ARM和DSP設(shè)計(jì)的竹節(jié)紗控制系統(tǒng)伺服控制器方案

摘要：根據(jù)紡織行業(yè)中竹節(jié)紗生產(chǎn)的工藝要求，設(shè)計(jì)了基于ARM和DSP的雙CPU永磁同步電動(dòng)機(jī)伺服控制器。利用ARM和觸摸液晶屏完成工藝參數(shù)的輸入與生產(chǎn)過(guò)程信息的顯示，支持圖形化人機(jī)界面和觸摸操作；利用DSP完成永磁同步電動(dòng)機(jī)的磁場(chǎng)定向控制算法。該系統(tǒng)已成功應(yīng)用在竹節(jié)紗生產(chǎn)線上，具有很高的性價(jià)比和推廣價(jià)值。

引 言

    ARM微處理器具有體積小、低功耗、低成本、高性能的特點(diǎn)，基于ARM核的微控制器芯片不但占據(jù)了高端微控制器市場(chǎng)的大部分市場(chǎng)份額，同時(shí)也逐漸向低端微控制器應(yīng)用領(lǐng)域擴(kuò)展，ARM微控制器的低功耗、高性價(jià)比，向傳統(tǒng)的8位／16位微控制器基。提出了挑戰(zhàn)。ARM微處理器及技術(shù)應(yīng)用到了許多不同的領(lǐng)域，如工業(yè)控制領(lǐng)域、無(wú)線電通訊領(lǐng)域、網(wǎng)譬絡(luò)應(yīng)用、消費(fèi)類(lèi)電子產(chǎn)品以及數(shù)字成象與安全產(chǎn)品當(dāng)中，憑借其優(yōu)點(diǎn)將來(lái)還會(huì)得到更加廣泛的應(yīng)用。顯本文通過(guò)分析竹節(jié)紗裝置的工藝要求，設(shè)計(jì)了具有竹獨(dú)立控制結(jié)構(gòu)的永磁同步電機(jī)伺服控制系統(tǒng)，由ARM和觸摸屏構(gòu)成控制器，并在ARM核中移植嵌入式操作系統(tǒng)Windows CE，使其具有圖形化的人機(jī)丕界面操作功能，支持觸摸操作，可以方便快捷地進(jìn)行j系統(tǒng)參數(shù)和工藝控制參數(shù)的設(shè)置，而且可以動(dòng)態(tài)顯示控制系統(tǒng)當(dāng)前的運(yùn)行狀態(tài)；以DSP為核心的驅(qū)動(dòng)i器完成永磁同步電動(dòng)機(jī)的控制整個(gè)系統(tǒng)采用高級(jí)諢!計(jì)算機(jī)語(yǔ)言進(jìn)行編程，可以較容易實(shí)現(xiàn)所需的工業(yè)與生產(chǎn)控制要求。

 1 竹節(jié)紗生產(chǎn)的工藝要求

    在紡紗過(guò)程中通過(guò)改變瞬時(shí)牽伸倍數(shù)或增加附加纖維，使在紗線長(zhǎng)度方向上產(chǎn)生符合一定要求的粗節(jié)的紗線稱(chēng)為竹節(jié)紗，其中所產(chǎn)生的粗節(jié)稱(chēng)為竹節(jié)，兩粗節(jié)之間的紗線稱(chēng)為基紗。如圖1所示，L1、L3為基紗節(jié)長(zhǎng)，L2、L4 為竹節(jié)節(jié)長(zhǎng)，D為基紗直徑，D1、D2 為竹節(jié)直徑。目前一般采用變牽伸倍數(shù)的方法生產(chǎn)竹節(jié)紗，用伺服電動(dòng)機(jī)單獨(dú)驅(qū)動(dòng)中、后羅拉，改變中、后羅拉與前羅拉的轉(zhuǎn)速比就能改變紗線的牽伸倍數(shù)即紗線的粗細(xì)，控制伺服電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)過(guò)的角度即可控制紗線的長(zhǎng)度。

    由于前羅拉的速度因工藝需求及外部原因發(fā)生變化，為保持給定的轉(zhuǎn)速比，中、后羅拉的速度必須跟隨前羅拉的變化。將每圈脈沖數(shù)為Ⅳf的正交編碼器與前羅拉聯(lián)結(jié)，測(cè)速周期 秒內(nèi)計(jì)數(shù)器讀得的編碼器脈沖數(shù)為rb (計(jì)數(shù)器工作于4倍頻方式)，則前羅拉的轉(zhuǎn)速為：

中、后羅拉的基本轉(zhuǎn)速為：

式中：c為牽伸倍數(shù)；η為牽伸效率；e為中、后羅拉與前羅拉的轉(zhuǎn)速比，當(dāng)中、后羅拉以此速度運(yùn)行時(shí)，所紡紗的直徑便為基紗直徑。通常用中、后羅拉的轉(zhuǎn)速與基本轉(zhuǎn)速的百分比口，aj(j=1，2，⋯)表示某一節(jié)紗與基紗直徑的比，乘以伺服電動(dòng)機(jī)所聯(lián)減速齒輪箱的速比i可得伺服電動(dòng)機(jī)的速度：

