電腦繡花機中的伺服電機驅動器的設計開發

石銳

摘要：伺服電機驅動器是電腦繡花機的執行機構，伺服電機驅動器執行的結果直接反映到繡品的質量。

關鍵詞：伺服;精確控制

隨著計算機技術、電子技術的不斷推廣，國內的電腦繡花機已具備高效、高質量、低成本、高穩定性以及繡品的統一性等特點，已取代相當一部分人工刺繡，將大量的勞動力從繁瑣、低效的勞動中解放出來，并大幅度降低了繡品的成本。與此同時，電腦繡花機的繡品質量將決定繡品本身的市場價值，伺服電機驅動器對各軸的精確控制就顯得尤為重要。

一、電腦繡花機的伺服電機驅動器介紹

電腦繡花機用到的伺服電機驅動器的位置主要有兩種，共三個，分別是主軸、X軸、Y軸。主軸是電腦繡花機速度的主要體現者，繡花機的速度就是指主軸的轉動速度，主軸每轉一圈，就完成一針的繡做，正常繡做主軸只朝一個方向轉動，但在針扎到布的瞬間需要的力量最大。X軸、Y軸是用來移動繡框的，分別控制X軸的左右移動和Y軸的上下移動，繡框的移動必須在針離開布面的時間到下一針落下來之前完成，所以，X/Y軸驅動器剛性較強，并隨著主軸的速度增大繡框移動的速度，因為X/Y軸驅動器負載都是繡框，所以參數完全一樣。

同一臺電腦繡花機，一般主軸驅動器比X/Y軸驅動器功率更大，但是剛性略低。這和負載，還有動作性質有關。

二、伺服電機驅動器的設計

1.硬件設計。

本文討論的伺服電機驅動器設計方案由微控制器+伺服電機驅動器專用控制芯片+ IPM模塊組成，并配有存儲器、CPLD和相應的接口電路、人機交互、多路開關電源等組成。

微控制器選用LPC17XX系列Cortex - M3微控制器，其工作速度最高可達120MHZ，擁有最高512KB閃存、最高64KB SRAM、12位A/D轉換器、10位D/A轉換器及內部RC振蕩器。微控制器是伺服電機驅動器的處理核心，用來完成通訊和各種收到和反饋的信號處理，并控制人機交互。

伺服電機驅動器專用控制芯片選用IRMCK201伺服電機控制器，它可以完成速度環和電流環的閉環控制，配以微控制器的位置環閉環控制，實現精確控制。

IPM模塊是伺服電機驅動器的執行機構，其電源和控制信號、反饋信號均與控制回路隔離，以保證安全并減少相互干擾。IPM收到控制電路發來的動作信號，執行相應的操作，并通過電流傳感器將輸出的各路電流反饋回控制器，并在過載時，主動發出過流報警信號，反饋回控制器。

存儲器主要用于存儲斷電前的一些信息，保證重新上電后能保持這些重要的信息。

CPLD用做邏輯處理，主要是控制信號和反饋信號的邏輯處理。

接口電路主要由伺服電機驅動器的控制信號、編碼器信號、電機線接口以及電源輸入等。控制信號包括電腦繡花機電腦發送過來的使能信號、方向信號、速度信號;編碼器信號是伺服電機自帶的編碼器反饋回來的信號，用以確定電機運動的當前位置，已確定之后的運動速度和方向;電機線接口為UVW輸出，直接驅動伺服電機運動;電源輸入接口提供交流電源，有單相AC220V，三相AC220V， 三相AC380V三種供電方式。

人機交互包括面板上的數碼顯示管和按鍵組成，數碼顯示管以菜單形式展示，可以顯示當前驅動器工作信息和報警信息，按鍵用以設置參數和查找驅動器信息。

多路開關電源采用電源開關芯片和高頻變壓器的控制方式，輸出多路隔離電源，滿足驅動器的使用。

2.軟件設計。

伺服電機驅動器的軟件設計思路，是微控制器為核心，提供給伺服電機驅動器專用控制芯片相關信息，將控制信號傳輸IPM，IPM驅動電機運動。

具體為伺服電機驅動器通電后，先檢測驅動器本身狀態和編碼器狀態，正常時，可通過按鍵操作，輸入相關參數，并保存。當驅動器收到繡花機電腦發來的伺服使能信號有效后，接收方向信號和速度信號才有效，其中方向信號的高低，決定電機轉動方向;速度信號為脈沖信號，脈沖信號的頻率就是電機轉動的速度。此三信號通過信號處理后由微控制器接收和解析，然后將動作信息傳遞給伺服電機控制器，伺服電機控制器將動作信息解析后，再通過光耦隔離發送至IPM模塊，IPM通過UVW信號發送至伺服電機，驅動伺服電機動作，電機編碼器將電機的當前位置信息反饋回伺服電機控制器，實現閉環控制。此過程中，若有異常，則停止電機驅動，并提示報警信息。

報警信息主要由過流、堵轉、過壓、過載、編碼器未連接、過熱、位置超差等，可根據顯示的報警信息檢查使用環境和維修損壞的驅動器。

三、未來發展方向

隨著機械工業的發展，機械的精度將越來越高，電機的驅動必將向著更高的速度、更重的負載、更高的精度方向發展。更高的速度，決定更高的產量，需要轉速更快的電機，更高的齒輪比，更大的IPM模塊來實現;更重的負載，決定更多的機頭、更大的繡框，這個主要指瞬間的過載能力，可通過提高IPM模塊的功率或更準確的控制來實現;更高的精度，是指伺服電機驅動器的動態響應特性，控制的越精確，繡品的精細程度越高，及繡品的品質越高，這個響應時間需要提高接收命令的速度提高，需要以更快更準的通訊方式減少接收延時，并改進控制算法達到更快更準。與此同時，伺服電機驅動器的控制器還應當進一步的簡化，接口、處理器、執行器等更簡單、更專業，算法固化，以提高伺服電機驅動器的穩定性、高效性、可靠性、高抗干擾性，并簡化維修，降低成本等等。還可以通過通訊總線，實現各驅動器之間互相通訊，組網，協調各驅動器動作的配合，減少繡花機電腦控制風險。

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