（计算机应用技术专业论文）新型缝制设备运动控制系统研究与设计.pdf

摘要 新型缝制设备的特点是以计算机作为控制系统的核心，通过软件协调多轴 之问的运动。本文分析了新型缝制设备运动控制系统的需求，讨论了基于运动 控制卡的主轴变速、主轴匀速、主轴差补三种控制模式及各自特点，提出了一 种基于精密计数卡的运动控制系统。 控制系统硬件平台由电机、驱动器、运动控制卡和主机构成。在设计过程 中，首先根据负载、惯量、速度等机械参数选择控制电机和配套的功率驱动 器。其次根据缝制设备多轴协调运动的特点选择运动控制卡。最后根据缝制设 备所提供的功能选择控制主机。控制系统软件平台采用l i n u x ，并针对缝制设 备的需求进行裁剪、定制和实时性优化。 作者自行开发了基于精确计数原理的p c m c 卡来替代运动控制卡。p c m c 卡 上的计数器输出的脉冲个数和频率分别控制电机旋转的角度和速度，由软件协 调多个计数器的工作。 通过仿真测试，基于p c m c 卡的缝制设备控制系统能够满足缝制设备的要 求，各项指标优于普通的运动控制卡，在新型缝制设备控制系统上具有重大推 广价值。 关键词：新型缝制设备，运动控制，实时l i n u x 。p c m c 卡 a b s t r a c t t h en e w t y p es e w i n gm a c h i n e s m a i nc h a r a c t e r i s t i ci st h a tc o l l a b o r a t i o no fe a c h m e c h a n i s mi sd o n eb yc o n t r o ls o f t w a r ea n dt h ec o n t r o lc e n t r ei sm i c r o c o m p u t er t h i sp a p e r a n a l y s e st h ed e m a n do fm o t i o nc o n t r o ls y s t e mo fn e w t y p es e w i n gm a c h i n e sa n dd i s c u s s e s t h ec h a r a c t e r i s t i co ft h r e ec o n t r o lp a t t e r n ( m a i ns h a f tc o n s t a n ts p e e d 、m a i ns h a f tv a r i a n t s p e e d 、m a i ns h a f ti n t e r p o l a t i o n ) u s e di nm o t i o nc o n t r o lc a r d t h ea u t h o rr a i s e saf l e wc o n t r o l s y s t e mb a s e do l lc o u n t e rc a r d t h ec o n t r o ls y s t e mh a r d w a r ep l a t f o r mi sc o m p o s e do fm o t o r , d r i v e r , m o t i o nc o n t r o lc a r d a n dc o m p u t e r t h e r ea r et h r e es t e p st oc o n s t r u c tt h eh a r d w a r ep l a t f o r m f i r s t ，s e l e c tt h em o t o r a n dd r i v e ra c c o r d i n gt ot h ep a r a m e t e ro fm e c h a n i s m s e c o n d ，s e l e c tt h em o t i o nc o n t r o lc a r d a c c o r d i n gt oc h a r a c t e r i s t i co fs e w i n gm a c h i n em u l t i a x e sm o t i o n a tl a s t ，s e l e c tt h ec o n t r o l c o m p u t e ra c c o r d i n gt ot h ef u n c t i o no fs e w i n gm a c h i n e t h es o f t w a r ep l a t f o r ma d o p t sl i n u x t h a th a sb e e nt a i l o r e d ，e x t e n d e da n do p t i m i z e d t h ea u t h o rd e s i g n st h ep c m cc a r dw h i c hu s e dt od om o t i o nc o n t r o l ，o nt h eb a s e o f a n a l y z i n gt h ec h a r a c t e r i s t