陳志錦，趙毅忠，馬　艷（中國(guó)兵器工業(yè)第58研究所，四川 綿陽(yáng)　621000）

智能縫紉機(jī)控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

陳志錦，趙毅忠，馬艷
（中國(guó)兵器工業(yè)第58研究所，四川 綿陽(yáng)621000）

針對(duì)智能縫紉機(jī)逐漸向高精度、高速度的專業(yè)化發(fā)展需求，設(shè)計(jì)了一款基于ARM+SOC智能縫紉機(jī)控制系統(tǒng)，該方案集成了系統(tǒng)電源、運(yùn)動(dòng)控制板、交流伺服驅(qū)動(dòng)器、三軸合一步進(jìn)驅(qū)動(dòng)器、ARM主板等功能模塊。該控制系統(tǒng)綜合應(yīng)用ARM、SOC等嵌入式技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了對(duì)智能縫紉機(jī)的高速、高精度運(yùn)動(dòng)控制，具有擴(kuò)張功能快捷、操作方便、性價(jià)比高等優(yōu)點(diǎn)，主要技術(shù)指標(biāo)達(dá)到國(guó)際先進(jìn)水平。

智能縫紉機(jī)；運(yùn)動(dòng)控制板；SOC；交流伺服驅(qū)動(dòng)器；步進(jìn)驅(qū)動(dòng)器

0　引言

智能縫紉機(jī)主要包括花樣機(jī)、平頭鎖眼機(jī)、套結(jié)機(jī)、圓頭鎖眼機(jī)、模板機(jī)等機(jī)型，國(guó)內(nèi)研發(fā)及生產(chǎn)主要企業(yè)有58所、大豪、斯邁迪、鮑麥克斯、星火等，國(guó)際上主要有日本三菱、兄弟、重機(jī)等。日本三菱、兄弟、重機(jī)等國(guó)外品牌只銷售整機(jī)，在技術(shù)積累、產(chǎn)品穩(wěn)定性、品牌等方面有較大優(yōu)勢(shì)，功能齊全，結(jié)構(gòu)框架穩(wěn)定，是高端用戶的首選。國(guó)內(nèi)產(chǎn)品主要是以仿制國(guó)外的產(chǎn)品為主，缺乏自主創(chuàng)新能力；對(duì)于一些急需突破的縫紉機(jī)關(guān)鍵技術(shù)，均是借鑒國(guó)外現(xiàn)有技術(shù)，沒(méi)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［1～3］。

1　硬件設(shè)計(jì)

控制系統(tǒng)為開(kāi)放式、模塊化的軟硬件結(jié)構(gòu)，采用上位機(jī)+下位機(jī)結(jié)構(gòu)，上位機(jī)為人機(jī)界面，采用液晶觸摸屏或數(shù)碼管按鍵屏；下位機(jī)包括電源板、運(yùn)動(dòng)控制板、主軸驅(qū)動(dòng)器、進(jìn)給軸驅(qū)動(dòng)器等；I/O接口板在控制箱外部單獨(dú)配置。

其核心是基于ARM、SOC硬件架構(gòu)和以WINCE為軟件平臺(tái)。SOC芯片作為控制處理器，主要完成各種運(yùn)動(dòng)控制算法和各種運(yùn)動(dòng)控制接口、系統(tǒng)開(kāi)關(guān)量以及系統(tǒng)內(nèi)部各種邏輯控制；ARM芯片通過(guò)RS232協(xié)調(diào)、調(diào)度SOC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。控制系統(tǒng)原理框圖如圖1所示。

1.1電源

AC220V直接給電源板供電，經(jīng)過(guò)EMI整流濾波后輸出DC310V。系統(tǒng)電源框圖見(jiàn)圖2所示。DC310V經(jīng)過(guò)正激式電源產(chǎn)生DC110V提供給 3合1步進(jìn)驅(qū)動(dòng)板，DC110V通過(guò)DC-DC生成DC5V、DC15V，DC5V通過(guò)LDO生成DC3.3V給DSP供電。

