平鎖縫紉機(jī)運(yùn)動控制卡設(shè)計

祝本明，劉必標(biāo)，張?zhí)煊?，?緯

（中國兵器工業(yè)第58研究所 四川 綿陽 621000）

平鎖縫紉機(jī)運(yùn)動控制卡設(shè)計

祝本明，劉必標(biāo)，張?zhí)煊樱?緯

（中國兵器工業(yè)第58研究所 四川 綿陽 621000）

針對平扣眼鎖眼縫紉機(jī)結(jié)構(gòu)復(fù)雜，電器器件多，控制復(fù)雜的特點，在對平扣眼鎖眼鎖眼機(jī)的功能特征、系統(tǒng)結(jié)構(gòu)、人機(jī)操作界面等問題的深入分析的基礎(chǔ)上，提出了一種基于DSP和FPGA的平扣眼鎖眼縫紉機(jī)運(yùn)動控制卡的設(shè)計方案，該方案集成了運(yùn)動控制、交流伺服控制、步進(jìn)驅(qū)動控制、接口控制等功能，具有通用性好軟件易于修改升級調(diào)試方便等特點。經(jīng)現(xiàn)場應(yīng)用結(jié)果表明，各項指標(biāo)完全滿足設(shè)計要求，得到了很好的實際應(yīng)用。

平扣眼鎖眼縫紉機(jī)；運(yùn)動控制卡；DSP；FPGA

隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展和縫制設(shè)備制造工藝技術(shù)的進(jìn)步，國外對縫紉機(jī)的研究主要有：自動化、智能化、高效、節(jié)能和環(huán)保的智能化縫制設(shè)備方向發(fā)展。傳統(tǒng)工業(yè)平縫機(jī)只能完成簡單的縫制工作，需要操作工人自己進(jìn)行手工剪線，更加沒有撥線和倒縫功能，加工效率比較低，市場上急需多性能、易操作和維修的新品種機(jī)器，縫制設(shè)備逐漸向著自動化、智能化、高效、節(jié)能和環(huán)保的方向發(fā)展。

國內(nèi)很多企業(yè)對技術(shù)開發(fā)不重視，缺乏技術(shù)開發(fā)規(guī)劃，對行業(yè)產(chǎn)品預(yù)見性不強(qiáng)，科研投入普遍不足；產(chǎn)品主要是以仿制國外的產(chǎn)品為主，缺乏自主創(chuàng)新能力；對于一些急需突破的縫紉機(jī)關(guān)鍵技術(shù)，均是借鑒國外現(xiàn)有技術(shù)，沒有形成自己的核心技術(shù)，智能化程度較高的智能化縫制設(shè)備都依賴進(jìn)口。

近年來，國內(nèi)縫制設(shè)備制造商已經(jīng)將智能化縫制設(shè)備控制系統(tǒng)作為研究重點，但是由于智能化縫制設(shè)備控制系統(tǒng)技術(shù)含量高，控制復(fù)雜，因此研制開發(fā)投入較大。此外該行業(yè)從事機(jī)電一體化開發(fā)研究的技術(shù)人才缺乏，既熟悉縫紉機(jī)技術(shù)又掌握電子信息及自動控制技術(shù)的復(fù)合型人才更少，這些都為國內(nèi)發(fā)展智能化數(shù)控縫制設(shè)備帶來了困難。國內(nèi)縫制設(shè)備制造企業(yè)憑借多年的技術(shù)和經(jīng)驗積累，目前已能夠設(shè)計智能化縫制設(shè)備的機(jī)械部分，還沒有研發(fā)出能與國外產(chǎn)品競爭的控制系統(tǒng)。

