圓頭鎖眼機控制系統設計與實現

王正武+祝本明+劉必標

摘 要： 針對系統結構復雜，電器器件多，控制復雜，通過對圓頭鎖眼機的功能特征、系統結構、人機操作界面等問題的深入分析，開發了圓頭鎖眼機智能化控制系統。該控制系統綜合應用ARM，DSP，FPGA等嵌入式技術，實現了對圓頭鎖眼機的高速、高精度運動控制。經現場應用結果表明，各項指標完全滿足設計要求，得到了很好的實際應用。

關鍵詞： ARM； DSP； FPGA； 圓頭鎖眼機控制系統

中圖分類號： TN911.7?34； TP29 文獻標識碼： A 文章編號： 1004?373X（2014）13?0122?04

Designing and realization of control system for eyelet buttonhole sewing machine

WANG Zheng?wu， ZHU Ben?ming， LIU Bi?biao

（N0.58 Research Institute of China Ordnance Industries， Mianyang 621000， China）

Abstract： According to complexity of system structure， too many electrical devices needed to control， this paper an intelligent control system for the eyelet buttonhole sewing machine was designed by analyzing the function characteristics， system structure， man?machine interface of the machine. The high?speed and high?precision motion control of the eyelet buttonhole sewing machine was realized by means of integrated application of ARM， DSP， FPGA and other embedded technologies. Application results show that all the indexes of the control system meet the design requirements. It works well in the practical application.

Keywords： ARM； DSP； FPGA； control system of eyelet buttonhole sewing machine

0 引 言

圓頭鎖眼機，又名鳳眼機，是夾克和西服等服裝加工中的關鍵設備之一，被譽為縫紉機之王。它以復雜的組合運動匹配以復雜的機械組合而著稱，其制造技術工藝相對復雜，工藝要求精密而細致。圓頭鎖眼機依靠機械控制各種動作，其內部機構交錯重疊，操作比較復雜。

目前國內市場上常見的圓頭鎖眼機廠家主要有：德國杜克普、美國利是、日本重機等國外品牌產品，國內圓頭鎖眼機產品大多數為機械型，自動化程度和產品附加值不高，產品的核心技術——控制系統主要從國外購買，處處受制于人，競爭力不強。

近年來，隨著電子技術和處理技術的發展，將嵌入式技術應用于圓頭鎖眼機控制系統，大大提高了縫制設備的自動化、智能化水平。

1 系統總體設計

1.1 工作原理

圓頭鎖眼機控制系統包含運動控制器、電機驅動器、人機界面等部分，圓頭鎖眼機如圖1所示。

圖1 圓頭鎖眼機

圓頭鎖眼機通過人機操作界面選擇扣眼類型，設置參數，然后發送指令給運動控制器處理。運動控制器將接收的指令分析處理后，將指令進一步分解給主軸驅動器、步進驅動器、電磁閥、氣閥等，并接收機械運動的電氣輸入量。

主軸驅動器驅動，步進驅動器驅動步進電機。主軸電機帶動機針上下運動，主軸電機轉一圈，機針上下一次，實現刺布縫紉；X軸、Y軸電機帶動送料框左右、前后移動，進行定位；C軸電機帶動機械旋轉，實現弧線操作；通過主軸電機編碼器的反饋信號確定允許送料區間，在允許送料區間X軸、Y軸電機才能運動，以此實現刺布與送料的同步；于此同時，零位開關將機械位置實時反饋給運動控制器。

1.2 系統總體結構

控制系統為開放式、模塊化的軟硬件結構，其核心是基于ARM、DSP、FPGA硬件架構和以WINCE為軟件平臺。DSP芯片作為控制處理器，主要完成各種運動控制算法；FPGA完成各種運動控制接口、系統開關量以及系統內部各種邏輯控制；ARM芯片通過RS 232協調、調度FPGA和DSP工作，共同構建智能化縫制設備控制系統的核心單元。系統結構圖2所示。

圖2 系統總體結構

2 系統硬件設計

控制系統硬件平臺采用主從式雙CPU結構。上位機以ARM9芯片S3C2440為核心的人機界面，主要包括ARM主板、觸摸顯示屏；下位機是以DSP，FPGA為核心的運動控制卡及以DSP為核心的交流伺服驅動器，主要具有運動控制、步進電機驅動、主軸電機驅動等功能。上下位機之間通過RS 232通信方式交換數據和信息。

