转载;交流伺服系统在工业缝纫机中的应用

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中图分类号: TM351　TM341　　　　　　文献标识码: A　　　　　　文章编号: 100126848 (2007) 0320075203
交流伺服系统在工业缝纫机中的应用
唐文秀1 , 许　强1 , 杜佳星1 , 姚建光2
(1. 华中科技大学, 武汉　430074; 2. 江苏省泰州供电公司, 泰州　225300)
摘　要: 为了提高工作效率和可靠性, 介绍了控制芯片LPC2131在工业缝纫机中的应用; 提出
了一种基于ARM的永磁同步电机伺服系统的控制方案, 并给出仿真结果, 证明该控制方案的可
靠性。
关键词: 工业缝纫机; 交流伺服控制系统; 永磁同步电机; 芯片; 控制方案
Applican tion of AC Servo System Ba sed on ARM in Industr ia l SewingMach ine
TANGWen2xiu1 , XU Qiang1 , DU J ia2xing1 , YAO J ian2guang2
(1. Huazhong University of Science and Technology, Wuhan 430074;
2. Taizhou power supp ly Co. , L td. , Taizhou 225300, China)
ABSTRACT: This paper introduces the app lication ofARM controller LPC2131 in AC servo system for
industrial sewing machine. Control scheme based on ARM of PMSM servo system and its simulational re2
sults are p resented.
KEY WORDS: Industrial sewing machine; AC servo control; PMSM; ARM; Control schme
　　收稿日期: 2006205215
0　引　言
目前国内缝纫机厂家基本上是自己生产机械
部分, 然后购买国外或者台湾地区等一些公司的
控制器, 组装出售。这样大大增加了成本, 降低
了利润。本文根据市场需求, 设计了一种由ARM
控制芯片和永磁同步电机组成的控制系统来控制
高速平缝机。
1　伺服系统硬件构成
图1为工业缝纫机交流伺服系统的硬件结构。
它由主电路、传感器和LPC2131 为核心的控制电
路组成。
在对工业平缝机运动特点分析的基础上, 从
工业平缝机的自动控制原理入手, 以控制箱为核
心, 通过操作面板和脚踏板与用户交互, 利用伺
服电机和机头定位器实现速度和位置伺服功能,
并使用直流电磁铁作为驱动力以实现自动切线、
倒缝、拨线和抬压脚的功能。
111　功率主电路与传感器
伺服系统的主电路采用双列直插式智能功率
模块(D IP2SPM) FSBS15CH60。其内部集成了IGBT
功率器件及其驱动电路、过流(通过直流母线上的
采样电阻监测电流)和驱动电源欠压保护电路, 并
可在发生以上故障时输出故障信号。主电路上可
以实现软启动和回馈制动等功能。
图1　工业缝纫机硬件系统结构
电机电流信号ia , ib 由电流传感器HCPL27840
获得。电机转速和转子位置信息由安装在电机轴
上的增量式光电码盘获得。
另外为达到缝纫机的特殊功能, 还包括几个
主要部分:
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交流伺服系统在工业缝纫机中的应用　唐文秀　许　强　杜佳星　姚建光
(1)脚踏信号的采集　脚踏包括3个信号, 第
一个为向前踩的开通信号, 第二个为向后踩的后
踏剪线信号, 第三个为由向前踩的深度决定电机