i co fm u l t i a x e sm o t i o n t h eo u t p u tf r e q u e n to fc o u n t e ri sc h a n g e d b yt h ec o u n t e rv a l u e t h em o t o r ss p e e di sc o n t r o l l e db yt h eo u t p u tf r e q u e n ta n dt h ea n g l ei s c o n t r o l l e db yt h ep u l s e ，t h ec o u n t e r sa r ec o n t r o l l e db ys o f t w a r e t h ec o n t r o ls y s t e mb a s e do np c m cc a r dc o u l dr e a l i z et h ef u n c t i o no f n e w t y p es e w i n g m a c h i n e s i t s p e r f o r m a n c ei sb e t t e rt h a nm o t i o nc o n t r o lc a r d i tc a nb r o a d l ya p p l yt on e w t y p es e w i n gm a c h i n e s k c yw o r d s ：n e w t y p es e w i n gm a c h i n e ，m o t i o nc o n t r o l ，r t - l i n u x p c m cc a r d 西北工业人学硕士学位论文 第一章绪论 第一章绪论 1 1 论文的选题背景 奉论文来源于国家发改委“面向系列化智能缝制设备的嵌入式软件系统”项目。 该项目的目标是开发电子花样机、电孑套结机、电子曲折缝等额型缝割设备的控制系 统。 工业缝制设备的研制生产至今经历了一再多年，其种类繁多，结构各异，目前世 界上大概有四千多种缝纫机。从缝纫机的实际用途和使用范围来区分，缝纫机总体e 可分为普通缝纫机和特种缝纫机两大类。普通缝纫机，一般指各种使用最普通的平缝 机。这种缝纫机，可以完成一般服装加工的拼、傍、接、合、钩、订、纳、夹、缉等 工序，把一件衣服缝制成功。特种缝纫机，一般指各种只能完成单工序或只能在有 限工序上使用的缝纫设备，所以也u 专用缝纫机。例如：包缝机、钉扣机、锁眼机、曲 折缝缝纫机、橇边机、绣花机等i l j 。 在缝制设备的发展过程中，主要经历了以下三个阶段： 1 ) 机型专用化阶段 早期的缝纫机大部分以直线缝为主要行式。由于缝制品种类繁多，某一个缝制产 品的生产工艺又需要若干道不同工序综合才能完成，如果仅以直线缝缝纫机来缝制全 部工序，不仅操作人员劳动强度增加，而且生产效率低下。为了解决这一问题，人们 陆续发明了各种专门用途的缝纫机。一些 ：业用缝纫机还是为某种特定缝制品，甚至 是某一特定工序而专门设计。例如：专用于特定的缝制品的品种有编织品、针织品、 皮革、箱包、蓬帆、制鞋、制袋、制球、书籍装订缝纫枫等，专用于工序的有平缝、 包缝、绷缝、锁钮扣、上袖、打折、暗缝、加固、曲折缝缝纫机等，以及由此派生的 各种特殊机型，专用机的发明便 为生产效率的提高和省力带来了良好的效果。 2 ) 效率提高化阶段 早期缝纫机的缝纫速度。每分钟仅能缝纫约2 0 0 个线迹，虽然和手工缝纫相比已 经有了长足的进步，但从工业 _ - kj 2 的角度来考虑其效率是相当低下的远远不能满足 生产的需要，为此提高缝纫机的运转速度也即提高缝纫效率，：必然地成为人们所追求 的目标。经过4 ；甑努力缝2 j f i jl 的缝纫速度d l 眠速( 每分t l 1 约缝j ( 1 ( ) n 个线迹) 发展到中 两北工业大学硕士学位论文 第一章绪论 速( 每分钟约缝3 0 0 0 个线迹) 又发展到高速( 每分钟约5 0 0 0 个线迹) 和超高速( 每 分钟约缝7 0 0 0 个甚至1 0 0 0 0 个线迹) 。 由于缝纫机仍然需要人员操作，人的反应速度必须与缝纫机速度相适应，因此缝 纫速度的提高必然会受到一定的限制，不可能无限提高。大致上每分钟7 0 0 0 - - 8 0 0 0 转 的缝纫速度是操作人员可能适应的极限值，而且仅限于某些直线缝工序。 3 ) 机电一体化阶段 上述专业化、提速化，其性质均属于机械技术的改进提高。专用机的应用必然需 要在缝纫机上增加许多机械机构，一些零件结构特殊、复杂，精度要求也高，相应增 加了制造难度，复杂系数的增加也会伴随着增加机器的故障率。关于提高缝纫速度也 必然需要在材质、热处理工艺、润滑条件、机构选用，机器平衡等方面采取系列的 相应措施，这些都成为制造成本增加的有关因素。因此近2 0 - - 3 0 年来，国内外缝纫机 制造商均在缝纫机的机电一体化上做了大量的工作，也取得了不小的成绩。 所谓机电一体化对缝纫机而言，其含义概略地说就是缝纫机的刺布、挑线、钩 线、送料等执行部件仍沿用原机械机构，而控制方面则采用电子或微电脑系统。