（系统工程专业论文）基于DSP的电脑绣花机运动控制系统.pdf

浙江工业大学硕士学位论文 基于d s p 的电脑绣花机运动控制系统 摘要 随着中国纺织业的迅速发展，市场对电脑绣花机的需求量越来越大，对 电脑绣花机控制系统的性能要求也越来越高。 本文从电脑绣花机的控制原理出发，分析了绣花机控制系统，特别是运 动控制系统的功能要求，并在此基础上提出了一套以d s p 微处理器为核心的 绣花机运动控制解决方案。本文的主要工作如下： ( 1 ) 介绍了电脑绣花机的发展现状，国内外的差距，根据电脑绣花机的 结构和工作原理，分析了绣花机的运动控制要求。在此基础上提出了一套以 t m s 3 2 0 f 2 8 1 2 为控制核心的电脑绣花机运动控制解决方案。 ( 2 ) 设计了电脑绣花机主轴电机和x 、y 轴绣框电机控制系统。主轴电 机采用矢量控制，绣框步进电机采用电流细分控制。 ( 3 ) 根据电脑绣花机的结构特点，给出运动控制系统数学模型，提出步 进电机微步驱动电流细分改进方法，达到任意可变细分，改善了电机的运动 性能。 ( 4 ) 设计并实现了电脑绣花机运动控制系统的硬件和软件。硬件包括电 机驱动主电路、p w m 控制电路、驱动电路、各种保护电路及通讯模块和人机 接口等，软件编写时采用了模块化的思想，便于程序的修改和移植。 ( 5 ) 对控制系统进行了实验研究，测试了各模块的性能，实验结果表明 浙江工业大学硕士学位论文 系统具有良好的控制效果，也验证了系统的实用性。 关键词：矢量控制，细分控制，d s p ，永磁同步电机，步进电机 浙江工业大学硕士学位论文 m o t i o nc o n t r o ls y s t e mf o r t h ec o m p u t e r e m b r o i d e r ym a c h i n e b a s e do n d s p a b s t r a c t a sar e s u l to ft h er a p i dd e v e l o p m e n t so ft h et e x t i l ei n d u s t r yi nc h i n a ，t h e m a r k 酏q u a n t i t yd e m a n d so f t h ec o m p u t e re m b r o i d e r ym a c h i n ei si nas t a t eo f r a p i d i n c r e a s i n g , a n dm e a n w h i l et h ep e r f o r m a n c er e q u i r e m e n t s o ft h ec o m p u t e r e m b r o i d e r ym a c h i n ec o n t r o ls y s t e m a r eb e c o m i n g h i g h e r b a s e d0 1 1t h ec o n t r o lp r i n c i p l e so ft h ec o m p u t e re m b r o i d e r ym a c h i n e ，t h e c o n t r o ls y s t e m ，e s p e c i a l l y , t h ef u n c t i o nr e q u i r e m e n t so ft h em o t i o nc o n t r o ls y s t e m a r ea n a l y z e di i ld e t a i li l lt h i st h e s i s b a s e du p o nt h e s ea n a l y s e s ，a ne f f e c t i v em o t i o n c o n t r o ls c h e m ei s p r o p o s e df o rt h ee m b r o i d e r ym a c h i n eb a s e do nt h ed s p m i c r o p r o c e s s o rw h i c hi sb e h a v e d 勰am a i nc o n t r o l l e ri i lt h es y s t e m t h em a i n w o r ka n dc o n t r i b u t i o no f t h i st h e s i sa r ea sf o l l o w s ： ( 1 ) t h ec u r r e n td e v e l o p m e n t ss t a t eo ft h ec o m p u t e re m b r o i d e r ym a c h i n ei s i n t r o d u c e d t h em o t i o nc o n t r o lm q u i r e m e n mo ft h ee m b r o i d e r ym a c h i n ea r e a n a l y z e da c c o r d i n gt oi t ss t r u c t