2.1 ARM主板

ARM主板以三星公司的ARM9芯片S3C2440為核心，工作頻率為300 MHz，板載SDRAM內存設計為64 MB，工作頻率為133 MHz，采用64 MB的NAND FLASH作為系統鏡像及應用程序存儲設備，包含板載FLASH，支持LCD屏，并具有USB、串口等總線接口。上位機主板結構框圖如圖3所示。

ARM主板主要負責640×480分辨率，256K Color TFT LCD液晶屏顯示，4線電阻式觸摸屏操作，USB外部數據接口，SD卡接口，通過RS 232通信與運動控制板之間進行實時數據傳送。

2.2 專用運動控制卡

由于圓頭鎖眼機運動控制復雜，輸入/輸出（I/O）開關量多，資源需求大，因此圓頭鎖眼機專用高性能運動控制卡采用ALTERA公司的EP3C16Q240C8芯片和TI公司的DSP芯片TMS320F28332PGFA為核心，研發了用于圓頭鎖眼機控制系統專用運動控制卡。該控制系統構成了運動控制單元（1個主軸、2個水平進給軸和1個旋轉進給軸的運動控制）、擁有13個數字輸出和13個數字輸入、2個模擬輸入、1個模擬輸出、5個電磁鐵輸出等功能模塊；FRAM能實時動態存儲系統的運行狀態信息。該結構模式既充分利用DSP數據信號處理能力，進行復雜算法運算；又充分利用FPGA設計、修改方便簡潔；即充分發揮DSP算法運算優勢，又體現了FPGA運算速度快的特點，使其資源互補。其硬件框圖如圖4，圖5所示。

圖3 ARM主板硬件框圖

圖4 FPGA總體框架

2.3 專用主軸伺服驅動

圓頭鎖眼機專用交流伺服驅動器是圓頭鎖眼機控制系統的關鍵部件，用于控制圓頭鎖眼機主軸電機的運轉。伺服控制系統由交流伺服驅動器及交流伺服電機組成，交流伺服驅動器以高性能數字信號處理器（DSP）及大規模可編程邏輯器件（CPLD）為處理器，運用現代伺服電機控制理論，以旋轉編碼器和電流傳感器為反饋，以智能功率模塊（IPM）為逆變器實現對交流伺服電機的高性能控制。交流伺服系統原理框圖如圖6所示。

圖5 FPGA控制驅動原理框圖

圖6 伺服控制系統原理框圖

控制程序主要完成電機位置環、速度環、電流環的實時控制。在控制程序中主要有以下幾種控制模式：位置控制、速度控制、轉矩控制。圖7是交流伺服驅動系統框圖。

專用交流伺服驅動器針對圓頭鎖眼機應用的具體情況，在保證交流伺服驅動器優異性能和滿足實際需要的前提下，對驅動器進行簡化設計，去掉了那些不必要的功能，并根據縫紉機運動的特性優化了控制算法。采用交流伺服電機作為縫紉機主軸，在不需要縫紉操作時，伺服電機停止轉動，節能至少20%以上。該項技術的突破，使驅動器的生產成本大幅度降低，與市場上通用型交流伺服比較，可降低成本1 500元以上，并能與縫紉機的主軸和進給軸更好地配合，實現了同一驅動器對不同交流伺服電機的自動辨識。

2.4 閉環步進驅動控制

圓頭鎖眼機對縫紉精度要求非常高，要求縫紉機機械在高速縫紉的同時，保證具有良好縫紉效果，因此水平進給軸和旋轉進給軸必須具有快速的響應能力，用步進電機作為圓頭鎖眼機的進給電機非常適合，能很好地保證縫紉針距均勻，線跡美觀。

步進電機能夠將電的脈沖信號轉換成相應的角位移，是一種離散型自動化執行元件。隨著計算機控制系統的發展，步進電機廣泛用于同步系統、直線及角位系統、點位系統、連續軌跡控制系統以及其他自動化系統中，是高科技發展的一個重要環節。閉環步進驅動控制原理框圖如圖8所示。

