就可以随着同步齿形带作直线运动，而对与该方向垂直的另一运动，由于滚 子只嵌入框架的滑槽，因此，对滑槽方向的运动不产生约束，通过两组这样结构的配合 传动，就可以使框架做任意要求的平面移动【9 1 0 电脑控制部分依照由花样文件转换的x 轴、y 轴速度和位置信息分别控制x 、y 方向的步进电机，从而使步进电机带动绣框完 成规定步距运动。这一部分的动作过程可用图2 2 简单表示为： hx 轴电机驱动器hx 轴电机卜咂h 兰竺卜 l 主控器卜恒 叫y 轴电机驱动器hy 轴电机卜_ 怔圃卜母 图2 2 绣框工作原理图 2 2 2 刺绣部分的工作原理 刺绣部分由主轴电机、光电编码器、码盘、上下传动轴、旋梭、针杆传动机构、挑 线机构等组成，通过针杆和旋梭的相互配合动作完成刺绣过程。刺绣时主电机通过皮带 将动力传给上轴和下轴；上轴和下轴之间则通过同步齿形带进行同步传动，以确保转速 的一致性【1 0 】【l i 】。下轴通过梭座上的一对锥齿轮以2 ：l 的变比将转速提高到上轴转速的两 倍，带动旋梭以高速进行旋转，同时通过锥齿轮将旋转方向变换9 0 。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，而上轴则通过 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的行程 范围内以一定速度进行上下运动完成刺绣动作【1 2 】【13 1 。上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2 0 0 左右) 内完成半转往复运动， 带动挑线杆作上下运动，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【4 1 ，从而有效地保证了刺绣的顺利完成。这一部 分的动作过程可用图2 3 简单表示为： 图2 3 刺绣工作原理图 2 2 3 辅助部分的工作原理 由于高度自动化高度智能的要求，刺绣过程中除了以上两个主要机械部分之外，还 有其它几个辅助部分：即换色、勾线、剪线、扣线部分。 ( 1 ) 换色部分：对多针机头而言，通过换针来进行换色。绣针上所穿的绣线颜色各 不相同，刺绣过程中的换色实际上是一种换针行为。绣花机中的换色系统在结构上由三 6 硕士论文电脑绣花机绣框运动研究与实现 部分组成：换色电机、针杆箱、换色箱。控制器通过控制换色电机转动和针位置的检测 来实现换色功能。当刺绣过程中需要换色时，电控系统控制换色电机转动，带动换色箱 中的凸轮轴旋转，滚轮沿凸轮槽移动到一定位置，带动换色杆做水平移动，进而带动针 杆移动到相应位置完成换色动作。换色电机采用半回转光电检测、霍尔传感器定位双重 检测确保了定位精准。换色时，系统不停的将目标针位与当前针位相比较，当换色到位 时，立即制动换色电机，从而表明换色到位；否则换色电机继续运行【8 】。 但) 勾线、剪线、扣线部分：剪线动作和勾线动作采用减速电机带动剪线连杆和勾 线连杆来完成剪线动作与勾线动作。扣线是将底线扣住使其不能转动，而勾线是为了将 绣针与绣布的连线拉紧有利于剪线顺利进行。当需要剪线时，主控系统首先将扣线电磁 铁吸合，此时扣线连杆扣住底线使其不能转动；然后开启勾线电机，当勾线连杆将勾刀 带动到指定位置时，再开启剪线电机，在勾刀拉紧连线时剪线连杆带动剪刀将连线剪断； 最后勾刀将上线勾回到尼龙塔扣内，保持住上线以免脱出针孔。随后，接近开关检测到 剪线和勾线回位时，立即制动剪线电机和勾线电机，并发送信号使扣线电磁铁释放瞄j 。 