一般 的区分是含有编程和c p u 处理的控制系统称为微机控制或电脑控制系统，无编程和c p u 处理的称为电子控制系统，其中电子控制技术较为简单。从控制内容的广度来区分又 可分为单机电脑控制和缝纫单元( 缝纫组合) 电脑控制二大类，后者智能化、自动化 程度更高。 国内机电一体化缝纫机虽在上世纪8 0 年代中期即已起步，但发展较慢。中国缝制 机械协会专家认为，相对于机械式缝纫机而言，机电一体化缝纫机的优势在于： ( 1 ) 可以究成例如自动停针位、自动线迹技术、自动加固缝等机械式缝纫机无法 完成的一些功能； ( 2 ) 自动化、智能化程度高：可以根据缝制过程中条件的变化，在检测和反馈后 自动进行设定的缝制工作： ( 3 ) 可以在一台机电一体化缝纫机上完成若干台机械式缝纫机才能完成工作。例 如工业曲折缝缝纫机，一般一台机械式曲折缝机只能完成一种花纹的缝纫，而一台电 脑曲折缝机却可完成2 0 种甚至更多花纹的缝纫； ( 4 ) 减少机械零部件的应用，由于采用了电脑控制，原来需要由机械机构实施控 制的许多零部件可以省却不用，相应减少了机械加工内容。而这些省却的机械部件往 2 西：陀工业人学硕士学位论文 第一章绪论 往都是形状复杂、精度要求高、加工费时、制造成本相对较高的零件； ( 5 ) 操作省力，仅需按下按钮或操作踏板即可进行工作，甚至是全自动进行_ 作。 目前世界缝纫机生产国主要集中在德国、日本、中国及韩国等少数几个国家和地 区。中国工业缝纫机产量最大，占全世界产量的5 0 以上。中国在常规产品如平缝、 包缝上，已基本达到国际同类产品先进水平。中国的常规产品以其成熟的技术、稳定 的质量、低廉的价格赢得了国内外市场，产品出口到世界1 5 0 多个国家和地区。 但是技术含量高的高端缝纫机的生产主要由国外公司垄断。目前我国多家合资缝 纫机公司所生产的高端缝纫机的电脑控制系统均由国外公司生产，而国内只是生产一 些缝纫机机械零件。为了打破国外公司对缝纫机电脑控制系统的技术封锁和垄断，我 国政府和公司正在加大科研投入，研究具有自主产权的新型缝制设备控制系统。 1 2 缝制设备控制系统智能化、网络化、信息化的发展趋势 新型缝纫机是一种典型的光机电一体化产品，作为机电产品的发展趋势是向智能 化、网络化、信息化方向发展，并在此基础上构建企业c i m s ( c o m p u t e ri n t e g r a t e d m a n u f a c t u rj n gs y s t e m ) 系统。 1 2 1 智能化 智能控制是一门新兴的理论和技术，它的发展得益于许多学科。其中包括人工智 能、模糊逻辑、神经元网络和现代自适应控制等。它具有非常广泛的应用领域，例如 智能过程控制、智能调度与规划、专家控制系统、智能仪器、医院监控、语音控制和 模式识别等”1 。 一般说来，智能控制系统应具有学习功能、适应功能、组织功能和容错性等。 目前缝制设备的许多动作还需要人来完成，例如穿线、换梭芯、调节缝线张力 等。缝线张力的大小，影响了缝制的外观质量和缝制的效率。控制系统要达到能够根 据缝制织物的特点来自动调节面线张力和底线张力，而不是依赖于缝制工的经验。这 种智能化的控制系统能够降低缝纫工人的劳动强度，缩短对缝制工的技术培训。实现 这些智能控制功能的方法可以采用专家系统，让机器进行学习，建立完善的织物数据 库。在使用r p ，机器依靠先进的传感器束测量缝制过程中的参数，经过分析推理，然 j 舌口动渊节缝线张，。 v 能缝制j j j 能的实现要依赖于传感器技术及棵l 关理论的共同发 3 西北工业人学硕十学位论文 第一章绪论 腰。 1 2 2 网络化 现场总线与工业以太网络是当今计算机、通讯和控制3 c 技术( c o m p u t e r ， c o m m u n i c a t i o na n dc o n t r 0 1 ) 发展汇聚的结合点，是下一代自动化设备的标志性技 术，它是改造传统工业的有力工具，是信息化带动工业化的重点方向吼 现场总线与工业以太网络是近年来自动化控制领域出现的高新技术，它集中了自 动化控制技术、网络通信技术、计算机等多种科技成果。由它组成的双向、串行、数 字化的开放式自动化控制系统，在国内外得到了迅速发展和应用，使传统的自动化控 制系统发生了重大的变化，其技术革命的深度和广度在自动化控制领域是空前的，越 来越受到电力、冶金、交通、石化、楼宇、建材、轻工、纺织、矿山、环保、机械制 造等行业的广泛重视和应用。 图卜l 网络化缝制设备示意围 新型缝制设备也要具备以太网通讯能力。在此基础之上通过软件实现网络化控 制。如图卜1 所示为网络化缝制设备的示意图采用s e r v e r c l i e n t 体系结构。例如， 我们可以在企业的服务器上将要生产的品种下载到每个单台机器上，实现生产的集中 调度，提高效率，减少差错，降低用工成本。甚至通过服务器能够控制远在海外的生 产设备。缝制设备也可以浏览服务器上的可用资源，进行有选择性的下载。 西北 业大学硕士学位论文 第一章绪论 1 2 3 信息化 在提供网络化功能的基础上，新型缝制设备还承担着整个公司涮造信息他底层智 能设备的信息来源，是整个现代企业的信息化管理的基础。企业管理系统可以很方便 的获得每台机器的工作运行情况以及生产指标、设备故障率等。 