u r e sa n dw o r k i n gp r i n c i p l e s a ne f f e c t i v em o t i o n c o n t r o ls c h e m ei sp r o p o s e df o rt h ee m b r o i d e r ym a c h i n eb a s e d0 1 1t h e s ed e t a i l e d a n a l y s e s a n di nt h ed e v e l o p e dc o n t r o ls y s t e m , t h et m s 3 2 0 f 2 8 1 2 w a sa d o p t e da s t h em a i nc o n t r o l l e r - 1 1 1 浙江工业大学硕士学位论文 ( 2 ) t h ec o n t r o ls y s t e mo fb a c k b o n ea x i sm o t o ra n dx 、ya x i sf r a m em o t o r s a r ed e s i g n e d t h ev e c t o rc o n t r o la p p r o a c hi su s e dt od r i v et h eb a c k b o n ea x i sm o t o r , w h i l et h ef r a m em o t o r sa d o p tt h em i c r o - s t e p p i n gc o n t r o ls c h e m e ( 3 ) m a t h e m a t i c a lm o d e lo ft h em o t i o nc o n t r o ls y s t e ma r ep r e s e n t e db a s e do n t h e c o m p u t e re m b r o i d e r y m a c h i n ec h a r a c t e r i s t i c s t h es c h e m eo ft h e m i c r o s t e p p i n gc o n t r o li si m p r o v e dt oa c h i e v et h ed e s i r e da r b i t r a r ys u b d i v i s i o n , a n dt h u st h em o t i o np e r f o r m a n c ea n dt h ef l e x i b i l i t yo ft h ec o n t r o ls t r a t e g yi s i m p r o v e d ( 4 ) t h eh a r d w a r ea n ds o f t w a r eo f t h em o t i o nc o n t r o ls y s t e mf o rt h e e m b r o i d e r ym a c h i n ea r ed e s i g n e d t h eh a r d w a r ei n c l u d e st h em a i nm o t o rd r i v i n g c k c u k ，t h ep w mc o n t r o lc i r c u i t , d r i v i n gc i r c u i t ，v a r i o u sp r o t e c t i o nc i r c u i t sa n dt h e c o m m u n i c a t i o n sm o d u l e sa n dm a n - m a c h i n ei n t e r f a c e ，e t c t h em o d u l a r i z a t i o n d e s i g ni sa d o p t e di ns o f t w a r ed e s i g n ，s ot h a ti tc a nb ea m e n d e da n dr e p l a n t e d c o n v e n i e n t l y ( 5 ) v a r i o u se x p e r i m e n t ss t u d i e sa r ec a r r i e do u ta n dt h ep e r f o r m a n c eo ft h e m o d u l e si sm e a s u r e d t h ee x p e r i m e n tr e s u l t sh a v ed e m o n s t r a t e dt h a tt h ed e v e l o p e d s y s t e ma c h i e v e s d e , r e dc o n t r o lp e r f o r m a n c ea n dh a v ea l s ov a l i d a t e dt h e p r a c t i c a b i l i t yo f t h es y s t e m s k e y w o r d s ：v e c t o rc o n t r o l ，m i c r o s t e p p i n gc o n t r o l ，d s p , p e r m a n e n tm a g n e t s y n c h r o n o u sm o t o r , s t e p p e rm o t o r ，l v 浙江工业大学 学位论文原创性声明 本人郑重声明：所提交的学位论文是本人在导师的指导下，独立进行研究工作 所取得的研究成果。