圖8 閉環步進驅動控制原理框圖

步進電機的全數字化閉環控制技術，采用32位高性能DSP處理器，實現電機繞組電流的數字化控制，使用電子齒輪、微細分、電磁轉距的矢量控制等技術，實現對電機轉子位置閉環控制，解決電機震蕩和丟步問題，提升步進電機運轉性能，減小電機發熱，大大提升了步進電機的性能。全數字閉環步進驅動主控制電路如圖9所示。

步進電機閉環驅動具有步進電機開環驅動和直流無刷伺服電機的優點，提高了矩頻特性，輸出功率/轉矩曲線得以提高，效率?轉矩曲線提高。因此，閉環驅動的步進電機的性能在所有方面均優于開環驅動的步進電機，可得到比開環控制更高的運行速度，更穩定、更光滑的轉速。

3 系統軟件設計

系統軟件在特定的硬件架構上與縫紉機機械部分配合完成圓扣眼鎖眼機可以實現的特定功能，根據硬件架構可以分為兩個部分，即上位機（ARM主板）和下位機（運動控制卡）兩部分。這兩個軟件是相輔相成，缺一不可的，上下位機通過RS 232通信方式交換數據和信息。圓扣眼鎖眼機控制系統上位機具有文件管理、參數設置、扣眼文件編制、扣眼文件修改、扣眼文件運行等功能。圓扣眼鎖眼機控制系統下位機主要完成上位機發出的各種指令，具體包括信號輸入控制、信號輸出控制、電磁鐵信號控制、電機運動控制等。

圖9 全數字閉環步進驅動主控制原理框圖

上位機通過RS 232串行通信實現與下位機之間雙向通信，下位機接收上位機發送的指令，進行相應的操作，并將相應的數據反饋回上位機。通信使用主從技術，即僅主設備（上位機）能初始化傳輸（查詢），從設備（下位機）根據主設備查詢提供的數據作出相應反應。

下位機通過SCI接口接收上位機發送的數據并發送反饋數據。通過SPI接口，接一片32 KB FRAM，用于參數存儲。FPGA通過電機接口控制主軸電機驅動器和兩個步進電機驅動器。FPGA通過輸入接口控制開關量的輸入，也通過輸出接口控制開關量的輸出。DSP通過外接RAM的0xff00～0xff80地址操作FPGA，來完成電機控制功能、輸入信號和輸出信號設置功能。DSP通過相應的地址讀取已編譯花樣文件和設定的運行速度，通過運動控制卡控制各驅動器，從而實現對各軸位置運動的控制和速度的控制。DSP通過相應的地址讀取各輸入信號實現對應的相關功能。同時DSP接收上位機的指令，通過相應的地址操作FPGA，寫入各輸出信號實現相應的功能。

系統軟件流程如圖10所示。

圖10 系統軟件流程圖

4 結 語

該控制系統具有快速、高精度、擴張功能快捷、操作方便、性價比高等優點，各項指標完全滿足設計要求。該產品已經批量生產，產品遠銷國內外，市場前景十分廣闊，產生了良好的經濟、社會效益。

參考文獻

[1] 楊奕昕，祝本明，趙毅忠.智能化縫制單元控制系統的實現[J].四川兵工學報，2011，32（8）：74?75.

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[5] 紫文才，何邦貴，紫振欽.基于FPGA的步進電機優化控制[J].現代電子技術，2013，36（23）：142?144.

[6] 莊瑞榮，吳先球.基于LabVIEW的步進電機控制[J].現代電子技術，2012，35（4）：202?204.

ARM主板主要負責640×480分辨率，256K Color TFT LCD液晶屏顯示，4線電阻式觸摸屏操作，USB外部數據接口，SD卡接口，通過RS 232通信與運動控制板之間進行實時數據傳送。