至此，剪线操作完成，系统可以继续刺绣工作。其动作过程可用图2 4 简单表示为： 2 3 电控系统硬件介绍 图2 4 勾、扣、剪线工作原理图 系统硬件是保证绣花机控制系统运行的基础保证，由上节绣花机工作的基本原理可 知，绣花机必须有刺绣、移框、换色、剪线、断线检测、人机界面交互、花样文件传送 等基本功能。由绣花机的功能要求，可得硬件控制部分的基本方案如图2 5 所示： 7 2 绣框运动背景知识研究硕士论文 图2 5 主控电路结构图 本系统采用的是由北京飞旭科技有限公司设计开发的f s p a m 2 4 1 0 e v e r l 2 计算 机板。主处理器为三星公司的$ 3 c 2 4 1 0a r m 处理器，其内嵌a r m 9 2 0 t 核，带有全性 能的m m u ，具有高性能、低功耗、低成本、小体积等优点。f s p a m 2 4 1 0 e v e r l 2 计 算机板是专门针对常温环境下的嵌入式应用开发的一款a r m 计算机板，其接1 2 1 丰富， 非常方便进行各种低功耗的设备应用开剔8 】【4 3 】。本系统所采用的核心板中的p c i 0 4 总线 为1 6 位，共有1 0 4 个总线管脚。采用c p l d 来实现地址译码、逻辑控制、数据传送等 功能【1 4 】。在p c i 0 4 总线的控制下，信号转接板更简洁、更有效的管理和控制着外围设 备。 根据总体设计方案及系统要求，定义四个地址来完成控制任务。其中地址 0 x 1 1 0 00 2 8 0 和0 x 1 1 0 00 2 8 2 用来读取外部数据，通过查询获取外部动作状态信息。地 址0 x 1 1 0 00 2 8 0 所对应的1 6 位数据总线具体定义如表2 1 所示。地址0 x 1 1 0 00 2 8 2 对应 一个1 6 位计数寄存器，作为光电编码器脉冲计数，用它来读取主轴的具体运转位置； 另外两个地址0 x 1 1 0 00 2 8 8 、0 x 1 1 0 00 2 8 a 是用来写数据的地址，它们实现系统控制信 号发送，具体定义分别如表2 2 、表2 3 所示。 表2 1i o 地址：o x l l 0 00 2 8 0 信号定义 硕士论文电脑绣花机绣框运动研究与实现 信号说明： a l ：步进电机驱动器报警信号( 高有效)j x j c ：剪线回位信号( 低有效) k x j c 扣线回位信号( 低有效)g x j c ：勾线回位信号( 低有效) y + 、v 、x + 、x ：绣框限位开关( 低有效)s t o p 停机拉杆开关( 低有效) s l o w ：慢动拉杆开关( 低有效)w o r k ：启动拉杆开关( 低有效) h a l f ：针位半回转信号( 低有效)n 3 - n 0 ：针位编码信号( 8 4 2 1 码) 表2 2i o 地址：0 x 1 1 0 00 2 8 8 信号定义 信号说明： z b r e a k ：主轴刹车信号( 低有效)z s t a r t ：主轴启动信号( 低有效) y f r e e ：y 轴驱动使能信号( 低有效)y d i r ：y 轴运动方向信号( 低有效) x f r e e ：x 轴驱动使能信号( 低有效) x d i r x 轴运动方向信号( 低有效) 表2 3i o 地址：0 x 1 1 0 00 2 8 a 信号定义 信号说明： h s q d ：换色电机启动停止( o 一启动；卜停止) h s ：反向换色控制信号( 低有效) h s + ：正向换色控制信号( 低有效)j x - 剪线信号控制( 低有效) k x ：扣线控制信号( 低有效)g x - 勾线控制信号( 低有效) 在p c i 0 4 总线中，i r q 3 、i q r 4 、i r q 5 分别连接断线检测信号、光电编码器零位脉 冲信号、断电检测信号。