除文中已经加以标注引用的内容外，本论文不包含其他个人或 集体已经发表或撰写过的研究成果，也不含为获得浙江工业大学或其它教育机构的 学位证书而使用过的材料。对本文的研究作出重要贡献的个人和集体，均已在文中 以明确方式标明。本人承担本声明的法律责任。 作者签名：历次l 虱峦 日期：c j 年参秽日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，同意学校保留 并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借阅。本 人授权浙江工业大学可以将本学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检 索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。 本学位论文属于 1 、保密口，在年解密后适用本授权书。 2 、不保密口 ( 请在以上相应方框内打“妒) 作者签名：砍 导师躲托 日期：口，7 年堋口日 日期：年，硼w 日 浙江工业大学硕士学位论文 1 1 引言 第一章绪论弟一早殖下匕 电脑绣花机是当代最先进的绣花装置，最早于7 0 年代在国外兴起，它能使传统的手 工绣花得到高速度、高效率的实现，并且还能实现手工绣花无法达到的“多层次、多功能、 统一性和完美性”的要求。它是一种体现多种高新科技的机电产品。 中国既是缝制设备最大的消费国，也是最大的生产国。目前，中国工业缝纫机产量已 占世界总产量的4 0 ，出口量占世界销售量的2 0 。其中，高速平缝机、高速包缝机、圆头 平缝机、电动裁剪机、电脑刺绣机等产品已完全可替代进口。如“上工”、“标准”、“华 南”、“飞跃”、“达美”等品牌。在国内外已具有很高的声望。另外，合资企业的产品， 也已大量返销世界各国，使我国有望发展成为世界缝制设备制造、销售中心。 1 2 电脑绣花机的发展和研究现状 1 2 1 电脑绣花机的发展现状 在绣花机领域，目前世界上著名的电脑绣花机品牌有日本田岛( t a j i m a ) 公司的 t m e f - h 6 2 0 型、日本百灵达( b a 跚a n ) 公司的b e m r h - y s 一2 0 型、日本兄弟( b r 0 r r h e r ) 公司的 b a s - 4 2 3 型、德国蔡斯克( z s k ) 公司的1 7 4 - 1 2 型、德国百福( p f a f f ) 公司的k s m 2 2 1 、1 2 2 6 0 型等。与这些大型国际公司相比。我国目前的电脑刺绣机在机械加工、控制系统等方面还 存在较大的差距。 我国通过消化吸收国外各种先进机型的优点，结合我国刺绣、服装、鞋帽、针织等的 实际需要，在8 0 年代末研制出国产的电脑绣花机。虽然我国绣花机生产的起步比较晚， 但由于国内纺织业的需要，绣花机行业发展迅速，特别是近几年，国内电脑绣花机的产量 成倍增长。1 9 8 8 年，北京一轻研究所( 现称：北京兴大豪电脑公司) 与青岛缝纫机厂合作 研制成功了我国第一台电脑绣花机，当时生产绣花机的企业不超过l o 家，年产量不到1 0 0 台；到1 9 9 8 年，生产电脑绣花机的企业也仅有数十家，年产量1 0 0 0 台左右；2 0 0 3 年，据 浙江工业大学硕士学位论文 业内人士统计嘲，国内已经有了3 0 0 余家生产电脑绣花机的企业，年产量达3 万余台，企 业主要集中在浙江的诸暨、台州、宁波以及广东、江苏、北京等地区，尤其是诸暨地区， 集中了1 0 0 多家绣花机生产企业，形成了行业独特的“诸暨现象” 中国国内纺织服装规模最大的是广东省和浙江省，目前恰恰也是电脑绣花机发展最为 兴旺的两个省份，从中我们不难看出市场对于一个产业发展所起到的作用。浙江省诸暨市 正是依托邻近的萧山、绍兴两大布料市场，加上当地民营经济的活跃，短短几年内发展成 为产量占全国4 0 以上电脑绣花机生产基地。 此外，市场的繁荣客观上降低了进入电脑绣花机行业的门槛。在零部件配套体系成熟 的地区，只要拿到电脑控制系统和绣花机头两个关键零部件，加上几个懂得装配的工人， 就能生产出电脑绣花机。民营企业中不少销售人员和技术人员工作几年拥有了一定市场和 技术资源之后，投入少量的资金便能自立门户，这就导致企业数量一再扩张。很多其他行 业的企业被电脑绣花机行业的高利润吸引进来。这就造成有些企业产品档次不高，质量不 过硬。 1 2 2 电脑绣花机控制系统的发展现状 这几年随着微电子技术的发展，电脑绣花机的控制系统有了长足的进步，控制系统的 种类繁多，目前主要有以下几种。 ( 1 ) 以8 0 5 1 单片机为主控制器【1 4 】【1 5 】，利用8 2 5 5 或8 1 5 5 来扩展接口控制各个部分。这 种方案虽然价格低廉，设计简单，但是功能单一，只能实现基本的绣花功能，多用于单头 或少头数电脑绣花机上。 ( 2 ) 以工控机为主控制器【l q ，配合各种带有标准接1 3 的功能模块对电脑绣花机各部 分进行控制。这种方案设计方便，可靠性高，且功能齐全，能够满足现代电脑绣花机的控 制要求，但是整体成本相当高，体积大。 ( 3 ) 采用基于a i i i 微处理器的嵌入式主控制器【4 】【嘲，由于a r m 控制器一般带有各种外设， 有的甚至已经内嵌u s bh o s t 模块或l c d 控制器模块，使其能够直接控制多数设备，配合嵌 入式操作系统，大大降低产品成本，使得产品整体体积小，结构紧凑。 相对于国内众多的电脑绣花机整机生产厂家，专业生产电脑绣花机电控部件的厂家却 寥寥无几，有一定规模的知名企业只有北京的兴大豪和深圳的富怡两家公司，所以目前电 控器具有更大的市场需求，并且要实现短期提高绣花机产品性能也只能从改进电控器着 手，从而设计开发高性能低价格的电脑绣花机。 2 浙江工业大学硕士学位论文 1 2 3 国内外的主要差距 随着科学技术的不断发展，国产绣花机的水平也在不断地提高。但是对比国外公司的 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地差距，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 3 2 位微处理器对控制系统进行管理，实现网络远程监控，无线操作，加工对象多样化，大 容量存储等新技术，国内使用此类技术却刚刚起步，因此如果能够采用更先进的控制器和 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d s p 等高性能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。 1 3 电脑绣花机的工作原理简介 1 3 1 电脑绣花机的主要组成机构 电脑绣花机由主机( 机械部分) 和控制器组成。绣花机的主机由机头、台板、传动机 构、机架、绣框等组成【4 】。 ( 1 ) 机头。通过绣花机机头运转，使面线和底线在面料上做出双线锁式线迹； ( 2 ) 台板。是固定送布机构并完成刺绣任务的主要场所； ( 3 ) 传动机构。包括主轴电机的传动机构( 主轴z ) 和送布机构( x 、y 轴的步进电机) 。 用来完成x 、y 、z 三个方向运动的传递，是完成刺绣工作的主要部件； ( 4 ) 机架。支撑台板和各个机件，方便工作，调节整体构造和外观； ( 5 ) 绣框。用来固定面料，受步进电机控制。可以向x 、y 轴两个方向运行。 刺绣过程中由于高度自动化的需要，除了以上几个主要机械部分之外，还有其他几个 辅助部分：即换色、勾线、剪线部分。 1 3 2 电脑绣花机的控制原理 电脑绣花机工作时，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 3 一 浙江工业大学硕士学位论文 轴步进电机带动绣框在x 、y 轴方向运动，绣品随绣框运动，从而刺绣出图案。整个过程 可以分解成无数个绣框和主轴的单一运动，我们称之为针迹，它包括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。在绣针接触布料的整个过程中，布 料保持静止，当绣针离开布料到第二次接触布料期间，绣框才允许运动，因此主轴电机的 转速必须适应针迹步长的大小，步长越大，转速越低，步长越小，转速越高。主轴电机和 步进电机运动如果出现不协调，将导致断线甚至断针。当需要换色时，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。当刺绣完毕时，剪 线电机带动剪刀将线剪断。 刺绣图形的完成不仅取决于刺绣动作，还依赖于绣框的准确移动。这一部分主要由绣 框电机、导轨、绣框等组成。刺绣时绣框在x 、y 两个方向移动，其运动轨迹受微控制器 控制，由x 、y 轴上的两个绣框电机带动。刺绣过程中不仅需要绣框频繁地正反向移动， 而且步距要求十分严格，步距分辨率要求尽量高，同时位移的允许误差极小，这样才能保 证刺绣图形的精确完美。 1 4 绣花机执行电机概述 电脑绣花机核心运动部件( 主轴和绣框) 由电机带动，本文称它们为绣花机的执行电 机，在不同的绣花机中所用的执行电机也不同，常见的有以下几种； ( 1 ) 滑差电机 滑差电机即电磁调速电动机，它由普通的鼠笼型异步电动机、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滑差离合器的控制而实现的，所以，滑差 电机的调速原理实质上是滑差离合器的工作原理嘲。利用电气控制装置平滑地调节速度， 达到调速的目的。分析电机的运行理论可知【7 】，滑差离合器豹机械特性曲线硬度很小，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，另外滑差电机的运行效率较低。 ( 2 ) 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执行元件。