2.2 專用運動控制卡

由于圓頭鎖眼機運動控制復雜，輸入/輸出（I/O）開關量多，資源需求大，因此圓頭鎖眼機專用高性能運動控制卡采用ALTERA公司的EP3C16Q240C8芯片和TI公司的DSP芯片TMS320F28332PGFA為核心，研發了用于圓頭鎖眼機控制系統專用運動控制卡。該控制系統構成了運動控制單元（1個主軸、2個水平進給軸和1個旋轉進給軸的運動控制）、擁有13個數字輸出和13個數字輸入、2個模擬輸入、1個模擬輸出、5個電磁鐵輸出等功能模塊；FRAM能實時動態存儲系統的運行狀態信息。該結構模式既充分利用DSP數據信號處理能力，進行復雜算法運算；又充分利用FPGA設計、修改方便簡潔；即充分發揮DSP算法運算優勢，又體現了FPGA運算速度快的特點，使其資源互補。其硬件框圖如圖4，圖5所示。

圖3 ARM主板硬件框圖

圖4 FPGA總體框架

2.3 專用主軸伺服驅動

圓頭鎖眼機專用交流伺服驅動器是圓頭鎖眼機控制系統的關鍵部件，用于控制圓頭鎖眼機主軸電機的運轉。伺服控制系統由交流伺服驅動器及交流伺服電機組成，交流伺服驅動器以高性能數字信號處理器（DSP）及大規模可編程邏輯器件（CPLD）為處理器，運用現代伺服電機控制理論，以旋轉編碼器和電流傳感器為反饋，以智能功率模塊（IPM）為逆變器實現對交流伺服電機的高性能控制。交流伺服系統原理框圖如圖6所示。

圖5 FPGA控制驅動原理框圖

圖6 伺服控制系統原理框圖

控制程序主要完成電機位置環、速度環、電流環的實時控制。在控制程序中主要有以下幾種控制模式：位置控制、速度控制、轉矩控制。圖7是交流伺服驅動系統框圖。

專用交流伺服驅動器針對圓頭鎖眼機應用的具體情況，在保證交流伺服驅動器優異性能和滿足實際需要的前提下，對驅動器進行簡化設計，去掉了那些不必要的功能，并根據縫紉機運動的特性優化了控制算法。采用交流伺服電機作為縫紉機主軸，在不需要縫紉操作時，伺服電機停止轉動，節能至少20%以上。該項技術的突破，使驅動器的生產成本大幅度降低，與市場上通用型交流伺服比較，可降低成本1 500元以上，并能與縫紉機的主軸和進給軸更好地配合，實現了同一驅動器對不同交流伺服電機的自動辨識。

2.4 閉環步進驅動控制

圓頭鎖眼機對縫紉精度要求非常高，要求縫紉機機械在高速縫紉的同時，保證具有良好縫紉效果，因此水平進給軸和旋轉進給軸必須具有快速的響應能力，用步進電機作為圓頭鎖眼機的進給電機非常適合，能很好地保證縫紉針距均勻，線跡美觀。

步進電機能夠將電的脈沖信號轉換成相應的角位移，是一種離散型自動化執行元件。隨著計算機控制系統的發展，步進電機廣泛用于同步系統、直線及角位系統、點位系統、連續軌跡控制系統以及其他自動化系統中，是高科技發展的一個重要環節。閉環步進驅動控制原理框圖如圖8所示。

圖8 閉環步進驅動控制原理框圖

步進電機的全數字化閉環控制技術，采用32位高性能DSP處理器，實現電機繞組電流的數字化控制，使用電子齒輪、微細分、電磁轉距的矢量控制等技術，實現對電機轉子位置閉環控制，解決電機震蕩和丟步問題，提升步進電機運轉性能，減小電機發熱，大大提升了步進電機的性能。全數字閉環步進驅動主控制電路如圖9所示。

步進電機閉環驅動具有步進電機開環驅動和直流無刷伺服電機的優點，提高了矩頻特性，輸出功率/轉矩曲線得以提高，效率?轉矩曲線提高。因此，閉環驅動的步進電機的性能在所有方面均優于開環驅動的步進電機，可得到比開環控制更高的運行速度，更穩定、更光滑的轉速。

3 系統軟件設計

系統軟件在特定的硬件架構上與縫紉機機械部分配合完成圓扣眼鎖眼機可以實現的特定功能，根據硬件架構可以分為兩個部分，即上位機（ARM主板）和下位機（運動控制卡）兩部分。這兩個軟件是相輔相成，缺一不可的，上下位機通過RS 232通信方式交換數據和信息。圓扣眼鎖眼機控制系統上位機具有文件管理、參數設置、扣眼文件編制、扣眼文件修改、扣眼文件運行等功能。圓扣眼鎖眼機控制系統下位機主要完成上位機發出的各種指令，具體包括信號輸入控制、信號輸出控制、電磁鐵信號控制、電機運動控制等。