信息化的发展要求新型缝制设备在生产过程中详细记录自身的生产状况，并能够 分类将记录信息上传给生产管理系统。 3 国内外研究现状 目前，从事高端缝制没备研究开发的国外公司主要有日本兄弟、重机，德国杜克 普爱华，韩国日星等。对缝制设备新技术的开发主要体现在以下几方面1 4 l ： 1 ) 以真善美为代表，推出的多功能缝纫机线迹种类已近百种，绣花图样越来越 丰富，多功能缝纫机越来越为服装加工企业所偏赖： 2 ) 以兄弟的s - 7 2 0 0 a 、重机l z 一2 2 9 0 a s r 一7 为代表，已全砸推出各种无油缝纫 机，以平缝机为基础，包括包缝，绷缝等均向无油化发展，解决了缝纫机渗油这一大 公害； 3 ) 兄弟、重机公司推出低张力的平缝机，根除了缝纫机单个品种无法适应季节性 不同面料生产所带给消费者的烦恼，该机器能适应各种面料的生产需求； 4 ) 重机，兄弟，飞马、大和等厂家都推出了多功能、专业化的各种缝纫机，即只 要更换某一零配件或配置某一附件能生产出另一种功能的缝纫机； 5 ) 各大厂家对新材料的应用也越来越广在原先镀钛、镀合命镀硬铬的基础 上，开发出无电解液电镀技术、调整含油材料、高耐磨含油塑料等等； 6 ) 重机公司研发丌发的c a d 服装设计系统、电脑操作板弓i 用网络接口，运用该系 统，跨国公司利用时间差在全球进行加工。比如：一家法国服装公司，在法国设计服 装，到晚上，即中国一天剐开始的时候，用网络直接输送到缝纫机上进行生产，到了 中国的晚上，即美国一天刚开始的时候，第一批生产的服装已到了美国市场，运用网 络管理进行销售，这就是未来嗍络在服装行业所产生的魅力； 7 ) 整个缝纫行业经过1 0 0 多年的链式或锁式的发展，很多老牌缝纫机生产企业都 已跳出原有框框，如兄弟推出无线缝合缝纫机即超声波缝合机，虽然此项技术在产 、i k 化发展上还存在制约， 1 一为牝艇发眨的概念还是值得f ； 豁。 5 西北工业大学硕士学位论文 第一章绪论 国内缝纫公司生产新型缝制设备的厂家主要是一些合资企业，然而作为缝制设备 的控制系统仍然在国外生产。国有独资的部分企业主要生产新型缝制设备控制系统的 机械部分，电控系统委托第三方公司为其配套提供。专门从事缝制设备控制系统的国 内公司有北京兴大豪科技开发有限公司，其控制系统在国产的绣花机加固缝纫机以 及花样机上得到广泛的应用。 1 4 本文的工作 】) 研究了工业运动控制的相关技术，从电机、驱动器、运动控制卡到控制主机等 设备装置的现状及特点。 2 ) 针对工业控制应用的需求分析现有嵌入式操作系统的优缺点。研究对t i n u x 进 行裁剪、定制、扩展及实时性优化的方法。 3 ) 研究基于“嵌入式主机十运动控截卡”体系构建缝铡设备运动控制系统的方 法。 4 ) 根据缝制设备多轴控制的特点，研究基于p c m c 卡实现新型缝制设备运动控制 系统的方法。 5 ) 对各种控制方式的运行结果进行测试。分析各种控制方式的优缺点。 5 论文的总体安排 第一章绪论 第二章新型缝制设备运动控制系统分析 第三章基于r t o s 的运动控制软件平台 第四章基于运动控制卡的运动控制系统设计 第五章基于p c m c 卡的运动控制系绕设计 第六章系统运行结果测试 第七章结束语 硒北p 业大学硕士学位论文 第：章新型缝制设备运动控制系统分析 第二章新型缝铡设备运动控制系统分析 1 8 8 9 年，美国胜家 c y = l 3 一l 2 c o s p ( 7 ) a x = b x l 3 c o s _ ( 8 ) a y = b y l 3 s i n f ( 9 ) 其中k i 和 分别是电机1 和电机2 的脉冲当量，即电机转动度凸轮d 和e 移 动的距离，单位为m m 度。 在缝制过程中，在花样文件中读出的是花样坐标，即送料框移动的距离。而控制 系统控制的是电动机的转动角度，所以需要将坐标值转换成电机转角。经过三角函数 运算，从距离计算角度的公式如下： ，i n ( 宅拶，+ a r c s i n ( 尚) ) ： 其中u = l i a x ，v = l 3 一a 7 ：讪 a r c s i n ( 型等罴导塑卜a r c s i n ( c 0 呐 ，t a n 2 、f 1 + 2 y 7n 例如某型号打结机的机械参数为la = 9 06 r a m ，l 2 = 9 0 r n m ，l 3 = 2 1 0 m m ，l 4 = 西北工业大学硕士学位论文 第二章新型缝制设备运动控制系统分析 4 5 3 r a m ，l 5 = 1 0 6 m r n ，k 1 = 1 18 ，k 2 = 1 1 8 ，两个电机的转动范围为18 0 。一+ 1 8 0 。 