本核心板中通过a r m 8 0 扩展总线扩展了s p i 、1 2 c 、1 2 s 、p w m 接口。通过p w m 接口的扩展，可以方便的控制电机。p w m 输出信号是由4 个内部定 时器时钟输出引脚发出的，每个定时器一次定时即可发出一个完整的脉冲。通过设置相 关的寄存器可以确定脉冲的占空比和频率。因此，该方式避免了过去利用程序写数据来 发脉冲的繁琐，并且在效率和可靠性方面也占有相当优势【8 】o 2 4 绣框电机及驱动器的选择 由于步进电机的角位移与输入脉冲数严格成正比，步距误差不长期累积，具有控制 灵活、起停迅速、工作可靠、可以用数字信号直接进行开环控制等特点，故在精度要求 不高的场合，可以选用步进电机。电脑绣花机绣框的驱动电机通常为步进电机【1 5 】【1 6 1 。当 然，在国外的电脑绣花机中，某些绣框的驱动电机采用交流伺服电机，目的是通过采用 9 2 绣框运动背景知识研究 硕士论文 更高瞬态响应速度和更高运行平稳性的交流伺服电机提高机器的运转速度和降低机器 的运转噪音，从而提高机器的整体性能【1 7 】【4 l 】。但从电脑绣花机的工作原理来分析，绣框 的驱动不要求有很高的位置精度和速度精度，具体的定位精度在o 1 m m ，这在一般的机 械导轨运动中通过步进电机是不难实现的。在绣针离开布面和绣针要扎到布面之间的时 隙完成移框动作，这在主轴的高速运转下，要求绣框电机频繁地完成“启动运行停 止一启动”的动作。因此如何提高绣框电机的瞬态响应速度而不造成丢步或过冲，并且 在加减速过程中减少由于载荷波动而引起的震动和噪音等成为解决问题的关键【18 1 。对于 交流伺服电机而言，由于其自身的综合优点，比较容易就能够满足该方面的要求。但是 其本身的高价格和伺服驱动器的高成本及其控制的复杂性则成为在国内极少使用交流 伺服电机的根本原因。为此，我们通过选择合适的步进电机和研究适合的控制方法来解 决以上问题。 2 4 1 绣框电机的选型 步进电机最主要的三大要素为步距角( 涉及到相数) 、静转矩及电流，一旦三大要素 确定，步进电机的型号便基本确定。因此，步进电机的选择方法如下： ( 1 ) 步进电机的运动方程 在不考虑粘性摩擦及作直线加减速的情况下，步进电机的运动方程为： ， 乙= ( 厶+ 以) 吃华+ 互 ( 2 1 ) t o 式中，l 电机转子的转动惯量； ，惯性负载折算到电机轴上的等效转动惯量； z 负载转矩； l 电机输出电磁转矩； 厶目标频率； 靠加速时间； 只步距角。 ( 2 ) 计算目标频率厶 1 9 】 目标速度是电机完成加速过程后的运行速度。由于绣花机在刺绣过程中绣框电机转 速是随针距的不同而时刻变化的，所以目标速度也随之变化。选电机时仅用绣框最高转 速即可。 ( 3 ) 负载转矩五 绣花机的负载转矩是步进电机启动时克服的摩擦力产生的摩擦转矩。 ( 4 ) 加速转矩 加速转矩表达式如下： 1 0 硕士论文 电脑绣花机绣框运动研究与实现 疋= ( ，。+ 以) 。吼- 盘t o ( 2 2 ) 加速转矩与惯量有关，负载折算到电动机轴上的负载惯量，其计算公式为： 1 以= 吉负载重量( d 2 - d 2 ) ( 2 3 ) o 式中，d ，d 负载的内、外径。 