孫盟盟，張團善，周文勝，郝永健

（西安工程大學機電工程學院，陜西西安 710048）

基于STM8S的縫頭機驅(qū)動控制系統(tǒng)的設(shè)計

孫盟盟，張團善，周文勝，郝永健

（西安工程大學機電工程學院，陜西西安 710048）

為適應襪子縫頭機中電子程序控制的高精度、低成本的技術(shù)要求，設(shè)計一種基于STM8S的襪子縫頭機電機驅(qū)動控制系統(tǒng).首先，根據(jù)縫頭機的工作原理提出了PWM波調(diào)壓調(diào)速控制策略，設(shè)計了無刷直流電動機的電流轉(zhuǎn)速雙閉環(huán)控制方法.然后根據(jù)調(diào)壓調(diào)速控制策略及總體控制系統(tǒng)策略，并結(jié)合縫頭機傳感器信號，設(shè)計了系統(tǒng)的硬件電路和軟件程序.通過軟硬件的在線聯(lián)合調(diào)試，結(jié)果表明，控制系統(tǒng)滿足縫頭機驅(qū)動功能，電動機波形純正，且縫頭機縫襪整齊，系統(tǒng)運行良好.

襪子縫頭機；STM8S；PWM波調(diào)壓調(diào)速；硬件電路

Key words：sock toe closing machine；STM8S；PWM strategy of voltage－velocity regulation；drive control system

0 引 言

隨著電力電子技術(shù)和計算機的發(fā)展，各種新型驅(qū)動技術(shù)在紡織機械中得到廣泛應用，國內(nèi)外紡織機械都在向自動控制方向發(fā)展，計算機和電力電子技術(shù)正在對織襪技術(shù)的發(fā)展產(chǎn)生巨大影響，像縫頭機這樣的紡織機器，其驅(qū)動技術(shù)仍在向高性能與高精度方向發(fā)展［1］.

縫頭機是紡織類機械的一種，它是對已加工好的襪子頂部進行縫合的機器，縫襪質(zhì)量的好壞和縫合效率的高低取決于控制系統(tǒng)的驅(qū)動性能指標，而當前國內(nèi)外縫頭機大多采用無刷直流電動機來驅(qū)動，對無刷直流電動機的控制方法多種多樣，但大都采用控制器組成的控制系統(tǒng)來完成對無刷直流電動機的驅(qū)動［2］，對于高性能的驅(qū)動控制系統(tǒng)，外國發(fā)展水平較高，縫頭機價格偏高，而我國發(fā)展水平較低，縫頭機驅(qū)動技術(shù)相比不夠成熟，高性能的自動縫頭機仍然從外國進口，因此研發(fā)具有我國自主知識產(chǎn)權(quán)的高精度、低成本的縫頭機驅(qū)動控制系統(tǒng)已成為迫切需求［3－4］.

本文以STM8S單片機為縫頭機下位機核心，采用PWM波換相調(diào)壓調(diào)速方法，設(shè)計了電流和速度雙閉環(huán)控制策略，并設(shè)計出縫頭機電機驅(qū)動的最小系統(tǒng)電路、電源電路、電機驅(qū)動電路、保護電路、通信電路等，且最終編寫程序進行軟硬件聯(lián)合調(diào)試，驗證了系統(tǒng)的可行性.

1 工作原理及控制策略

1.1 驅(qū)動系統(tǒng)工作原理

圖1為襪子縫頭機控制系統(tǒng)框圖.系統(tǒng)上電時，人為通過上位機發(fā)送一速度命令，通過通信電路送至下位機，下位機STM8S接受命令按指定程序運行，使電源通過逆變橋電路，加在無刷直流電機繞組上，根據(jù)霍爾傳感器信號電動機開始運行，通過電機轉(zhuǎn)子主軸上安裝的傳動機構(gòu)將動力源傳向縫頭機機械執(zhí)行機構(gòu)使襪子開始縫合，并且通過上位機實時操作實現(xiàn)電動機的調(diào)速進而實現(xiàn)襪間距的調(diào)整與工作速度等機器參數(shù)的調(diào)整，縫頭機在運行中出現(xiàn)的如卷襪、斷線、門開關(guān)未關(guān)、過壓、欠壓等故障信號通過故障傳感器電路迅速送入STM8S控制器，控制器立即作出響應，控制無刷直流電動機停止運行并將故障信號發(fā)送至上位機.