电子套结机2 8 针图案的坐标如表2 1 所示： 表2 - 12 8 针套结图案坐标 _ 针序 1234)67891 01 11 21 31 4 x37 53 ，7 5 d 43 532 521 5i05 00 51 y 0 4 o11111111i - l 11 针序 i 51 61 71 81 92 0 2 1 2 2 2 32 4 2 52 62 72 8 x1 522 5 33 ，54 4 3 503 50 3 ，5 1一1 5 yl一1111110 40 4- o 4004o 40 4 经过转换各针电机角度如表2 2 所示 表2 22 8 针套结图案送料电机转动角度 针序 123 4567891 01 11 2j 31 4 x一3o8 989898- 98- 989 y89 898983330333 针序 1 5t 61 7 1 8 1 9 2 02 12 22 32 42 52 62 72 9 x3 33 33 63 5- 3 1 2 62 2- 1 71 38 4 048 y1 317 2 2 2 6 扪3 53 63 l03 l03 19- 1 3 在v c 下对以上转换算法进行模拟结果如图2 3 所示： 图2 。32 8 针套结坐标转换仿真结果 电子套结机的机械传动比较复杂，其从花样坐标向电机转角的转换过程需要用到 两北工业大学硕士学位论文 第二：章新型缝制设备运动控制系统分析 许多三角函数运算。 2 2 2 电子花样机 电子花样机采用两个送料电机驱动送料机构：电机l 控制送料框在x 方向做直线 移动，电机2 控制送料框在y 方向做直线移动。这两个电机的转角和送料框的位移量 成线性关系，它们之间的比值称为脉冲当量6 ( m m 度) 。 控制系统从花样文件中得到送料框在x 、y 方向的移动距离d x 和d y ，则可计算出 电机的转角为8 帆l = d x 6x ，o 电机：= d y 6y 。 电子花样机的机械传动系统比较简单，它依靠机械系统来保证x 、y 方向可以同时 运动不产生干涉。 2 3 新型缝制设备控制电机 电动机是实现能量转换和信号转换的电磁装置，分别称为动力电机和控制电机f 5 1 。 它依照电磁原理将电能转换戍机械动能。工业应用中使用最多的是旋转电机，新型的 直线电机、平面电机、超声波电机也逐渐应用在一些特殊的场合。目前缝制设备都采 用旋转电机。 可用作缝制没备伺服电机的主要有步进电机、交流伺服电机两种，其各自的特点 如下： 2 3 1 步进电机 步进电机是一种将电脉冲转化为角位移的机电执行元件。每外加一个控制脉冲， 电机就运行一步。其工作过程为当步进电机接收到一个脉冲信号，它就驱动步进电机 按设定的方向转动个固定的角度( 步进角) 。可以通过控制脉冲个数来控制角位移 量，实现准确定位；同时可以通过控制脉冲频率来控制电机转动的速度和加速度，达 到调速的目的引。 当脉冲频率很高时，步进电机看上去不再是一步步地转动，而是像普通电机一 样，连续地运转。可以在很宽的范围内通过改变脉冲频率实现调速，也可快速起动、 制动、正反转。在一相绕组持续通电的方式下，还可以自锁。步进电机的这些优点， 使得它在自控系统中的应用非常广泛。 步进电动机按其构造上的差异j + 分为三大类吐 西北上业大学硕士学位论文 第二章 新型缝制设备运动控制系统分析 1 ) 可变磁阻式( v r 型) 。转予以软铁加工成齿状，当定子线圈不加激磁电压时， 保持转矩为零，故其转子惯性小、响应性佳，但其容许负荷惯性并不大。其步进角通 常为1 59 。 2 ) 永久磁铁式( p m 型) 。转子由永久磁铁构成，其磁化方向为辐向磁化，无激磁 时有保持转矩。转予的极数与定子的极数相同，所以步距角一般较大，步进角有4 5 。、9 0 。及7 。5 。、】1 2 5 。、1 5 。、1 8 。等几种。 3 ) 混和式( h b 型) 。转子由轴向磁化的磁铁制成，磁极做成复极的形式，它综合 了可变磁阻式步进电机及永久磁铁式步进电机的优点，输出转矩大，动态性能好，步 距角小但结构复杂，成本较高。 步进电机一般用在开环控制系统中。 2 3 2 交流伺服电动机 交流伺服电动机是两相感应电动机，其定子铁心用硅钢片、铁铝合金或铁镍合金 片叠压而成，槽内嵌放着两个空间相距9 0 。电角度的绕组。一个是励磁绕组，运行时 接到电压为u f 的交流电源上：另一个是控制绕组接控制电压u ，两个电压的频率相 同。励磁电压u f 和控制电压u k 在相位上相差9 0 6。 交流伺服电动机的励磁绕组接入额定励磁电压后，改变控制绕组上的控制电压u 。 的幅值和相位，即可改变电机的转向和转速。交流伺服电动机的控制方法有三种： 1 ) 幅值控制。保持控制电压u k 的相位不变，仅改变其幅值来进行控制。 2 ) 相位控制。保持控制电压u k 的幅值不变，仅改变其相位来进行控制。 3 ) 幅相控制。即改变u k 的幅值又改变u k 的相位的控制。 交流伺服电机运行平稳、噪音小，但转速变化与控制电压间是非线形关系i 并且 由于转子电阻大其损耗大，效率低，与同容量直流伺服电动机相比。它的体积大，重 量大，所以只适用于小功率控制场合。 2 3 3 步进电机和交流伺服电机性能比较 步进电机是种离散运动的装置，它和现代数字控制技术有着本质的联系。在目 前国内的数字控制系统中，步进电机的应用十分广泛。随着全数字式交流伺服系统的 出现，交流伺服电机也越来越多地应用于数字控制系统中。为了适应数字控制的发展 趋势，运动控制系统中大多采用步进电 几或全数字式交流伺服电机作为执行电动机。 1 ， 西北工业大学硕士学位论文 第二章新型缝制没备运动控制系统分析 虽然两者在控制方式上相似( 脉冲串和方向信号) ，但在使用性能和应用场合上存在 着较大的差异。现就二者的使用性能作一比较例。 1 ) 控制精度不同。两相混合式步进电机步距角一一般为3 6 。