当加速转矩表达式中的各项参数均为已知，则加速转矩可知。 ( 5 ) 需要的运行转矩 运行时的转矩为： t = 互+ 瓦( 2 4 ) ( 6 ) 电机类型及步距角的选择 在绣花机的进给机构里，步进电机是作为驱动系统的执行元件使用。选择步进电机 一般要考虑其机械特性、加减速时问常数和脉冲当量。由步骤( 1 ) ( 5 ) 可以计算出对应不 同目标速度的负载转矩、加速转矩、运行转矩，据此可以初步选择步进电机。此外，电 机的步距角取决于负载精度的要求，将负载的最小分辨率( 当量) 换算到电机轴上，每个 当量电机应走多少角度( 包括减速) ，电机的步距角应等于或小于此角度。根据本系统要 求，步进电机脉冲当量为o 1 m m ，电机初选为三相反应式步进电机，工作方式为六拍， 步距角为1 2 度。 ( 7 ) 最大静转矩的选择 最大静转矩较大的电机，可以带动较大的负载转矩。负载转矩和最大静转矩的比值 通常选为o 3 - 0 5 。 ( 8 ) 电流的选择 静力矩一样的电机，由于电流参数不同，其运行特性差别很大，其可依据矩频特性 曲线图，判断电机的电流。 结合绣花机绣框驱动要求、成本及以上参数分析，本系统预选用电机型号为 1 3 0 b c 3 1 0 0 a 的步进电机。该电机基本参数如表2 4 所示： 表2 4 绣框电机参数 2 4 2 驱动器的选择及接线 由于步进电机绕组上所加的电源与一般交流或直流电动机不同，既不是正弦交流， 也不是恒定直流，而是脉冲电压，因而不能把电动机直接接到普通的交直流电源上运行， l l 2 绣框运动背景知识研究 硕士论文 必须配备一定的驱动器。步进电动机系统的性能不仅与电机本身有关，而且与驱动器的 性能也非常密切。为了使步进电机系统的分辨率大大提高，并减小电机噪声和振动，可 采用细分驱动将一个步距角细分成若干步走。因此，驱动器选择也是一项非常重要的工 作。 在选择步进电机驱动器时需要考虑以下几个方面： ( 1 ) 指标要求：电源类型及电压等级、驱动方式、励磁方式、辅助功能、保护功能； ( 2 ) 输入输出要求：输入信号的电平、逻辑、脉冲宽度；输出信号的励磁序列、电 压、电流： ( 3 ) 驱动器的加减速率。 综合以上三点，我们选择与1 3 0 b c 3 1 0 0 a 相匹配的三相反应式步进电机驱动器 b d 3 6 n 。驱动器与控制器的连线示意图如图2 6 所示。 驱动器的输入信号有三个，分别是步进电机脉冲信号c p 、方向电平信号c w 、使 能信号e n 。步进脉冲信号c p 由主控制器发出，用于控制步迸电机的位置和速度，即驱 动器每从控制器接收一个c p 脉冲就驱动步进电机旋转一个步距角( 细分时为一个细分 步距角) ，c p 脉冲的频率改变则同时使步进电机的转速改变。而控制主控器发出的c p 脉冲的个数，则可以使步进电机精确定位。当然对c p 的脉冲宽度也有一定的要求， 图2 6 驱动器接线不恿图 所以在主控制器设置定时器参数时，要严格按照驱动器的说明书来设置。方向电平信号 c w 用于控制步进电机的旋转方向。此端为高电平时，电机为一个转向，为低电平时， 为另一个转向。电机的换向必须在电机停止后进行，并且换向信号一定要在前一个方向 的最后一个c p 脉冲结束后以及下一个方向的第一个c p 脉冲前发出。e n 端加低电平时， 电机响应c p 端的输入脉冲运行：当c p 端没有信号时，电机处于半流锁定状态。e n 端 悬空时，驱动器切断电机各相的电流使电机轴处于自由状态，此时步进脉冲c p 不被响 应。