在非超载的情况下，电 机的转速、停止的位置只取决于脉冲信号的频率和脉冲数，而不受负载变化的影响，即给 一个脉冲信号，电机就转过一个步距角。这一线性关系的存在，加上步进电机定位无累积 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简单。但是由于自 4 浙江工业大学硕士学位论文 身结构的限制。步进电机只能在低速场合下使用嘲。 ( 3 ) 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，力矩一频率特性好，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 p u 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( 如位复环增益、速度环增益、速度环积分时阃常数、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，但是一般 系统的成本较高。 ( 4 ) 永磁同步电机 随着近年来永磁材料的迅猛发展，同步电机得到了越来越广泛的应用，并一跃成为交 流伺服系统的主流，在工业生产自动化领域中得到极其广泛的应用。与异步电机相比，它 的磁场由转子上的永磁体提供，不需要提供励磁电流，效率较高。异步电机在矢量控制中 把转子电流分为与转子磁通方向一致的励磁电流和与之垂直的转矩电流，由于矢量计算复 杂，使得异步电机低速性能不良，容易发热。 滑差电机作力屯脑绣花机的主轴电机在国外已经很少见到了，丽由于整机成本等原 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，效率低等特点，滑差电机已不适合作为电脑绣花机的主轴电机。 由于步进电机有一启动频率，造成在大负荷情况下响应速度不能过快，而且在高速运 转时转矩下降，遇到卡阻时还可能堵转、失步，所以现在以步进电机作为电脑绣花机的主 轴电机也不多了但是另一方面由于步进电机易于控制，价格低廉，且开环定位精度高， 没有累积误差等优点，越来越多的作为绣框控制电机出现。 交流伺服电机显然具备良好的综合性能，但由于价格比较高，且配套的驱动装置体积 也比较大，所以只在国内外的高档电脑绣花机中才作为主轴控制电机。 永磁同步电机由于有良好的宽调速范围，稳定的运转性能，灵活的控制方式，较高的 运转效率和较低的价格，再加上近些年优秀电机控制算法的不断涌现，微控制器技术的不 断升级，使将永磁同步电机作为电脑绣花机主轴电机成为可能。 5 - 浙江工业大学硕士学位论文 1 5 本课题的主要任务 近年来，从国际大型的展览会上可以看到，国内外电脑绣花机的品种和技术发展越来 越快，质量水平也越来越高，竞争也越来越激烈。随着加入w r o ，日本、德国和韩国的 电脑绣花杌将对我国电脑绣花机发展构成更大的威胁，中国电脑绣花机行业如何定位，如 何抓住发展的机遇，缩短与国际水平的差距，都是我们当前面临的重大课题。 1 5 1 课题的主要任务 本课题的主要内容包括：了解绣花机的工艺，分析绣花机的控制要求，针对绣花机的 控制需求制定绣花机主要运动部件的整体方案，设计与调试系统的硬件电路与配套的软件 程序。按功能可分成三大主要部分：主轴控制部分；绣框控制部分；其它控制部分。 1 5 2 论文内容安排 全文共分为六章，论文各章的组织结构如图1 1 所示。 图1 1 论文组织结构图 各章节研究内容如下： 第一章介绍了电脑绣花机的发展历程及国内外的发展现状；分析了电脑绣花机的工作 6 浙江工业大学硕士学位论文 原理，并结合绣花机的工作原理对几种电脑绣花机中常用的执行电机的特点进行了比较。 最后给出本文所要研究的内容。 第二章根据电脑绣花机运动控制的需要，选定了各执行电机的类型，并制定了系统各 部分的控制方案，完成整个系统的整体规划。 第三章分析了所选主轴电机与绣框电机的结构特点与工作特性，对它们的控制策略进 行了深入的分析。 第四章、第五章介绍了系统中主轴电机与绣框电机控制模块的软硬件设计与实现，并 分别通过实验验证了系统的控制性能。 第六章围绕系统的整体需要，结合系统主要模块，为系统设计了大量功能模块，并介 绍了它们的软硬件实现，使系统的功能更加完善。 第七章对本文的工作做了一个简短的总结，并对有待继续研究的内容进行了展望。 - 7 - 浙江工业大学硕士学位论文 第二章系统总体方案设计 2 1 绣花机控制系统的功能分析 2 1 1 绣花机控制系统的控制功能 根据前面对电脑绣花机控制系统的工作原理的分析可以知道，绣花机控制系统要实现 的基本控制功能有： ( 1 ) 主轴电机的控制。虽然不同的绣花机中所用的主轴电机种类也不同，主要有滑 差电机、交流伺服电机或步进电机，但是主轴电机控制的要求都是转速可调并且能够稳定 转速。 ( 2 ) x 、y 轴绣框电机的控制。绣框采用步进电机带动已经在绣花机行业达成了共识， 绣框电机控制时，控制器要根据软件所给定的针迹位置，经过运算之后分别控制x 、y 轴步 进电机运动。 ( 3 ) 换色。由换色电机控制，换色电机可为小型的步进电机。 ( 4 ) 剪线。剪线通过控制电磁铁来实现，剪线的同时能够将主轴锁住。 ( 5 ) 断线检测。系统要能检测是否有针位发生断线，并判断出是哪个针位出现断线， 且具有报警功能。 ( 6 ) 花样文件的输入输出。实现内存和外存的数据交换。 ( 7 ) 人机界面。包括键盘和显示器，提供控制输入和状态输出的功能，能实现花样 数据的显示，实时显示各部件的运动状态。 ( 8 ) 各种通讯功能。系统可通过网络接口实现电脑绣花机之间以及电脑绣花机和监 控端之间的网络互联，实现其间的资源共享，甚至远程网络控制。 2 1 2 绣花机控制系统的各控制功能模块 分析电脑绣花机控制系统所需实现的基本功能，我们可以看到，一个完整的电脑绣花 机控制系统可以分成许多个功能模块，我们在设计时，可分模块并行设计，最后协同调试， 这样做不但可以缩短设计周期，还可以使以后的维修保养更加简单。整套电脑绣花机控制 8 - 浙江工业大学硕壬学位论文 系统可以划分为以下几个模块： ( i ) 主轴电机控制模块 主轴电机可以是滑差电机、交流伺服电机或步进电机，根据电脑绣花机发展的趋势， 交流伺服电机成为市场的主流。 ( 2 ) x 、y 轴绣框电机的控制模块 主要控制x 、y 轴绣框电机与主轴配合运动，从而形成绣花针迹。x 、y 轴绣框电机一般 选用五相步进电机或三相步进电机配合细分驱动方式，其中三相步进电机的方案是发展的 趋势，本文拟采用三相混合式步迸电机。 ( 3 ) 换色电机控制模块 换色电机为小型步进电机，且控制要求比较简单，可用脉冲信号控制，并用光电元件 或霍尔感应元件来判断换色是否成功。 ( 4 ) 剪线控制模块 剪线控制模块主要完成在刺绣结束或需要换线时的自动剪线，该功能由几个电磁铁构 成，通过光电元件侦测剪刀等的位置，完成各部分的协调动作。 ( 5 ) 花样数据存取模块 该模块主要完成花样数据的转存和读取，要求能够实现对u s b 闪存等大容量存储设备 的读写。 ( 6 ) 人机界面模块 该模块主要包括显示和键盘，完成各种刺绣状态和花样数据的实时显示，并在必要时 输入各种控制命令，实现信息的人机交互。 ( 7 ) 网络接口模块 该模块主要完成电脑绣花机之间的资源共享以及和监控设备的实时通信从而实现对 电脑绣花机的网络远程控制。 ( 8 ) 各种故障检测模块 通过对以上这八个功能模块的分析，可以将它们按各自的功能分成核心运动控制部 件，操作功能部件，辅助运动控制部件三个大类 核心运动控制部件：主要包括主轴和x 、y 轴绣框电视的控制模块，根据对电脑绣花机 的工作原理的分析，我们可以得出如下结论，主轴和绣框电机的运动性能的好坏及它们的 协调程度，直接决定了这个绣花机的刺绣性能。 操作功能部件：包括花样数据存取模块、人机界面模块、网络接口模块。这些模块就 9 浙江工业大学硕士学位论文 功能上说对刺绣的效果不会产生大的影响，但是它们直接与绣花机使用者接触，直接影响 电脑绣花机的操作性能，而且客户对绣花机的第一印象往往也是来自它们。 辅助运动控制部件；包括换色电机控制模块、剪线控制模块、故障检测模块。这些模 块可以用i o 来完成控制，实现比较简单，主要的控制要求在于各个模块的时序配合。 2 2 绣花机控制系统整体方案制定 根据第一章对当前电脑绣花机控制系统的概述，在众多的控制系统的种类中，方案( 1 ) 以8 0 5 1 单片机为主控制器，功能单一，只能实现基本的绣花功能，已经不能满足现代电脑 绣花机的需求瘸于鄙将淘汰的落后产品，方案( 2 ) 以工控梳为主控制器虽然设计方 便，可靠性高，且功能齐全，能够满足现代电脑绣花机的控制要求，但是整体成本相当高， 体积大。方案( 3 ) 采用基于a r m 微处理器的嵌入式主控制器，产品整体体积小，结构紧凑。 但是由于缺少以下关键性外设( 如高速a d 转换器) ，a r m 核控制器很难直接用于电机的高 性能控制中。所以在这鼬系统中要么配合专门的电机控割模块，这样还是会大大增加了系 统的成本，体积也会增大；要么降低对电机控制性能的要求，这样在电脑绣花机操作性能 得到提高的同时，影响了绣花机的整机性能。 近年来，随着微电子技术的发展，各种各样的微控制器层出不穷，它们往往都有各自 的特点，相对于特定的应用场合也难免存在一定的不足，但是由于这些控制芯片的价格也 越来越低，使得在一个控制系统中我们可以使用一片以上的控蒂4 器，发挥它们各自的特点， 改善系统的整体性能，同时系统的成本也不会有大的变动。根据这样的思想构思了以下一 个电脑绣花机的控制系统，它以两片适应电机控制需要的d s p 控制器控制电脑绣花机的各 运动部件，同时以a r m 芯片作为监控端控制器，对一台或多台电脑绣花机进行监控，完成 入极界面、花样数据存取等操作功麓，控笨 j 嚣之闺用c 斌礴传输数据构威一个上、下应 机的结构。这样的系统中，绣花机工作时操作者只是对上位机进行操作，当遇到工厂中有 多台绣花机同时工作时，并不需要每台电脑绣花机都配有单独的上、下位机，整个车间的 控制系统结构可改成图2 1 所示，用台上位机控制多台下位机，同时下位机上可另加入 一个简单的人机界面，这样的结构在对单机控制时只要去掉多余的下位机即可 1 0 浙江工业大学硕士学位论文 图2 1 电脑绣花机控制系统整体结构框图 本文主要介绍运动控制部分的设计实现。 