將式(1)、式(2)代入式(3)得到伺服電動(dòng)機(jī)速度：

設(shè)前羅拉直徑為d ，則前羅拉的周長(zhǎng)為πd，為獲得長(zhǎng)度為，Lj(j=1，2，⋯)的節(jié)紗，前羅拉應(yīng)旋轉(zhuǎn)。由式(1)和式(4)可知，伺服電動(dòng)機(jī)與前羅拉的轉(zhuǎn)速比為 ，因此伺服電動(dòng)機(jī)應(yīng)旋轉(zhuǎn)。若伺服電動(dòng)機(jī)正交編碼器每圈脈沖數(shù)為N ，DSP中的計(jì)數(shù)單元工作于4倍頻方式，則伺服電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)過(guò)相應(yīng)轉(zhuǎn)數(shù)計(jì)數(shù)得的脈沖數(shù)為：

2  伺服系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

    根據(jù)竹節(jié)紗生產(chǎn)工藝要求設(shè)計(jì)的伺服系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖如圖2所示?？刂破髦饕葾RM和觸摸液晶屏組成，并輔以其它外圍電路。以ARM為核心的控制器需要完成系統(tǒng)參數(shù)及工藝參數(shù)的輸入、工藝過(guò)程顯示、密碼設(shè)置、報(bào)警等功能?？刂破鹘邮障到y(tǒng)的輸入量如機(jī)器的高速運(yùn)行信號(hào)、低速運(yùn)行信號(hào)、緊急停車(chē)信號(hào)，輸出系統(tǒng)控制信號(hào)如竹節(jié)紗指示、伺服系統(tǒng)準(zhǔn)備好、系統(tǒng)故障等信號(hào)；為測(cè)量前羅拉的轉(zhuǎn)速，前羅拉編碼器的A、 正交信號(hào)也輸入到控制器當(dāng)中，控制器根據(jù)相關(guān)參數(shù)實(shí)時(shí)計(jì)算出應(yīng)發(fā)給驅(qū)動(dòng)器的脈沖的周期與個(gè)數(shù)，驅(qū)動(dòng)器根據(jù)脈沖周期與個(gè)數(shù)控制永磁同步伺服電機(jī)的速度和轉(zhuǎn)過(guò)的角度，以此帶動(dòng)中、后羅拉運(yùn)轉(zhuǎn)。只要控制器能連續(xù)給驅(qū)動(dòng)器發(fā)出脈沖，永磁電動(dòng)機(jī)便能夠連續(xù)的運(yùn)轉(zhuǎn)?？刂破魇褂肕odbus協(xié)議，與驅(qū)動(dòng)器中的DSP進(jìn)行串行通訊，接收DSP送來(lái)的運(yùn)行參數(shù)，如電機(jī)的實(shí)際轉(zhuǎn)速、電流等。

2．1基于ARM的控制器

    控制器選用三星公司的S3C2440作為控制芯片，其內(nèi)核為ARM公司的ARM920T處理器核，屬于32位微控制器。片內(nèi)集成了豐富的功能模塊，如USB接口、LCD控制器、ADC和DAC、DSP協(xié)處理器等，既可簡(jiǎn)化系統(tǒng)設(shè)計(jì)，又能提高系統(tǒng)可靠性。圖3為采用該芯片設(shè)計(jì)的竹節(jié)紗伺服系統(tǒng)控制器。觸摸液晶屏選用四線5．7英寸模擬屏，EEPROM用于儲(chǔ)存現(xiàn)場(chǎng)設(shè)置的參數(shù)。

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    在ARM中移植嵌入式操作系統(tǒng)Windows CE 5．0，Windows CE是微軟開(kāi)發(fā)的專(zhuān)用于嵌入式領(lǐng)域：的一款可裁剪的32位實(shí)時(shí)嵌入式操作系統(tǒng)。和其他嵌入式操作系統(tǒng)相比，它具有可靠性好、實(shí)時(shí)性高、內(nèi)核體積小及可伸縮性、強(qiáng)大的通信能力等特點(diǎn)，所以被廣泛用于各種嵌入式智能設(shè)備的開(kāi)發(fā)，是當(dāng)今應(yīng)用最多、增長(zhǎng)最快的嵌入式操作系統(tǒng)。

以串V1通訊為例來(lái)說(shuō)明在此系統(tǒng)下對(duì)外設(shè)操作的流程。每次打開(kāi)或關(guān)閉串口都要調(diào)用文件API對(duì)；串口設(shè)備進(jìn)行訪問(wèn)，文件API被操作系統(tǒng)轉(zhuǎn)發(fā)到FileSys．exe進(jìn)程中，當(dāng)FileSys．exe識(shí)別是對(duì)設(shè)備操作的信息，便會(huì)把執(zhí)行交給設(shè)備管理器處理；設(shè)備管葷理器將根據(jù)具體的請(qǐng)求，調(diào)用串口驅(qū)動(dòng)程序中的接口；最終，驅(qū)動(dòng)程序負(fù)責(zé)與硬件的交互。 