圖1　控制系統(tǒng)原理框圖Fig.1 Schematic diagram of control system

圖2　系統(tǒng)電源框圖Fig.2 Schematic diagram of power system

DC310V經(jīng)過(guò)反激式電源產(chǎn)生DC32V提供給運(yùn)動(dòng)控制板，DC32V通過(guò)一個(gè)DC-DC產(chǎn)生DC24V，同時(shí)通過(guò)擴(kuò)展軸擴(kuò)展接口給擴(kuò)展步進(jìn)驅(qū)動(dòng)板供電。DC5V通過(guò)LDO生成 DC3.3V、DC2.5V、DC1.8V給 FPGA供電，DC5V同時(shí)提供到上位機(jī)ARM板。

DC310V經(jīng)過(guò)反激式電源產(chǎn)生DC15V、DC5V提供給伺服驅(qū)動(dòng)板，DC5V通過(guò)LDO生成DC3.3V給DSP供電，DC5V同時(shí)提供到運(yùn)動(dòng)控制版。

1.2運(yùn)動(dòng)控制板

運(yùn)動(dòng)控制板以SmartFusion2為核心芯片，SmartFusion2內(nèi)部集成166MHZ的ARM Cortex-M3de硬核處理器、配合先進(jìn)的安全處理加速器，保護(hù)知識(shí)產(chǎn)權(quán)；在SRAM、PLL等普通外設(shè)基礎(chǔ)上，集成了高速乘法器、DDR2/3、CAN、USB、SerDes以及千兆以太網(wǎng)等高級(jí)外設(shè)，完全滿足SOC需求。其原理框圖如圖3所示。

圖3　運(yùn)動(dòng)控制板原理框圖Fig.3 Schematic diagram of motion control card

控制板主要包括基本的X軸、Y軸、Z軸的運(yùn)動(dòng)控制、以及擴(kuò)展軸運(yùn)動(dòng)控制、5個(gè)電磁鐵控制、10個(gè)輸入和14個(gè)輸出控制及上位機(jī)通信等功能，實(shí)現(xiàn)進(jìn)給電機(jī)的自動(dòng)加減速控制、運(yùn)動(dòng)軸插補(bǔ)控制和位置控制等功能。

1.3交流伺服驅(qū)動(dòng)器

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(kāi)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。交流伺服系統(tǒng)原理圖如圖4所示。

圖4　交流伺服系統(tǒng)原理圖Fig.4 Schematic diagram of AC servo drive

伺服控制系統(tǒng)由交流伺服驅(qū)動(dòng)器及交流伺服電機(jī)組成，交流伺服驅(qū)動(dòng)器以高性能數(shù)字信號(hào)處理器（DSP）及大規(guī)模可編程邏輯器件（CPLD）為處理器，運(yùn)用現(xiàn)代伺服電機(jī)控制理論，以旋轉(zhuǎn)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(shí)現(xiàn)對(duì)交流伺服電機(jī)的高性能控制。

交流伺服驅(qū)動(dòng)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(dòng)的特性優(yōu)化了電機(jī)位置環(huán)、速度環(huán)、電流環(huán)實(shí)時(shí)控制算法，實(shí)現(xiàn)對(duì)交流伺服電機(jī)的高性能控制。該項(xiàng)技術(shù)的突破，使驅(qū)動(dòng)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［4～5］。

1.4進(jìn)給軸驅(qū)動(dòng)器

步進(jìn)電機(jī)能夠?qū)㈦姷拿}沖信號(hào)轉(zhuǎn)換成相應(yīng)的角位移，是一種離散型自動(dòng)化執(zhí)行元件。隨著計(jì)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(diǎn)位系統(tǒng)、連續(xù)軌跡控制系統(tǒng)以及其他自動(dòng)化系統(tǒng)中，是高科技發(fā)展的一個(gè)重要環(huán)節(jié)。

縫紉機(jī)控制系統(tǒng)進(jìn)給軸的數(shù)量一般為2～5軸。據(jù)市場(chǎng)人員反饋的信息，以前用于2軸控制系統(tǒng)將很快被3軸控制系統(tǒng)所取代，所以進(jìn)給軸設(shè)計(jì)為三軸合一步進(jìn)驅(qū)動(dòng)器，以方便生產(chǎn)和降低成本。