2 3 运动控制系统总体结构设计 本系统主要完成对电脑绣花机核心运动部件( 主轴电机及绣框电机) 的控制，使电脑 绣花机具有优越的性能。分析电脑绣花机的工作原理可知，主轴电机运动时在速度、位置 的控制上都有较高的要求，当刺布时，要求电机速度尽量快，尽快的完成一次下针，提高 绣花机的工作效率，而当针离开布料后速度可以减慢，给绣框足够的时间完成下一次的定 位，同时还要对主轴的位置有精确的控制，确保主轴与绣框协调运动，防止断线或断针。 而绣花机绣框的运行分辨率和定位精度直接影响绣品的质量和精细程度，这就要求绣框电 浙江工业大学硕士学位论文 机具有尽可能高的定位精度和步距分辨率。根据以上的分析，系统的主轴电机采用永磁同 步电机( p m s m ) ，配合矢量控制方法，以实现较高的伺服性能；绣框电机采用两台三相混 合式步进电机，步进电机具有很高的定位精度，但由于结构的限制，分辨率不高，所以系 统采用电流细分控制，以提高电机的步距分辨率。根据以上的分析，系统以两片t i 的d s p 芯片t m s 3 2 0 f 2 8 1 2 为控制核心，分别控制主轴电机和绣框电机，并加入其它的功能模块， 构成一个完整的系统，运动控制系统的整体结构框图如图2 ，2 所示。 2 3 。1 主控制器简介 图2 2 运动控制系统整体结构框图 t m s 3 2 0 f 2 8 1 2 是t i 公司最新推出的数字信号处理器，该处理器是基于t m s 3 2 0 c 2 x x 内 核的定点数字信号处理器。器件上集成了大量先进的外设，为电机及其他运动控制领域应 用的实现提供了良好的平台。与f 2 4 x 系列数字信号处理器相比，f 2 8 1 2 数字信号处理器提 高了运算的精度( 3 2 位) 和系统的处理能力( 达到1 5 0 m i p s ) 【9 】。 该芯片自带有1 2 8 k x1 6 位的f l a s h 存储器，及1 8 k x1 6 位的s a r a m ，并且最大可扩展 到i m x1 6 位。f 2 8 1 2 还带有两个事件管理器( e v a 、e v b ) ，加上它自带的高速1 2 位a d c ， 共有2 x 8 路输入，连续转换时转换频率可达到i o m ，利用它们可以很容易的对各种电机进 行控制，这也是2 0 0 0 系列d s p 芯片的一贯特色。 在辅助外设方面，f 2 8 1 2 有两个标准的u a r t 串行通信接口( s c i a 、s c i b ) ，一个多通 道串行接口( m c b s p ) ，这些串行接口都具有输入输出的缓冲( f i f o ) ，给我们在通信编程 时带来很多的方便。最后，芯片集成了一个改进的局域网络( e c a n ) 控制器，这可以使系 1 2 浙江工业大学硕士学位论文 统的多机通信实现更加简单，也更能适应现代工控领域的要求。 t m s 3 2 0 f 2 8 1 2 强大的运算性能，加上片上集成的大量高性能外设，以它为控制核心使 得提高电脑绣花机的各方面性能成为可能。 2 3 2 主轴电机控制 系统的主轴电机为一台三相永磁同步电机，并且采用矢量控制算法，以改善电机的伺 服性能。 永磁同步电机与其它电机相比主要的优点有1 1 0 】： ( 1 ) 高功率因数、高效率。 ( 2 ) 转矩纹波小，转速平稳，动态响应快速准确，过载能力强。 ( 3 ) 体积小、重量轻。 ( 4 ) 结构多样化，应用范围广，可靠性高。 在伺服系统中永磁同步电动机虽然有其它电机无法比拟的优势，但还是要有先进的控 制算法与之配合，矢量控制思想是德国学者于7 0 年代初提出的，首先是应用到感应电动机 ( i m ) 中。从那时起，人们运用矢量控制理论为改善i m 的伺服驱动性能做了大量研究。矢 量控制的原理和方法同样可以应用于三相永磁同步电动机。可以说，正是因为运用了矢量 控制理论，才使p m s m 的伺服驱动性能达到直流电动机的水平，甚至超过了直流电动机。 2 3 2 绣框电机控制 系统中绣框由两个三相混合式步进电机带动。步进电机是一种将电脉冲信号变换成相 应的角位移或直线位移的机电执行元件，由于它具有开环控制精度高、驱动形式简单、易 于实现数字化控制等特点，在数控系统中得到了日益广泛的应用。但是，步进电机由于受 到自身结构的限制，步距角不可能做的很小，因而在运行时存在着走一步停一下的步进振 动，输出转矩明显波动，电机振动、噪声十分明显，这些缺陷都严重地影响了步进电机在 性能要求较高的控制系统中的应用。随着各个先进的控制算法的引入，步进电机的这些缺 陷已经得到了改善，其中细分驱动技术可以大大地改善步迸电机的运行品质，减少转矩波 动，抑制振荡，降低噪音，提高步距分辨率。系统的绣框电机采用步进电机并配合细分微 步驱动技术，在保留了步进电机定位精度高的特点的基础上，改善了它的运行品质与步距 分辨率，同时系统对细分算法做了一定的改进，使电机的调速，定位更加灵活。 - 1 3 - 浙江工业大学硕士学位论文 2 3 3 通讯模块 系统的通讯模块可以分为两个部分：系统内部的通讯及系统与外界的通讯。 ( 1 ) 系统内部的通讯 由于系统中主轴电机与绣框电机分别由一片d s p 芯片控制，所以它们之间需要一个高 速的通讯方式，使二者能够协调的工作，这一部分由t m s 3 2 0 f 2 8 1 2 自带的多通道缓冲串行 口( m c b s p ) 模块来完成。 ( 2 ) 系统与外部的通讯 系统有2 3 2 、4 8 5 及c a n 三个用于与外界通讯的通讯接口。 t 惦3 2 0 f 2 8 1 2 自带有两个标准的u a l 玎串行通信接口( s c i a 、s c i b ) ，本系统中用它们 扩展了2 3 2 及4 8 5 接口，使系统具备了与p c 机及多系统之间的通讯能力。 控制器局部网( c a n ) 是b o s c h 公司为现代汽车应用领先推出的一种多主机局域网，由 于其卓越性能现已广泛应用于工业自动化、多种控制设备、交通工具、医疗仪器以及建筑、 环境控制等众多部门【n 】。系统用主轴控制器扩展了一个主c a n 接口，并用绣框控制器扩展 了一个冗余的c a n 接口，使系统间通讯更加快捷、稳定，也可用于对系统的监控。 2 3 4 保护模块 为确保系统的正常运行，必须对系统中各电机的运行状态、各物理量进行监控，一旦 发生异常状况，系统将采取相应的保护措施，以免造成严重后果。系统的保护模块主要有： 电机各相电流的过流保护，主电源的过压保护，以及对系统工作环境的监控。 2 3 5 人机界面 一个系统要真正在实际中应用，就必须有必要的人机界面，以供使用者与系统进行信 息的交流，完成对系统各状态、参数的设定与显示。本系统的显示模块由6 个七段码l e d 数码管及各种状态显示灯构成，并有1 z 个键盘与之配合组成系统基本的输入输出界面。 2 4 本章小结 本章根据绣花机的工作原理制定了绣花机控制系统特别是核心运动部件的整体方案， 选定了各电机及控制器的类型，分析了选择的原因，并制定了各部分的控制方案。 1 4 浙江工业大学硕士学位论文 第三章电机控制理论分析 3 1 主轴电机数学模型分析 3 1 1 永磁同步电机的结构特点 图3 1 为永磁同步电机的结构模型，定子齿槽内有三相绕组，转子由强抗退磁的永久 磁铁构成，以此形成励磁磁通，因此它无需励磁电源，效率较高。 图3 1 永磁同步电机的结构模型 根据永磁体在转子上的位置的不同，永磁同步电动机主要可分为：表面式和内置式。 在表面式永磁同步电动机中，永磁体通常呈瓦片形，并位于转子铁心的外表面上，这种电 机的重要特点是直、交轴的主电感相等；而内置式永磁同步电机的永磁体位于转子内部， 永磁体外表面与定子铁心内圆之间有铁磁物质制成的极靴，可以保护永磁体这种永磁电 机的重要特点是直、交轴的主电感不相等。 3 1 2 坐标变换 图3 2 为坐标系的空间矢量图，其中a b c 为图3 1 所示情况下的定子坐标系。d 轴为固 定在转子励磁磁通方向上的坐标轴( 直轴) ，g 轴逆时针方向超前d 轴9 0 。电角度( 交 轴) ，d 、口轴一起建立了随转子同步旋转的由坐标系。 浙江工业大学硕士学位论文 图3 2 各坐标系的空间矢量图 口 分析吣m 电机性能，最常用的方法就是用由数学模型。因此需进行a b c 标到由坐标 的矢量变换。变换须遵循电机电枢绕组在不同坐标下的合成磁势大小相等、方向相同和电 机模型变换前后遵循功率不变这两个基本原则。 口 - 卢 一d j 潲0 一 图3 3a t , c a p 变换矢量图图3 4 筇d q 变换矢量图 口 由a b c 坐标向由坐标的变换实际上包括两次变换。需用到一个过渡坐标系叩? ，如图 3 3 所示，筇坐标系由固定在定子上的水平口轴和逆时针超前9 0 。的p 轴组成。 由图3 3 和图3 4 所示的矢量关系，可分别得至l j a b c d 筘( c l a r k e ) ，筇由( p a r k ) 的坐 标变换矩阵： a b e l 筇变换矩阵： 筇= 肆李2 孽2 1 6 ( 3 一1 ) 浙江工业大学硕士学位论文 a 移a b c 变换矩阵： 叩d q 变换矩阵； 由筇变换矩阵： 一周专譬 1 o l 1 巫 = 瞄烹习 ( 3 2 ) ( 3 3 ) 旷瞄= l c s 卅 通过对上面两种变换矩阵的分析处理可得： a b c d q 变换矩阵： 旷信出裂翟裂捌c 。蝴 由咖变换矩阵： c d q a b e = 信j l 卿啪，：嚣：劂 - 6 ) _ c o s ( 0 - 1 2 0 。) - - , 5 t w o c o s o s i n 0 i 3 1 3 永磁同步电机的数学模型 永磁同步电机的数学模型由电压方程，磁链方程，转矩方程和机械运动方程组成。在 建立数学模型之前，为了简化分析过程，忽略一些影响较小的参数，作如下假设： ( 1 ) 忽略漏磁通的影响。 ( 2 ) 不考虑磁饱和现象，即定子各相绕组的电感l 和通入绕组中的电流大小、相位 无关。 ( 3 ) 定子各相绕组的电枢电阻阻值相等：定子各相绕组的电感相等。即： r n = r b = r c = r sl o = l b = l c = l 1 1 7 浙江工业大学硕士学位论文 关。 ( 4 ) 气隙分布均匀，磁回路与转子的位置无关，即各相绕组的电感与转子的位置无 ( 5 ) 转子磁链在气隙中呈正弦分布。转子磁链在各相绕组中的交链分别为： c o s 0 = 町l c o s 够一扣 c o s ( 口+ 昙万) j ( 3 7 ) 其中l 壬，为转子磁链的幅值，对于给定永磁同步电机来说其值一般为常数。口为空间 茏1