驱动器的输出接三相反应式步进电机，其接线需要严格按照驱动器上的接线图进行。 2 5 刺绣过程中存在的问题 在绣花机系统的工作中，绣品的刺绣图案是由绣框的移动轨迹构成的，所以绣框的 运动情况与刺绣产品质量有着密切的联系。目前，绣框电机通常采用步进电机来实现， 然而绣框电机在运行过程中仍然存在着许多的问题，如绣框电机控制产生丢步或过冲时 1 2 硕士论文电脑绣花机绣框运动研究与实现 势必造成刺绣花样产生畸形、速度控制不适当时容易引起断线从而增高断线率、控制不 平稳时也会产生过大的噪声从而影响工作环境。因此，为改进收线的松紧程度、降低断 线率、防止步进电机的丢步和过冲现象以及降低电机的运转噪音，后续章节的研究变得 相当重要。 2 6 本章小结 本章首先详细介绍了电脑绣花机的工作流程及各部分的工作原理，并且给出了本系 统的硬件总体方案及其f o 口定义。其次根据系统控制要求，为绣花机绣框选择了合适 的驱动电机及配套的驱动器。最后提出t n 绣过程中绣框运动控制存在的问题，从而引 出后续章节研究的主要内容和关键问题。 1 3 硕士论文电脑绣花机绣框运动研究与实现 3 绣框电机系统分析与研究 从前文可知，绣花机控制系统是一个由三轴电机组成的高精度数控系统。其中，主 轴电机只做上下刺绣运动，而绣框的移动轨迹才是一副完整的刺绣图案。因此，从控制 系统的角度来看，绣框的运动才是对刺绣产品质量产生影响的一个最大因素。为了能够 使产品质量得到保证，可以在原有的基础上通过选择精良的电机和应用先进的控制技术 来达到这个目的。从电机的角度考虑，目前的交流伺服电机精度高、定位准、运转平稳， 用于绣框是非常适宜的，然而其成本高且同样需要与控制器进行配合才能充分发挥它的 优势。为此，本系统将目标转向了步进电机。 步进电机是将电脉冲信号转变为角位移或线位移的机电元件。在非超载的情况下， 电机的转速、停止的位置取决于脉冲信号的频率和脉冲数，即给电机加一个脉冲信号， 电机则转过一个步距角。这一线性关系的存在，加上步进电机只有周期性的误差而无累 积误差等特点，使得在速度、位置等控制领域用步进电机来控制变得非常的简单。但绣 花机是一个高速运动的控制系统，且绣框负载也可能在不断的发生变化，所以仍然存在 着丢步或超步等不良现象。为了解决该问题，通过位置反馈实现步进电机的高精度闭环 定位控制不失为一种很好的控制手段。因此，本文将对步进电机系统进行分析和建立相 关模型，并且通过研究适合的控制算法来使步进电机系统的控制效果达到最好，最后将 对其进行仿真研究来掌握它的控制规律和寻求合适的控制参数。 3 1 步进电机简介 步进电机输入为脉冲序列信号，输出则为步进位移。尽管步进电机每运行一步都可 能存在着误差，然而当运转3 6 0 0 后，其误差累计为0 。另外，步进电机接受数字量信号 的控制，故而非常适合采用微机对其进行控制。 3 1 1 步进电机的分类 步进电机可以从多个角度进行分类。按力矩产生的原理可以分为反应式步进电机 ( 转子无绕组，定子上有绕组，被激磁后产生反应力矩，实现步进运动) 和激磁式步进电 机( 转子有绕组，定子上有绕组，绕组被激磁后产生电磁力矩，实现步进运动) ；按各相 绕组分布可以分为径向分相式( 电机各相按圆周依次排列) 和轴向分相式( 电机各相按轴 向依次排列) ；按输出力矩大小可以分为伺服式步进电机( 输出力矩小，只能驱动较小的 负载，若要驱动机床工作台等较大的负载，须和液压扭矩放大器配合) 和功率式步进电 机( 输出力矩较大，能直接驱动机床工作台等较大的负载) ：按定子数可以分为单定子式、 双定子式、三定子式步进电机、多定子式步进电机。