、】8 。，五相混合式 步进电机步距角一般为o 7 2 。、0 3 6 。也有一些高性能的步进电机步距角更小。如 四通公司生产的一种用于慢走丝机床的步进电机，其步距角为o 0 9 。：交流伺服电机 的控制精度由电机轴后端的旋转编码器保证。以松下全数字式交流伺服电机为例，对 于带标准2 5 0 0 线编码器的电机而言，由于驱动器内部采用了四倍频技术，其脉冲当量 为3 6 0 。1 0 0 0 0 = 0 0 3 6 。对于带1 7 位编码器的电机而言，驱动器每接收2 1 7 = 1 3 1 0 7 2 个脉冲电机转一圈，即其脉冲当量为3 6 0 。1 3 1 0 7 2 = 9 8 9 秒。是步距角为】8 。的步进 电机的脉冲当量的1 6 5 5 。 2 ) 低频特性不同。步进电机在低速时易出现低频振动现象。振动频率与负载情况 和驱动器性能有关，一般认为振动频率为电机空载起跳频率的一半。这种由步进电机 的工作原理所决定的低频振动现象对于机器的正常运转非常不利。当步进电机工作在 低速时，一般应采用阻尼技术来克服低频振动现象，比如在电机上加阻尼器，或驱动 器上采用细分技术等。交流伺服电机运转非常平稳，即使在低速时也不会出现振动现 象。交流伺服系统具有共振抑制功能，可涵盖机械的剐性不足，并且系统内部具有频 率解析机能( f f t ) ，可检测出机械的共振点，便于系统调整。 3 ) 矩频特性不同。步进电机的输出力矩随转速升高而下降，且在较高转速时会急 剧下降，所以其最高工作转速一般在3 0 0 6 0 0 r p m 。交流伺服电机为恒力矩输出，即在 其额定转速( 一般为2 0 0 0 r p m 或3 0 0 0 r p m ) 以内，都能输出额定转矩，在额定转速以上 为恒功率输出。 4 ) 过载能力不同。步进电机一般不具有过载能力。交流伺服电机具有较强的过载 能力。以松下交流伺服系统为例，它具有速度过载和转矩过载能力。其最大转矩为额 定转矩的三倍，可用于克服惯性负载在启动瞬间的惯性力矩。步进电机因为没有这种 过载能力，在选型时为了克服这种惯性力矩，往往需要选取较大转矩的电机，而机器 在正常工作期间又不需要那么大的转矩，便出现了力矩浪费的现象。 5 ) 运行性能不同。步进电机的控制为开环控制，启动频率过高或负载过大易出现 丢步或堵转的现象，停止时转速过高易出现过冲的现象，所以为保证其控制精度，虑 处理好丹、降速闻题。交流州服驱动系统为阱环控制，驱动器可直接时电机编码器反 1 1 两北工、批入学硕士学位论文 第二章新型缝制设备运动控制系统分析 馈信号进行采样，内部构成位置环和速度环，一般不会出现步进电机的丢步或过冲的 现象，控制性能更为可靠。 6 ) 速度响应性能不同。步进电机从静止加速到工作转速( 一般为每分钟几百转) 需要2 0 0 4 0 0 毫秒。交流伺服系统的加速性能较好，以松下m s m a4 0 0 w 交流伺服电机 为例，从静止加速到其额定转速3 0 0 0 r p m 仅需几毫秒，可用于要求快速启停的控制场 合。 综上历述。交流伺服系统在许多性能方面都优于步进电机。但在一些要求不高的 场合也经常用步进电机来做执行电动机。所以，在控制系统的设计过程中要综合考虑 控制要求、成本等多方面的因素，选用适当的控制电机。 交流伺服电机的制作控制技术逐渐成熟，性能逐渐赶上直流伺服电机。所以新型 缝制设备的主轴采用交流伺服电机，以达到精确的定位要求。 作为送料电机，由于其机械阻力不是很大，但要求有很快的频率响应和加减速 度，所以选用步进电机，具有成本低的优点。 2 4 新型缝制设备电机功率驱动装重 电机功率驱动器是一种信号放大装置，它将控制信号转换成电机旋转所需的大电 流信号。电机功率驱动器给上位机提供控制信号接口，它能够接收p l c 、单片机、 d s p 、运动控制卡等发出的数字信号并将其转换为电机的位置、速度、方向信号。 2 4 1 步迸电机驱动器 步进电机驱动器除完成功率放大作用外还具有环形分配器和细分功能。 以三相步进电机为例，共有三种通电方式：单三拍、双三拍、三相六拍，其通电 j 唤序分别为a b c a ，a b b c c a a b ，a a b b b c c c a a 。“单”是指每 次给- - ：t f l 通电，“三拍”是指磁场旋转周需要换向三次；“双”是指每次给两相通 电；三相六拍是指单相和双相通电交替进行。如果改变通电的顺序则电机反向旋转。 产生上述的电机通电顺序依靠环形分配器来完成，它接收脉冲和方向信号，然后产生 通电相序。 细分：由于步进电机存在驱动电路效率低、低频振荡、电磁噪声大、高频运行精 度差等缺点。细分法可以有效地改善步进电动机的运行品质，对振荡进行抑制。细分 倍数x 有i 、2 、4 、8 等多种对于控制系统来说，发出的控制脉冲数为2 。个电机所 l4 西北1 l 大学硕士学位论文 第二章新型缝制设备运动控制系统分析 转动的角度相当于未细分一个脉冲所转动的角度。 步进电机驱动器对外提供的控制信号的连线方式有两种：一种是单端方式，如图 所示。另一种是差分方式，如图2 - 4 ，2 - 5 所示。