三軸合一步進(jìn)驅(qū)動(dòng)器將三個(gè)單軸步進(jìn)驅(qū)動(dòng)器設(shè)計(jì)在一塊印制板，原理同單軸步進(jìn)驅(qū)動(dòng)器一致，步進(jìn)驅(qū)動(dòng)器原理框圖如圖5所示。

圖5　步進(jìn)驅(qū)動(dòng)器原理框圖Fig.5 Schematic stepper drive

電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊采用DSP進(jìn)行電機(jī)電流采樣、編碼器信號(hào)采集以及PWM信號(hào)輸出；實(shí)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(shí)現(xiàn)對(duì)電機(jī)轉(zhuǎn)子位置閉環(huán)控制，解決電機(jī)震蕩和丟步問(wèn)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：

離散的PID第K-1個(gè)采樣時(shí)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(dòng)采用恒定的采樣周期T，確定A、B、C后，只要使用前后三次測(cè)量的偏差值，就可以使用式（3）求出控制量。步進(jìn)電機(jī)閉環(huán)驅(qū)動(dòng)具有步進(jìn)電機(jī)開(kāi)環(huán)驅(qū)動(dòng)和直流無(wú)刷伺服電機(jī)的優(yōu)點(diǎn)，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。因此，閉環(huán)驅(qū)動(dòng)的步進(jìn)電機(jī)的性能在所有方面均優(yōu)于開(kāi)環(huán)驅(qū)動(dòng)的步進(jìn)電機(jī)，可得到比開(kāi)環(huán)控制更高的運(yùn)行速度，更穩(wěn)定、更光滑的轉(zhuǎn)速。

1.5人機(jī)界面

人機(jī)界面ARM主板以Cortex-A8內(nèi)核的AM3352為處理器核心，ARM主板系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖6所示。275MHz的主頻板載內(nèi)存128MB，F(xiàn)lash 128MB，支持液晶屏，具有USB、串口、以太網(wǎng)等接口。

圖6　系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖Fig.6 Schematic diagram of system

2　軟件設(shè)計(jì)

系統(tǒng)軟件在特定的硬件架構(gòu)上與縫紉機(jī)機(jī)械部分配合實(shí)現(xiàn)的特定功能，根據(jù)硬件架構(gòu)可以分為兩個(gè)部分，即上位機(jī)（ARM主板）和下位機(jī)（運(yùn)動(dòng)控制卡）兩部分。這兩個(gè)軟件是相輔相成，缺一不可的，上下位機(jī)通過(guò)RS422通信方式交換數(shù)據(jù)和信息?？刂葡到y(tǒng)上位機(jī)具有文件管理、參數(shù)設(shè)置、扣眼文件編制、扣眼文件修改、扣眼文件運(yùn)行等功能?？刂葡到y(tǒng)下位機(jī)主要完成上位機(jī)發(fā)出的各種指令，具體包括信號(hào)輸入控制、信號(hào)輸出控制、電磁鐵信號(hào)控制、電機(jī)運(yùn)動(dòng)控制等。

上位機(jī)通過(guò)RS422串行通信實(shí)現(xiàn)與下位機(jī)之間雙向通信，下位機(jī)接收上位機(jī)發(fā)送的指令，進(jìn)行相應(yīng)的操作，并將相應(yīng)的數(shù)據(jù)反饋回上位機(jī)。通信使用主從技術(shù)，即僅主設(shè)備（上位機(jī)）能初始化傳輸 （查詢），從設(shè)備（下位機(jī)）根據(jù)主設(shè)備查詢提供的數(shù)據(jù)做出相應(yīng)反應(yīng)。上位機(jī)顯示界面如圖7所示。圖8為系統(tǒng)軟件流程。