但目前人们通常将步进电机分为永 1 5 3 绣框电机系统分析与研究 硕士论文 磁式步进电机( p m ) 、反应式步进电机( v r ) 、混合式步进电机( h b ) 。永磁式步进电机输 出力矩大，动态性能好，但步距角大；反应式步进电机结构简单，生产成本低，步距角 小，但动态性能差；而混合式步进电机则综合了反应式、永磁式步迸电机两者的优点， 它的步距角小，输出力矩大，动态性能好，是目前性能最高的步进电机，也被称为永磁 感应式步进电机，但其价格相对较高。 3 1 2 步进电机的工作原理 反应式、永磁式、混合式步进电机除了结构、励磁方式等稍有不同外，其工作原理 基本相似。根据本文所选步进电机，下面将简要阐述三相反应式步进电机的基本工作原 理。 图3 1 是最常见的三相反应式步进电动机的剖面示意图。电机的定子上有六个均匀 分布的磁极，其夹角为6 0 0 ，且有a 、b 、c - - $ i i 励磁绕组。电机的转子均匀分布着z ，个 小齿，所以每个齿的齿矩角为o z = 3 6 0 0 z ；定子小齿数目为z ，故而定子齿数与转子r 齿数的比值为一分数，从而将产生定子与转子齿错位的情况。若以a 相磁极小齿和转子 的小齿对齐，那么b 相和c 相磁极的齿就会分别和转子齿相错三分之一的齿矩。因此， b 、c 极下的磁阻大于a 相磁极下的磁阻。若给b 相通电，b 相绕组产生定子磁场，其 磁力线穿越b 相磁极，并力图按磁阻最小的路径闭合，这就使转子受到反应转矩( 磁阻 转矩) 的作用而转动，直到b 磁极上的齿与转子齿对齐，恰好转子转过三分之一齿矩； 然而此时a 、c 磁极下的齿又分别与转子齿错开三分之一齿矩。随之中断b 相绕组通电， 而开始c 相绕组通电，同理受反应转矩的作用，转子按顺时针方向再转过三分之一齿矩。 按此推理，三相绕组如果按a c b a 顺序循环通电，转子将按逆时针方向旋转，以每 个通电脉冲转动三分之一齿矩的规律旋转起来。如果改变通电顺序，按a b c a 顺序 循环通电，转子将按顺时针方向以每个通电脉冲转动三分之一齿矩的规律转动。该种通 电方式使得每一瞬间只有一相绕组通电，因此人们称其为单三拍运行方式。单三拍运行 时的步距角以为三分之一齿矩。除此之外，三相步进电机还有两种通电方式：双三拍运 行( 即按a b b c c a a b 顺序循环通电的方式) 和单、双六拍运行( 即按 a a b b b c c c a a 顺序循环通电的方式) 。并且，六拍运行时的步距角将减小一半。 三相反应式步进电机的步距角可用下面公式【1 4 】计算： o ： (31)b 3 6 0 。 n z , 。 n = k m ( 3 2 ) 式中，z ，转子齿数； 运行拍数： 聊步进电机的绕组相数； 1 6 硕士论文电脑绣花机绣框运动研究与实现 k 通电运行状态系数。 图3 1 三相反应式步进电机的结构示意图 3 2 绣框步进电机数学模型建立 3 2 1 系统建模方法选择 在深入研究一个系统之前，建立系统模型是至关重要的一步，并且建立模型的方法 和思路直接影响到系统研究结论的准确性。目前，建立系统模型大致有两种主要的方法： 机理分析法和试验测试法。 机理分析法指在一些合理假设条件下，通过分析系统的运动规律，同时运用一些相 关的定理、定律和原则建立起系统的数学模型。机理建模法是一种解析推导方法，其建 模机理明确，较易掌握和理解。