圖9 全數字閉環步進驅動主控制原理框圖

上位機通過RS 232串行通信實現與下位機之間雙向通信，下位機接收上位機發送的指令，進行相應的操作，并將相應的數據反饋回上位機。通信使用主從技術，即僅主設備（上位機）能初始化傳輸（查詢），從設備（下位機）根據主設備查詢提供的數據作出相應反應。

下位機通過SCI接口接收上位機發送的數據并發送反饋數據。通過SPI接口，接一片32 KB FRAM，用于參數存儲。FPGA通過電機接口控制主軸電機驅動器和兩個步進電機驅動器。FPGA通過輸入接口控制開關量的輸入，也通過輸出接口控制開關量的輸出。DSP通過外接RAM的0xff00～0xff80地址操作FPGA，來完成電機控制功能、輸入信號和輸出信號設置功能。DSP通過相應的地址讀取已編譯花樣文件和設定的運行速度，通過運動控制卡控制各驅動器，從而實現對各軸位置運動的控制和速度的控制。DSP通過相應的地址讀取各輸入信號實現對應的相關功能。同時DSP接收上位機的指令，通過相應的地址操作FPGA，寫入各輸出信號實現相應的功能。

系統軟件流程如圖10所示。

圖10 系統軟件流程圖

4 結 語

該控制系統具有快速、高精度、擴張功能快捷、操作方便、性價比高等優點，各項指標完全滿足設計要求。該產品已經批量生產，產品遠銷國內外，市場前景十分廣闊，產生了良好的經濟、社會效益。

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ARM主板主要負責640×480分辨率，256K Color TFT LCD液晶屏顯示，4線電阻式觸摸屏操作，USB外部數據接口，SD卡接口，通過RS 232通信與運動控制板之間進行實時數據傳送。

2.2 專用運動控制卡

由于圓頭鎖眼機運動控制復雜，輸入/輸出（I/O）開關量多，資源需求大，因此圓頭鎖眼機專用高性能運動控制卡采用ALTERA公司的EP3C16Q240C8芯片和TI公司的DSP芯片TMS320F28332PGFA為核心，研發了用于圓頭鎖眼機控制系統專用運動控制卡。該控制系統構成了運動控制單元（1個主軸、2個水平進給軸和1個旋轉進給軸的運動控制）、擁有13個數字輸出和13個數字輸入、2個模擬輸入、1個模擬輸出、5個電磁鐵輸出等功能模塊；FRAM能實時動態存儲系統的運行狀態信息。該結構模式既充分利用DSP數據信號處理能力，進行復雜算法運算；又充分利用FPGA設計、修改方便簡潔；即充分發揮DSP算法運算優勢，又體現了FPGA運算速度快的特點，使其資源互補。其硬件框圖如圖4，圖5所示。

圖3 ARM主板硬件框圖

圖4 FPGA總體框架

2.3 專用主軸伺服驅動

圓頭鎖眼機專用交流伺服驅動器是圓頭鎖眼機控制系統的關鍵部件，用于控制圓頭鎖眼機主軸電機的運轉。伺服控制系統由交流伺服驅動器及交流伺服電機組成，交流伺服驅動器以高性能數字信號處理器（DSP）及大規模可編程邏輯器件（CPLD）為處理器，運用現代伺服電機控制理論，以旋轉編碼器和電流傳感器為反饋，以智能功率模塊（IPM）為逆變器實現對交流伺服電機的高性能控制。交流伺服系統原理框圖如圖6所示。

圖5 FPGA控制驅動原理框圖

圖6 伺服控制系統原理框圖

控制程序主要完成電機位置環、速度環、電流環的實時控制。在控制程序中主要有以下幾種控制模式：位置控制、速度控制、轉矩控制。圖7是交流伺服驅動系統框圖。

專用交流伺服驅動器針對圓頭鎖眼機應用的具體情況，在保證交流伺服驅動器優異性能和滿足實際需要的前提下，對驅動器進行簡化設計，去掉了那些不必要的功能，并根據縫紉機運動的特性優化了控制算法。采用交流伺服電機作為縫紉機主軸，在不需要縫紉操作時，伺服電機停止轉動，節能至少20%以上。該項技術的突破，使驅動器的生產成本大幅度降低，與市場上通用型交流伺服比較，可降低成本1 500元以上，并能與縫紉機的主軸和進給軸更好地配合，實現了同一驅動器對不同交流伺服電機的自動辨識。