1 總體設(shè)計

平鎖縫制運(yùn)動控制卡以TI公司的DSP芯片TMS320LF 2407A和ACTEL公司的A3P400 FPGA芯片為核心。DSP芯片作為控制處理器，主要完成各種運(yùn)動控制算法、交流伺服控制算法、步進(jìn)驅(qū)動控制算法；FPGA協(xié)助DSP工作，完成各種運(yùn)動控制接口、系統(tǒng)開關(guān)量以及系統(tǒng)內(nèi)部各種邏輯控制；DSP和FPGA協(xié)同工作，共同構(gòu)建智能化縫制設(shè)備控制系統(tǒng)的核心單元，既充分利用DSP數(shù)據(jù)信號處理能力，進(jìn)行復(fù)雜算法運(yùn)算；又充分發(fā)揮FPGA運(yùn)算速度快的特點，使其資源互補(bǔ)[1]。平鎖縫制運(yùn)動控制卡系統(tǒng)框圖如圖1所示。

2 DSP

圖1 系統(tǒng)框圖Fig.1 Block diagram of system

TMS320C2000系列DSP是一種價格低、性能高的定點DSP芯片。TMS320LF2407屬于 TMS320C2000系列，它既具有一般TMS320C2000系列芯片的高速運(yùn)算和信號處理能力外，又具有和單片機(jī)一樣在片內(nèi)集成了豐富的外設(shè)，所以特別適用于數(shù)字控制系統(tǒng)；設(shè)計中，利用DSP芯片上外設(shè)接口SCI擴(kuò)展了多協(xié)議異步串口通信，多協(xié)議芯片采用MAXIM公司的MAX485芯片，利用SPI接口擴(kuò)展的256K FRAM。振蕩電路從外部給TMS320LF2407提供了穩(wěn)定時鐘信號工作，設(shè)計中采用了10 M有源晶振向TMS320LF2407提供時鐘信號。用一塊 RAM芯片 IS61LV6416完成對程序存儲空間和數(shù)據(jù)存儲空間分別64K*16Bits的擴(kuò)展。IS61LV6416是ISS公司生產(chǎn)的64K*16Bits CMOS低功耗3.3V存儲芯片，通過總線與FPGA相連，用來完成PC與DSP間的數(shù)據(jù)交換。利用DSP自身模數(shù)轉(zhuǎn)換器模塊，對提升踏板的模擬輸入信號進(jìn)行采樣/保持和AD轉(zhuǎn)換，完成提升踏板的模擬設(shè)計。復(fù)位電路將使 LF2407上電后正常運(yùn)行或是按控制要求使程序重新運(yùn)行。除此以外，還有JTAG下載引腳電路，以及一些管腳的上拉或下拉電路等[2-3]。

DSP芯片作為控制處理器，主要完成花樣圖形示教編程、縫紉針距平均分割、插補(bǔ)控制?；訄D形示教編程技術(shù)充分利用觸摸屏操作方便的優(yōu)點，在觸摸屏上用點方式輸入曲線，系統(tǒng)軟件自動進(jìn)行曲線擬合和縫紉針距分割，給加工生產(chǎn)帶來很大的方便?；由伤惴ㄖ饕兄本€針步數(shù)據(jù)生成算法、圓弧針步數(shù)據(jù)生成算法、曲線針步數(shù)據(jù)生成算法。直線和圓弧針步數(shù)據(jù)生成算法思想基本一致，都是首先計算直線段（圓弧段）的長度（弧度），計算理論針步數(shù)，確定實際針距。曲線針步數(shù)據(jù)生成算法思想是采用B樣條曲線擬合給定的散點，得到擬合點，再根據(jù)給定的針距，結(jié)合擬合點坐標(biāo)，采用微直線組合的方法，計算出整個曲線的總長度和實際針步數(shù)，再計算出實際的針距，采用累加擬合點長度的方法，計算出每一個針步的絕對坐標(biāo)。實際中，大多采用曲線針步數(shù)據(jù)生成算法，或者3種算法的綜合運(yùn)用。