圖1 縫頭機驅(qū)動控制系統(tǒng)框圖Fig.1 Drive control system block diagram of the sock toe closing machine

1.2 控制策略

對于無刷直流電動機，采用霍爾傳感器測量轉(zhuǎn)子位置信息的無刷直流電動機的換向控制策略有二二導通方式，三三導通方式，由于無刷直流電動機的反電動勢為梯形波，而二二導通方式很好地利用了方波氣隙磁場的的平頂部分，使得電機出力大，電磁轉(zhuǎn)矩比三三導通方式要大，且電機的轉(zhuǎn)矩平穩(wěn)性好，所以本系統(tǒng)采用二二導通方式，即每次僅有兩個開關(guān)管導通，每隔60°改變一次導通狀態(tài)，每次改變僅切換一相橋臂的一個開關(guān)管，并且每個開關(guān)管連續(xù)導通120°.無刷直流電動機的電動勢平衡方程為

式中，U為電源電壓，E為反電動勢，Iac為三項繞組的平均電樞電流，rac為電動機定子繞組的平均電阻，ΔU為功率管飽和壓降.無論電動機是哪種繞組和線路結(jié)構(gòu)，定子反電動勢都可以表示為

式中，n為電動機的轉(zhuǎn)速，Kc為反電動勢常數(shù)，由以上各式整理得

由式（3）可知，在忽略電機定子電阻和開關(guān)壓降的情況下，無刷直流電動機的轉(zhuǎn)速僅和電動機的定子電壓和磁場強度有關(guān)，改變定子電壓或磁場強度都可改變電動機的轉(zhuǎn)速.由于PWM技術(shù)在頻率和效率方面有明顯的優(yōu)點，且可以有效抑制諧波，使得電動機的逆變電路性能得到了明顯提高.采用三相逆變橋，逆變橋輸入為電壓固定不變的直流電，可以通過PWM技術(shù)在同一逆變橋中既實現(xiàn)調(diào)頻又實現(xiàn)調(diào)壓，采用這種逆變橋，使電機驅(qū)動系統(tǒng)主回路和控制回路的結(jié)構(gòu)得到了簡化，進而使控制系統(tǒng)的體積減小，可靠性增高，動態(tài)響應較好.故針對本系統(tǒng)，采用調(diào)壓調(diào)速策略，采取一個開關(guān)管工作于PWM狀態(tài)進行調(diào)壓，而另一個處于常通狀態(tài)，并用HPWM－LON模式，即功率橋中對上橋臂的功率管進行PWM調(diào)制，下橋臂保持常通狀態(tài)，通過調(diào)節(jié)上橋臂的占空比進而實現(xiàn)電動機的調(diào)壓調(diào)速［5］.

根據(jù)無刷直流電動機的運行原理，文中所設(shè)計的無刷直流電機控制系統(tǒng)采用轉(zhuǎn)速電流雙閉環(huán)控制方法對無刷直流電動機進行控制，電流和轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器均采用傳統(tǒng)PI調(diào)節(jié)器進行控制.

2 整體設(shè)計

2.1 硬件設(shè)計

2.1.1 最小系統(tǒng)電路 圖2所示為縫頭機驅(qū)動控制系統(tǒng)最小系統(tǒng)電路，采用的STM8S系列單片機與傳統(tǒng)單片機相比具有2.95V的工作電壓范圍和高達20MIPS的CPU性能，最大工作頻率可達16MHz，且它的外設(shè)定義與STM32系列單片機相同，豐富的外設(shè)可實現(xiàn)精確的控制和監(jiān)視功能，并且單片機內(nèi)部擁有一個10位的模數(shù)轉(zhuǎn)換器，最多可以配置16路A／D輸入通道，先進的16位定時器特別為電機控制做了優(yōu)化設(shè)計，還具有自動6路互補PWM輸出端口，把輸出端口與ADC轉(zhuǎn)換輸入引腳作了可重配置定義，使之在電機應用時也可獲得最大的ADC轉(zhuǎn)換路數(shù)，所以這款芯片非常適合無刷直流電動機的低成本低功耗控制要求［5］.

圖2 最小系統(tǒng)電路圖Fig.2 Minimum system circuit

2.1.2 電源電路 本控制系統(tǒng)采用輸出為24V直流電的開關(guān)電源供電，并通過317MG和LM2576等芯片獲得15V電壓和5V電壓.其中24V給無刷直流電機供電，15V給開關(guān)驅(qū)動電路芯片供電，而5V則給單片機及其他芯片供電.圖3所示為電源電路圖.

2.1.3 三相電機功率橋路設(shè)計 圖4所示為三相電機橋路，本設(shè)計采用IR2101S芯片，這款芯片具有高度集成的電平轉(zhuǎn)換技術(shù)，使邏輯電路對功率管等的控制要求大大簡化，同時對功率橋中的上橋臂采用了自舉電容進行上電，使得電機驅(qū)動電源數(shù)目相對其他IC芯片驅(qū)動大大減少，在工程設(shè)計上降低了產(chǎn)品成本，提高了系統(tǒng)穩(wěn)定性［5－6］.