    此處的USB接口既可以用來(lái)連接標(biāo)準(zhǔn)的鼠標(biāo)，又可以接u盤(pán)。竹節(jié)紗生產(chǎn)的工藝參數(shù)可以通過(guò)此接口存儲(chǔ)在u盤(pán)中，也可以選擇存儲(chǔ)在ARM核外擴(kuò)的EEPROM當(dāng)中。系統(tǒng)的輸入信號(hào)如高速運(yùn)行信號(hào)、低速運(yùn)行信號(hào)和緊急停車(chē)信號(hào)通過(guò)I／O口輸入給控制器，此外伺服指示信號(hào)、故障信號(hào)等輸出信號(hào)也是通過(guò)I／0口輸出。

2．2基于DSP的驅(qū)動(dòng)器

    永磁同步伺服驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的硬件結(jié)構(gòu)如圖4所示。本方案永磁同步電動(dòng)機(jī)的額定功率為2 kW，額定轉(zhuǎn)速為2 000 r／min，額定電壓200V。編碼器兩路正交信號(hào)的分辨率為每轉(zhuǎn)2500個(gè)脈沖，另外還三路對(duì)稱(chēng)的U、V、W信號(hào)，用于點(diǎn)擊起動(dòng)和決定磁極的初始位置。三相變頻器中整流和逆變部分采用功率模塊，電流采樣采用變比為1：1 000的霍爾元件實(shí)現(xiàn)對(duì)主回路的電流信號(hào)的采樣，DSP芯片采用TI公司的TMS320F2812。

    TMS320F2812的事件管理器模塊中，利用3個(gè)比較單元的任何一個(gè)與通用定時(shí)器1(事件管理器A)或通用定時(shí)器3(事件管理器B)、比較單元、死區(qū)單元和輸出邏輯結(jié)合使用就能產(chǎn)生一對(duì)死區(qū)和極性可編程的PWM信號(hào)，通過(guò)相應(yīng)的六路輸出引腳輸出。圖5為DSP伺服軟件框圖，軟件主要包括三部分，第一部分DSP根據(jù)外部輸入的運(yùn)行信號(hào)和觸摸屏上輸入的速度位置命令，與電機(jī)反饋的位置和速度信號(hào)進(jìn)行PI調(diào)節(jié)，給出轉(zhuǎn)矩命令，勵(lì)磁分量一般給定為零。第二部分根據(jù)采樣得到的相電流i 、i 和位置信號(hào)0 進(jìn)行坐標(biāo)變換。軟件的第三部分是利用空間矢量PWM(SVPWM)算法，求得三相逆變器開(kāi)關(guān)信號(hào)的占空比即導(dǎo)通時(shí)間，送入DSP

的比較寄存器，輸出6路開(kāi)關(guān)信號(hào)PWM1～PWM6。

3 實(shí)驗(yàn)

    將該裝置安裝在改造后的環(huán)錠細(xì)紗機(jī)上，現(xiàn)場(chǎng)使用表明系統(tǒng)穩(wěn)定可靠，達(dá)到了預(yù)定系統(tǒng)設(shè)計(jì)要求。圖6是紡制不同紗型時(shí)前羅拉編碼器和伺服電動(dòng)機(jī)速度反饋波形，圖6a是紡正常紗的波形，前羅拉編碼器每圈1024線，測(cè)得的脈沖周期為360μs，因此其轉(zhuǎn)速為163r／min，驅(qū)動(dòng)中、后羅拉的伺服電動(dòng)機(jī)編碼器反饋的脈沖數(shù)經(jīng)分頻后為每圈400個(gè)，測(cè)得的脈沖周期為1 ms，其轉(zhuǎn)速為150 r／min，兩者保持恒定的速比。圖6b是紡竹節(jié)紗的波形，基紗對(duì)應(yīng)的伺服電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速為150r／min，速度反饋的波形周期應(yīng)為1 ms，竹節(jié)紗對(duì)應(yīng)的轉(zhuǎn)速為375 r／rain，速度反饋的波形周期應(yīng)為400μs。為清晰起見(jiàn)，圖6b只捕獲了伺服電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速由375 r／min向150r／min降速的一個(gè)片段，640μs對(duì)應(yīng)的轉(zhuǎn)速為234r／min，840s對(duì)應(yīng)的轉(zhuǎn)速為179r／min。

4 結(jié) 語(yǔ)

    本文利用ARM和DSP雙處理器的配合，完成了竹節(jié)紗生產(chǎn)控制系統(tǒng)中伺服控制器的設(shè)計(jì)。ARM作為主處理器，負(fù)責(zé)生產(chǎn)過(guò)程的工藝控制，以及系統(tǒng)輸入、輸出信號(hào)的處理；DSP作為從處理器，主要完成電機(jī)的控制功能?，F(xiàn)場(chǎng)運(yùn)行表明，此系統(tǒng)穩(wěn)定可靠，達(dá)到了預(yù)定的設(shè)計(jì)要求，具有很高的性價(jià)比。