縫紉針距平均分割、插補(bǔ)控制是縫紉數(shù)據(jù)生成的基本功能。針對縫制設(shè)備要求的針距均分、倒縫重合等特殊要求，設(shè)計了直線、圓弧分割、插補(bǔ)算法，并在此基礎(chǔ)上完成了縫制設(shè)備專用的曲線擬合算法。在按設(shè)定針距擬合曲線時，可依據(jù)曲線實際軌跡自動調(diào)節(jié)針距大小，保證了平均分割的實現(xiàn)。

系統(tǒng)在運(yùn)動控制上采用軟、硬件配合的兩級插補(bǔ)方法，先由軟件根據(jù)縫制花樣輪廓將其分成若干直線段 （粗插補(bǔ)），然后再由硬件對粗插補(bǔ)輸出的直線段細(xì)化（精插補(bǔ)），形成輸出脈沖。既充分利用DSP數(shù)據(jù)信號處理能力，進(jìn)行復(fù)雜算法運(yùn)算；又充分發(fā)揮FPGA響應(yīng)速度快的特點，使其資源互補(bǔ)。

3 FPGA模塊

FPGA主要控制6個步進(jìn)驅(qū)動、交流伺服驅(qū)動、接口信號等功能模塊。硬件設(shè)計的集成化與柔性化，提高了系統(tǒng)的可靠性及滿足市場需求的多樣性。在該專用大規(guī)模集成電路中實現(xiàn)了進(jìn)給電機(jī)的自動加減速控制、運(yùn)動軸插補(bǔ)控制和位置控制等，突破了在高速縫紉過程中軟件難以控制加減速的技術(shù)瓶頸，大大提高了系統(tǒng)的高速加工指標(biāo)和穩(wěn)定性[4]。

FPGA接收來自DSP的指令操作以及外部I/O輸入操作，發(fā)出相應(yīng)作業(yè)命令給各個步進(jìn)驅(qū)動、主軸驅(qū)動以及電磁鐵。FPGA控制驅(qū)動原理如圖2所示。

圖2 FPGA控制驅(qū)動原理框圖Fig.2 Schematic diagram of FPGA control drive

FPGA系統(tǒng)采用流水線方式設(shè)計，分別設(shè)計了系統(tǒng)控制寄存器，運(yùn)動軸插補(bǔ)操作寄存器，運(yùn)動軸位置寄存器，運(yùn)動軸控制狀態(tài)寄存器模塊，設(shè)計了插補(bǔ)時鐘分頻器，使其輸出的插補(bǔ)時鐘同步于基準(zhǔn)時鐘的上升沿。

FPGA在DSP完成粗插補(bǔ)運(yùn)算后，進(jìn)行精插補(bǔ)運(yùn)算，準(zhǔn)確定位縫制運(yùn)動軌跡。

FPGA還完成中斷狀態(tài)讀?。恢袛鄻?biāo)志清除及處理；中斷邊沿檢測，限位、報警禁止插補(bǔ)信號處理；a、b相反饋脈沖四倍頻，倍頻輸出的脈沖邊沿同步于輸入采樣脈沖的下降沿；回零控制等功能。

4 交流伺服控制模塊

針對縫紉機(jī)應(yīng)用的具體情況，在保證交流伺服驅(qū)動器優(yōu)異性能和滿足實際需要的前提下，對驅(qū)動器進(jìn)行簡化設(shè)計，將交流伺服驅(qū)動控制集成在運(yùn)動控制卡中，有效地解決了高電壓、大電流對弱信號、模擬信號造成的極大電磁干擾，簡化了系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，增強(qiáng)了抗干擾能力，提高了系統(tǒng)的可靠性，降低了生產(chǎn)成本。交流伺服系統(tǒng)原理框圖如圖3所示。