2.1.4 保護電路設(shè)計 電路采用LM358芯片，對電源電壓以及電機三相繞組運行中的電流進行實時在線監(jiān)測，如果出現(xiàn)過流等信號，單片機立即停止運行，保護控制系統(tǒng)以防燒壞.圖5為保護電路原理圖［7］.

圖3 電源電路圖Fig.3 Power supplycircuit

圖4 電機驅(qū)動橋路圖Fig.4 Motor drive axle road

圖5 保護電路原理圖Fig.5 Protection circuit

2.1.5 上位機通信電路設(shè)計 本控制系統(tǒng)上位機采用STM32單片機進行實時控制與監(jiān)測，上位機與下位機通信電路采用RS485芯片進行通信，此芯片通信距離長，抗干擾性能好，適合縫頭機驅(qū)動的上下位機之間的通信，圖6所示為上位機通信電路［89］.

圖6 上位機通信電路圖Fig.6PC communication circuit

2.2 軟件設(shè)計

縫頭機驅(qū)動控制系統(tǒng)程序主要由RS485通信、寄存器初始化、轉(zhuǎn)子預定位、PWM換相、速度調(diào)節(jié)、故障停止模塊等組成.硬件初始化主要是設(shè)置STM8S903單片機系統(tǒng)的時鐘，堆棧寄存器，各個I／O端口，各定時器，以及中斷控制等.通過霍爾傳感器來獲得無刷直流電動機永磁體轉(zhuǎn)子的位置信息，然后根據(jù)已獲得的電機轉(zhuǎn)子位置信息對電機進行換相.通過改變PWM波的占空比對電機進行調(diào)速［10－11］.系統(tǒng)軟件流程圖如圖7所示.

3 驗證與結(jié)果

經(jīng)過以上分析設(shè)計并制作印制電路板，編寫好STM8S單片機程序并在縫頭機機器上進行在線調(diào)試驗證，圖8為示波器測得的無刷直流電動機其中一相電壓波形.由圖8可知，該波形無雜波，無刷直流電機運行良好，轉(zhuǎn)矩穩(wěn)定，位置控制精確，縫頭效果平穩(wěn)，機器運行時襪子縫合整齊，滿足縫頭機的要求，且通過上位機可以實時在線調(diào)節(jié)無刷直流電動機的速度進而調(diào)節(jié)機器的工作效率，襪子在出現(xiàn)被卷、斷線或門開關(guān)未關(guān)等情況下均能立即停止運行，從而保護控制系統(tǒng)以及縫頭機的安全.

圖7 流程圖Fig.7 Program flow chart

圖8 相電壓波形Fig.8 Phase voltage waveform

4 結(jié)束語

本文采用PWM波調(diào)壓調(diào)速和電流轉(zhuǎn)速雙閉環(huán)控制方法，并結(jié)合硬件電路和軟件程序?qū)p頭機機器驅(qū)動源無刷直流電動機進行控制.采用上述方法使得縫頭機運行平穩(wěn)，位置控制精確，并且可以在線實時調(diào)速，提高工作效率，實踐證明這是一種合理且有效的縫頭機驅(qū)動控制系統(tǒng).

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編輯、校對：趙放

Design of the drive control system for the sock toe closing machine based on STM8S

SUN Mengmeng，ZHANG Tuanshan，ZHOU Wensheng，HAO Yongjian

（School of Mechanical and Electrical Engineering，Xi′an Polytechnic University，Xi′an 710048，China）

In order to meet the the technical requirements of the sock toe closing machine in the electronic program control of low cost and high precision，a sock toe closing machine motor drive control system based on STM8Sis designed.Firstly，the operation principle of drive system is introduced，PWM strategy of voltage－velocity regulation is put forward，and the brushless DC motor speed and current double closed loop control method is designed.Then，according to the regulating voltage and regulating speed control strategy and the overall control block diagram of the system and combining with the sensor signal of the sock toe closing machine，the hardware circuit of the system，and software program are designed.The experimental results show that the control system can meet the needs of sock toe closing machine drive function，the motor waveform is pure，the socks are stitched neatly，and the system is running in good operation through the online software and hardware debugging.

TP 273.5

A

1674－649X（2015）05－0583－06

10.13338／j.issn.1674－649x.2015.05.012

2015－06－02

科技部攻關(guān)資助項目（2012BAF13B00）

張團善（1971—），男，湖北省隨州市人，西安工程大學副教授，研究方向為紡機控制系統(tǒng)和嵌入式系統(tǒng).E－mail：459915771＠qq.com