( 该资料引自意大利m a e 步进电机驱 动器资料) 图2 4 步进电机控制信号单端连线方式示意图 图2 - 5 步进电机控制信号差分连线方式示意图 般的步进电机驱动器可以提供多种细分值和输出驱动电流，由用户使用时根据 所选的电机的要求进行设置。 i5 西北工业大学硕士学位论文 第二章新型缝制设备运动控制系统分析 2 4 2 交流伺服电机驱动器 交流伺服电机驱动器的常用功能接口如图2 - 6 所示： ( 图片引白珠海运控电机有 限公司生产的p s d a 一1 0 2 3 a 1 交流伺服电动机驱动器说明书) 图2 - 6 交流伺服电机控制信号连线方式示意图 交流伺服电机驱动器从电网获取两相2 2 0 v 电或三相3 8 0 v 电，经过内部变换输出 三相交流电u 、v 、w 来控制电机输出。电机所带的编码器信号经过反馈送给驱动器， 驱动器将编码器值和预设值进行比较后调整输出频率，达到精确定位。控制信号可以 通过r s 2 3 2 输入或通过信号电缆输入。 交流伺服电机驱动器一般采用专用d s p 微处理器，全数字控制。应用新代i g b t 功率器件，使得驱动器的容量更大，开关频率更高，发热更小。采用空间矢量控制算 法，使得交流伺服电机的调速变得非常精确。驱动器给控制主机提供多种控制方式： 通讯、脉冲、模拟量，还能够基于r s 4 8 5 联网通讯。驱动器同时还具有电子齿轮，虚 6 西北工业大学硕士学位论文 第二章新型缝制设备运动控制系统分析 拟主轴功能。 交流伺服电机驱动器将驱动模式设置为位置方式，控制主机就可以通过脉冲的方 式控制电机驱动器。这时就如同控制步进电机样，只要提供脉冲和方向信号即可。 这种方式的优点是： 1 ) 可靠性高，不易发生飞车事故。用模拟电压方式控制伺服电机时，如果出现接 线接错或使用中元件损坏等问题时，有可能使控制电压升至正的最大值。这种情况是 很危险的。如果用脉冲作为控制信号就不会出现这种问题。 2 ) 信号抗干扰性能好。数字电路抗干扰性能是模拟电路难以比拟的。 由于控制电机和相应的驱动器的发展，使各种电机的数字控制和多轴协同控制成 为可能。 2 4 新型缝澍设备多轴协同运动控锎器 新型缝制设备一般是双轴( 电子曲折缝) 三轴( 电子花样机) 或者更多轴之间的 联动，实现多轴之间协同控制的最方便的方法是采用运动控制卡。运动控制卡般都 可以实现单轴的运动控制以及多轴插补运动。 基于通用计算机( ( p cb a s e d ) 的开放式数控系统的迅速发展推进了“p c + 运动控制 器+ 伺服电机”的开放式结构的普及，代表了机电产品的发展方向。在这种结构中，计 算机( p c ) 的主要功能是根据具体应用的特点，优化指令形式，属于上层控制，其软件 是通用的；而伺服电机是主要的执行部件，具体完成运动控制。运动控制卡就是根据 上层计算机给出的指令，结合具体的伺服系统类型，将其指令转化为伺服电机的运 动，所以运动控制卡是计算机与伺服电机的连接桥梁1 9 】。 当今运动控制卡的种类很多大体可分为三类。 1 ) 基于专用运动控制芯片的运动伺服控制卡。这类控制卡以运动控制芯片为核心 构成运动伺服系统。此类芯片有日本n o v a 公司产的m c x 系列，美国t i 公司生产的 l m 6 2 9 等。其插补的算法与速度控制一般集成于芯片内，且可以同时控制多轴。芯片控 制方便，对开发者来讲，不需要考虑具体的插补，只要正确引入位置速度反馈信号和 输入正确的位置指令即可。其缺点是受限于芯片的功能，开发者无法引入复杂的控制 和插补算法，而且运动芯片的价格很高，此类控制卡应用面较窄，多用于直线运动和 圆弧运动。 西北工业大学硕士学位论文 第二章新型缝制设备运动控制系统分析 2 ) s o f t 型运动伺服控制卡。此种控制卡运动规划软件全部装在计算机中，而硬件 部分仅是计算机与伺服驱动和外部i 0 之间的标准化通用接口。用户可以在计算机平 台上开发所需的各种功能，构成各种类型的高性能数控系统。与前几种数控系统相 比，s o f t 型开放式数控系统完全开放，所有的控制方法和插补算法都由开发者实现。 其典型产品有美国m d s l 公司的o p e l lc n c 、德国p o w e ra u t o m a t i o l l 公司的p a 8 0 0 0n t 等。 3 ) 基于在板微处理器的运动伺服控制卡。这类控制卡选用微处理器( 单片机或数 字信号处理器d s p ) 为核心构成运动伺服系统。利用微处理器的强大功能，系统可进行 插补运算，位置控制，速度控制等；插补的算法与速度控制可编程实现，增强了开发 的灵活性，易于控制多轴联动，可以实现复杂的插补算法，同时也可以保证高实时 性：具有很强的运动控制和p l c 控制能力。因此它本身可看作为一个数控系统。它开 放的函数库供用户在计算机平台下自行丌发构造所需的控制系统，因而这种开放结构 运动控制卡被广泛应用于制造业自动化控制各个领域。如美国d e l t at a u 公司用p m a c 多轴运动控制卡构造的p m a c n c 数控系统、日本m a z a k 公司用三菱电机的 m e l d a s m a g i c 6 4 构造的m a z a t r o l 6 4 0 c n c 等。 有些厂家在此基础上添加f p g a 开发出能够独立工作的运动控制卡，可以脱离主机 工作，还可以通过u s b 、审口、c a n 总线等方式连接主控器甚至多卡联网工作。