下位機(jī)接收上位機(jī)發(fā)送的數(shù)據(jù)并發(fā)送反饋數(shù)據(jù)。SOC通過(guò)電機(jī)接口控制主軸電機(jī)驅(qū)動(dòng)器和兩個(gè)步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)驅(qū)動(dòng)器；通過(guò)輸入接口控制開(kāi)關(guān)量的輸入，也通過(guò)輸出接口控制開(kāi)關(guān)量的輸出；SOC通過(guò)外接RAM地址操作，來(lái)完成電機(jī)控制功能、輸入信號(hào)和輸出信號(hào)設(shè)置功能；SOC內(nèi)置ARM通過(guò)相應(yīng)的地址讀取已編譯花樣文件和設(shè)定的運(yùn)行速度，通過(guò)運(yùn)動(dòng)控制卡控制各驅(qū)動(dòng)器，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)各軸運(yùn)動(dòng)位置的控制和速度的控制。

下位機(jī)主要完成上位機(jī)發(fā)出的各種指令，具體包括信號(hào)輸入控制、信號(hào)輸出控制、電磁鐵信號(hào)控制、電機(jī)運(yùn)動(dòng)控制等。

圖7　上位機(jī)顯示界面Fig.7 Master Control interface

圖8　系統(tǒng)軟件流程圖Fig.8 Flow chart of software system

3　結(jié)束語(yǔ)

該控制系統(tǒng)具有快速、高精度、參考文獻(xiàn)：

擴(kuò)張功能快捷、操作方便、性價(jià)比高等優(yōu)點(diǎn)，各項(xiàng)指標(biāo)完全滿足設(shè)計(jì)要求。該產(chǎn)品已經(jīng)批量生產(chǎn)，產(chǎn)品遠(yuǎn)銷國(guó)內(nèi)外，市場(chǎng)前景十分廣闊，產(chǎn)生了良好的經(jīng)濟(jì)、社會(huì)效益。

［1］祝本明，劉必標(biāo)，等.平鎖縫紉機(jī)運(yùn)動(dòng)控制卡設(shè)計(jì)［J］.電子設(shè)計(jì)工程，2014，12.

［2］趙毅忠，陳志錦，祝本明.基于通用縫制設(shè)備控制平臺(tái)的430F套結(jié)機(jī)控制系統(tǒng)開(kāi)發(fā)［J］.兵工自動(dòng)化，2014，2.

［3］楊奕昕，祝本明，趙毅忠.智能化縫制單元控制系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)［J］.四川兵工學(xué)報(bào)，2011，8.

［4］郭麗，石航飛.基于DSP的雙軸交流伺服運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)［J］.兵工自動(dòng)化，2010，9.

［5］李勇，陳志錦，郭麗.交流伺服系統(tǒng)電磁兼容設(shè)計(jì)［J］.四川兵工學(xué)報(bào)，2012，6.

［6］潘松，黃繼業(yè).EDA技術(shù)實(shí)用教程［M］.北京：科學(xué)出版社，2006.

［7］王曉明，王玲.電動(dòng)機(jī)的DSP控制—TI公司DSP應(yīng)用［M］.北京航空航天大學(xué)出版社，2004.

Design of Intelligent Sewing Machine Control System

CHEN Zhi-Jin，ZHAO Yi-Zhong，MA Yan
（No.58 Research Institute of China Ordnance Industries，Mianyang Sichuan 621000，China）

According to the intelligent sewing machine gradually to the high precision，high speed of professional development needs，designed a model based on ARM+SOC special industrial sewing machine control system，which integrates the system power，Motion Control Card，AC servo drive，3-in-1 stepper drive，ARM motherboard such as function modules.Integrated application ARM、SOC such as embedded technology，realized on the intelligent sewing machine sewing machine of high-speed，high precision motion control，with expansion function advantages of quick，convenient operation and high cost performance，the main technical index has reached the international advanced level.

the intelligent sewing machine；motion control card；SOC；AC servo drive；stepper drive

TN06

Adoi：10.3969/j.issn.1002-6673.2015.05.039

1002-6673（2015）05-104-04

2015-07-21

國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目（61133016）

陳志錦 （1979-），男，云南麗江人，碩士，高級(jí)工程師。從事數(shù)控技術(shù)研究工作。