圖3 交流伺服驅(qū)動器原理圖Fig.3 Schematic diagram of AC servo drive

交流伺服驅(qū)動控制以高性能DSP為處理器、以旋轉(zhuǎn)編碼器和電流傳感器為反饋、智能功率模塊IPM為逆變器，并根據(jù)縫紉機(jī)運(yùn)動的特性優(yōu)化了電機(jī)位置環(huán)、速度環(huán)、電流環(huán)實時控制算法，實現(xiàn)對交流伺服電機(jī)的高性能控制。該項技術(shù)的突破，使驅(qū)動器的生產(chǎn)成本大幅度降低，并能與縫紉機(jī)的主軸和進(jìn)給軸更好地配合[5]。全數(shù)字伺服系統(tǒng)原理圖如圖4所示。

5 全數(shù)字閉環(huán)驅(qū)動模塊

步進(jìn)電機(jī)能夠?qū)㈦姷拿}沖信號轉(zhuǎn)換成相應(yīng)的角位移，是一種離散型自動化執(zhí)行元件。隨著計算機(jī)控制系統(tǒng)的發(fā)展，步進(jìn)電機(jī)廣泛用于同步系統(tǒng)、直線及角位系統(tǒng)、點位系統(tǒng)、連續(xù)軌跡控制系統(tǒng)以及其他自動化系統(tǒng)中，是高科技發(fā)展的一個重要環(huán)節(jié)[6]。閉環(huán)步進(jìn)驅(qū)動控制原理框圖如圖5所示。

圖4 全數(shù)字伺服系統(tǒng)原理圖Fig.4 Schematic diagram of full digital servo system

全數(shù)字化閉環(huán)步進(jìn)驅(qū)動采用32位高性能DSP處理器，實現(xiàn)電機(jī)繞組電流的數(shù)字化控制，使用電子齒輪、微細(xì)分、電磁轉(zhuǎn)距的矢量控制等技術(shù)，實現(xiàn)對電機(jī)轉(zhuǎn)子位置閉環(huán)控制，解決電機(jī)震蕩和丟步問題，提升步進(jìn)電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)性能，減小電機(jī)發(fā)熱，大大提升了步進(jìn)電機(jī)的性能。

電流控制采用增量式PID算法，離散的PID為：

圖5 閉環(huán)步進(jìn)驅(qū)動控制原理框圖Fig.5 Schematic diagram of closed-loop stepper drive

離散的PID第K-1個采樣時刻的輸出值為：

將式（1）、式（2）相減并整理，就可以得到增量式 PID算法公式為：

閉環(huán)步進(jìn)驅(qū)動采用恒定的采樣周期T，確定A、B、C后，只要使用前后3次測量的偏差值，就可以使用（3）式求出控制量。步進(jìn)電機(jī)閉環(huán)驅(qū)動具有步進(jìn)電機(jī)開環(huán)驅(qū)動和直流無刷伺服電機(jī)的優(yōu)點，提高了矩頻特性、輸出功率/轉(zhuǎn)矩曲線得以提高、效率-轉(zhuǎn)矩曲線提高。

步進(jìn)電機(jī)細(xì)分控制通過2S/2R變換把實際反饋電流Ia、Ib變換為DQ旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系下的量Id、Iq。步進(jìn)驅(qū)動細(xì)分控制框圖如圖6所示。

位置計數(shù)器通過控制系統(tǒng)發(fā)來的脈沖數(shù)CP和脈沖方向DIR以及本身的細(xì)分?jǐn)?shù)參數(shù)設(shè)置即可給出坐標(biāo)變換的位置信號，2S/2R坐標(biāo)變換模塊則根據(jù)此時的位置信號和實際采樣的Ia、Ib電流變換為在旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系下的Id、Iq電流，兩個電流PI則根據(jù)期望 Id、Iq和實際反饋的誤差值得到控制量Ud、Uq，再經(jīng)過2R/2S坐標(biāo)變換得到Ud、Uq，SPWM調(diào)制模塊則實現(xiàn)PWM的占空比計算和輸出。PWM輸出直接控制步進(jìn)電機(jī)的主功率電路，實現(xiàn)了步進(jìn)電機(jī)的細(xì)分驅(qū)動控制。