例如德 国b a l d o r 卡，它可以提供两路伺服控制和4 路步进控制。2 0 路输入d i 、8 路输出 d o ，两路模拟输入a i 。可以很方便的通过r s 2 3 2 使用触摸屏，这种方式构成控制系统 如图所示： 现在我国市场上存在的运动控制卡种类很多，一类是引进产品，如美国p m a c ，香 港固高，台湾凌华等。这类卡上都采用微处理器或d s p ，其特点是功能比较完善，但价 格昂贵，对开发者的素质要求很高。国内有些公司也生产了多种类型的控制卡，如成 1 8 西北j = 业大学硕士学位论文 第二章新型缝制设备运动控制系统分析 都步进机电公司、北京博实精密公司、哈尔滨工业大学机器人研究所等。但大多数公 司采用的是专用控制芯片，如博实精密公司与哈工大机器人研究所采用美国p m d 公司 专用运动控制芯片，而采用微处理器或d s p 的较少，在控制算法和灵活性上有所欠 缺，相r z y _ , ；j i 进产品有一定的差距。 2 5 新型缝制设备主控机 新型缝制设各的主机主要完成人机交互功能。根据功能的复杂程度不同可以分为 以下几种： 1 ) 采用单片机或d s p 。控制系统使用片上的i o 接口资源或者对外围电路进行扩 充使之能够接收用户得输入和驱动l c d 的显示。这种方式成本低，可以用在电子曲折 缝等花型和功能简单的机型上。 2 ) 采用能够独立工作的运动控制卡所提供的外围接口来驱动触摸屏或l c d 显示以 及键盘。优点是将电机控制和人机交互结合，降低成本。 3 ) 采用嵌入式主控板，芯片可以是x 8 6 ，p o w e r p c 等，可以运行嵌入式操作系 统，具备u s b ，l e d 显示。串口通讯，网口通讯等诸多功能。能够实现丰富的人机交互 界面，同时具备联网功能，实现网络化以及信息化。由于嵌入式主板的计算资源和存 储资源比较丰富。所以可以实现复杂的算法，例如模糊控制和专家系统，实现智能化 控制。 作为新型缝制设备的控制系统，入机交互占据很重要的地位，机器能够将自身的 运行状态通过丰富的人机接1 3 提供给用户，同时用户能够方便的将自己的意愿传递给 机器，所以对于电子花样机采用嵌入式主板和l c d 显示，触摸屏输入等人机交互界 面。 2 6 本章小结 本章对新型缝制设备运动控制系统所用到的主要装黄进行了分析。介绍了步进电 机和交流伺服电机的特点和特性：步迸电机和交流伺服电机功率驱动器的功能以及使 用方法；完成多轴协同控制的运动控制卡；用于人机交互以及运动规划的控制主机的 种类及其优缺点。 两北工业大学硕士学位论文 第三章基于r t o s 的运动控制软件平台 第三章基于r t o s 的运动控制软件平台 新型缝制设备的控制系统同时要完成多个任务，其中包括人机交互g u i 界面、运 动控制、网络通讯、用户对于花样文件的定制等。这决定了底层平台为多任务操作系 统，为了保证机电系统运行的平滑稳定准确，要求运动控制作为多个任务中的硬实时 任务来运行。 本章对现有的主要嵌入式操作系统做了分析对比，并选择l i n u x 作为缝制设备控 制主机的操作系统；介绍了l i n u x 的裁减定制技术，同时对l i n u x 的实时性进行分 析，比较了几种实时性优化的方法。 3 1 运动控制相关的嵌入式操作系统 在运动控制领域，使用的嵌入式操作系统比较多的是d o s 、v x w o r k 、w i n c e 、l i n u x 等。 在机电控制系统研究的早期，尤其是开放式数控机床的控制系统，使用d o s 作为 操作系统的系统比较多1 9 1 。 d o s 本质上是单任务1 6 位的操作系统，为了实现各任务的优先抢占调度，一般的 方法是自行设计实时多任务管理内核，或者在单c p u 中采用多任务分时共享，在多 c p u 中采用多任务并发处理。但是d o s 运行于实模式下，应用程序有时需要直接对硬件 操作，例如中断管理芯片8 2 5 9 ，定时器8 2 5 3 等，系统的可靠性，安全性不易得到保 证。并且，d o s 环境下不支持w i 侧s 开发 ：具，所以晃面不友好，开发周期长，难度 大。尤其不是网络操作系统，组网相当困难】。 v x w o r k s 的微内核具有全部实时特性，包括迅速的多任务调度、中断支持以及同时 支持抢占式调度和时间片轮转调度 门】。与此同时，该微内核还具有系统负担小、对外 部事件的相应时间确定等特点。v x w o r k s 提供了广泛的任务间通信机制，包括共享内 存、消息队列、s o c k e t s 、远程过程调用和信号量等。v x w o r k s 在设计之初就具有可裁 剪特性，使得开发者可以对操作系统的功能、大小进行增减，从而为自己应用程序保 留了更多的系统资源。同时集成了标准t c p i p 网络功能的实时操作系统。v x w o r k s 内 核和用户任务运行在同一个地址空| 、日j 。这样，任务问的切换非常快，和省去了必要的 系统调确开销。一个实时连接器允许动态的装载任务和系统模块。这些特性使系统具 1 0 西北工业大学硕士学位论文 第三章基于r t o s 的运动控制软件平台 有好的伸缩性。 w i n c