2.4 閉環步進驅動控制

圓頭鎖眼機對縫紉精度要求非常高，要求縫紉機機械在高速縫紉的同時，保證具有良好縫紉效果，因此水平進給軸和旋轉進給軸必須具有快速的響應能力，用步進電機作為圓頭鎖眼機的進給電機非常適合，能很好地保證縫紉針距均勻，線跡美觀。

步進電機能夠將電的脈沖信號轉換成相應的角位移，是一種離散型自動化執行元件。隨著計算機控制系統的發展，步進電機廣泛用于同步系統、直線及角位系統、點位系統、連續軌跡控制系統以及其他自動化系統中，是高科技發展的一個重要環節。閉環步進驅動控制原理框圖如圖8所示。

圖8 閉環步進驅動控制原理框圖

步進電機的全數字化閉環控制技術，采用32位高性能DSP處理器，實現電機繞組電流的數字化控制，使用電子齒輪、微細分、電磁轉距的矢量控制等技術，實現對電機轉子位置閉環控制，解決電機震蕩和丟步問題，提升步進電機運轉性能，減小電機發熱，大大提升了步進電機的性能。全數字閉環步進驅動主控制電路如圖9所示。

步進電機閉環驅動具有步進電機開環驅動和直流無刷伺服電機的優點，提高了矩頻特性，輸出功率/轉矩曲線得以提高，效率?轉矩曲線提高。因此，閉環驅動的步進電機的性能在所有方面均優于開環驅動的步進電機，可得到比開環控制更高的運行速度，更穩定、更光滑的轉速。

3 系統軟件設計

系統軟件在特定的硬件架構上與縫紉機機械部分配合完成圓扣眼鎖眼機可以實現的特定功能，根據硬件架構可以分為兩個部分，即上位機（ARM主板）和下位機（運動控制卡）兩部分。這兩個軟件是相輔相成，缺一不可的，上下位機通過RS 232通信方式交換數據和信息。圓扣眼鎖眼機控制系統上位機具有文件管理、參數設置、扣眼文件編制、扣眼文件修改、扣眼文件運行等功能。圓扣眼鎖眼機控制系統下位機主要完成上位機發出的各種指令，具體包括信號輸入控制、信號輸出控制、電磁鐵信號控制、電機運動控制等。

圖9 全數字閉環步進驅動主控制原理框圖

上位機通過RS 232串行通信實現與下位機之間雙向通信，下位機接收上位機發送的指令，進行相應的操作，并將相應的數據反饋回上位機。通信使用主從技術，即僅主設備（上位機）能初始化傳輸（查詢），從設備（下位機）根據主設備查詢提供的數據作出相應反應。

下位機通過SCI接口接收上位機發送的數據并發送反饋數據。通過SPI接口，接一片32 KB FRAM，用于參數存儲。FPGA通過電機接口控制主軸電機驅動器和兩個步進電機驅動器。FPGA通過輸入接口控制開關量的輸入，也通過輸出接口控制開關量的輸出。DSP通過外接RAM的0xff00～0xff80地址操作FPGA，來完成電機控制功能、輸入信號和輸出信號設置功能。DSP通過相應的地址讀取已編譯花樣文件和設定的運行速度，通過運動控制卡控制各驅動器，從而實現對各軸位置運動的控制和速度的控制。DSP通過相應的地址讀取各輸入信號實現對應的相關功能。同時DSP接收上位機的指令，通過相應的地址操作FPGA，寫入各輸出信號實現相應的功能。

系統軟件流程如圖10所示。

圖10 系統軟件流程圖

4 結 語

該控制系統具有快速、高精度、擴張功能快捷、操作方便、性價比高等優點，各項指標完全滿足設計要求。該產品已經批量生產，產品遠銷國內外，市場前景十分廣闊，產生了良好的經濟、社會效益。

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