6 開關(guān)電源模塊

開關(guān)電源是縫制設(shè)備控制系統(tǒng)的核心部分。隨著縫制設(shè)備控制系統(tǒng)集成度的提高，系統(tǒng)硬件日益復(fù)雜，強(qiáng)弱電混合、模數(shù)電路混合、工作頻率增高，導(dǎo)致系統(tǒng)內(nèi)干擾更加嚴(yán)重。開關(guān)電源和交流伺服系統(tǒng)作為功率器件，它們的可靠性直接影響系統(tǒng)的性能[7]。通過開發(fā)高壓軟啟動、輸出過壓、短路及開環(huán)保護(hù)、輸入欠壓及過壓保護(hù)、精確的過熱及功率保護(hù)、頻率調(diào)制等技術(shù)，使用集成了高壓MOSFET及其控制電路的電源芯片，研制了高效能高壓模擬開關(guān)電源模塊。

小功率電源通常使用反激拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，具有結(jié)構(gòu)簡單、使

圖6 步進(jìn)驅(qū)動細(xì)分控制框圖Fig.6 Block diagram of stepper drive control microstep

用元器件少、成本低等特點；中等功率電源由于要求器件電壓、電流應(yīng)力要求高、容易損壞元器件等缺點，一般不使用反激拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)而使用其他電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。所以，一般開關(guān)電源中，輸出小于150 W幾乎使用反激拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，輸出大于150 W采用雙管正激拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)或其他結(jié)構(gòu)。其中雙管正激拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)具有可靠性高、開關(guān)管電壓應(yīng)力低等優(yōu)點。

7 其他模塊

通信模塊——采用RS485，RS485最大的通信距離約為1 219 M，最大傳輸速率為10 Mb/S，RS-485接口具有良好的抗噪聲干擾性，長的傳輸距離和多站能力等優(yōu)點就使其成為首選的串行接口。

接口模塊——I/O輸入/輸出信號通過光耦隔離后與FPGA的 IO接口模塊相連，以消除內(nèi)部系統(tǒng)和外部系統(tǒng)之間的影響。

8 結(jié) 論

高速、高精度、高智能化、高附加值、高性價比的縫制設(shè)備是當(dāng)今各大縫制設(shè)備廠商追求的目標(biāo)。該控制系統(tǒng)，既充分利用DSP數(shù)據(jù)信號處理能力，進(jìn)行復(fù)雜算法運(yùn)算；又充分利用FPGA設(shè)計、修改方便簡潔；即充分發(fā)揮DSP算法運(yùn)算優(yōu)勢，又體現(xiàn)了FPGA運(yùn)算速度快的特點，使其資源互補(bǔ)，樣機(jī)測試結(jié)果表明，該系統(tǒng)整體具有良好性能。

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Designing of the lockstitch buttonholing machine motion control card

ZHU Ben-ming， LIU Bi-biao， ZHANG Tian-you， REN Wei
（N0.58 Research Institute of China Ordnance Industries， Mianyang 621000， China）

According to complexity of lockstitch buttonholing machine structure，too many electrical devices needed to control，a approach of the designing computer-controlled lockstitch buttonholing machine motion control card based on DSP and FPGA is presented by analyzing function characteristics， system structure， man-machine interface.Motion control、AC servo control、stepper drive control and interface have been integrated the approach，which has been proved to have several features of good adaptability，easiness of software modification or update and convenience for debugging.Application results show that the indicators meet the design requirements，and have a very good practical application.

lockstitch buttonholing machine； motion control card； DSP； FPGA

TN06

A

1674－6236（2014）12-0183-05

2014-02-19稿件編號201402097

國家科技型中小企業(yè)技術(shù)創(chuàng)新基金支持項目（11C26215105683）

祝本明（1981—），男，安徽太和人，碩士，工程師。研究方向：數(shù)控技術(shù)。