转速的调速信号。前两个信号利用与脚踏板连杆
相连的两块挡板在适当位置遮挡光电对光管的发
射光, 从而得到反映连杆位置的两个开关信号。
速度给定信号产生的基本原理是利用线性霍尔器
件检测磁场的变化, 反映脚踏板连杆上的磁铁的
运动状况, 再通过运放对该信号进行处理到一定
范围输入给ARM进行计算和控制。
(2)动作继电器的控制　根据高速平缝机要求
的功能, 用了4个继电器驱动电路, 分别用来驱动
剪线、拨线、倒缝、抬押脚4个继电器。
自动剪线是平缝机伺服控制系统中最重要的
一个功能, 大大提高了平缝机的工作效率, 减小
了缝纫工的工作量, 也提高了使用的安全性。
拨线是伴随剪线而产生的功能, 目的是将切
完线后的面线拨起, 下一次缝制时多余的面线将
被压到缝料的反面, 以避免下一次缝制时多余的
面线影响表面的针迹。
自动倒缝则是利用电磁铁吸合拉动一根自动
倒送料拉杆。该拉杆拉动针距连杆改变位置, 实
现倒向送料。
自动切线以后, 一道缝制工序结束, 一般情
况下需要缝纫工用膝动拉杆将压脚顶起, 通过在
机头背部安装抬压脚电磁铁, 可以控制电磁铁吸
合以抬起压脚。
(3)缝纫机机头针位　微机控制缝纫机的一个
重要指标是停机位置的准确度, 这里包括上针位和
下针位的停机。所以, 缝纫机在这两个位置必须各
给出一个信号, 处理器才可以通过检测这两个信号
来控制电机停止。上、下针位信号的产生主要是依
靠安装在机头上的两块极性相反的磁铁(跟着电机旋
转) , 对两个相反安装的开关型霍尔传感器(固定)
作用, 即每块磁铁仅对应一个传感器起作用。当机
头旋转到上针位或下针位位置上时, 相应的开关霍
尔传感器因为磁场到达其跳变的阈值, 而产生输出
跳变, 也就是需要的开关信号。
(4)操作面板电路　操作面板为一个单片机系统,
CPU为ATMEGE8。它通过RS232与主控板通信, 以
设定所需缝纫模式、针数以及显示主控板反馈来的信
息, 包括软启动、回馈制动、过压等故障信号。
112　LPC2131控制器及其外围电路
LPC2131微控制器是基于一个支持实时仿真和
嵌入式跟踪的16 /32位ARM7TDM I - S CPU, 并带
有32kB 嵌入的高速Flash存储器。较小的封装和
很低的功耗使LPC2131 特别适用于访问控制和
POS机等小型应用中; 多个32位定时器、1个10
位8路的ADC、PWM通道、47个GP IO以及多达
9个边沿或电平触发的外部中断使它们特别适用于
工业控制应用以及医疗系统。
选用ARM为主处理器是因为ARM价格便宜、
对外开放功能、易于移植, 但在电机控制中也存
在一些功能不足的问题, 所以需可编程控制器件
CPLD对其进行辅助。
CLPD选用EPM3128, 属于MAX3000A 系列,
有128个宏单元, 最大98个I/O口。本设计中的
CLPD主要承担码盘信号的解码、PWM死区控制
以及故障信号缓存功能, 是ARM 和智能功模块
SPM的重要接口芯片。
从图2的CPLD实现编码器功能的仿真波形可
以看到, 光电码盘发出的A、B信号通过编码器得
到正转脉冲e和反转脉冲f以及编码器输出的一个
6位可以加减计数的序列。它与主电路的软启动信
号、回馈制动信号、过压信号、智能模块故障信
号一起作为一个10位的帧, 送到ARM的同步串行
接口控制器( SSP)上。ARM定时读出SSP的数据
寄存器的值, 以得到电机的转速、位置和主电路
状态。另外, ARM 发出3 路PWM 信号输入到
CPLD中进行死区控制, 以得到6路PWM信号来
驱动智能模块SPM, 以驱动电机转动。
图2　码盘编码信号波形
光电码盘的U、V、W信号与电机反电势同频
率。相位互差120°电角度。A、B信号频率一般是
电机机械转速频率的几百至几千倍, 相位相差90°
电角度, 即1 /4脉冲周期. 转子每转一周, 在信号
的上升沿处产生一个Z脉冲。ARM的捕获单元利
用U、V、W信号来确定电机的初始位置, 利用Z
信号可校正电机的转子位置。通过读取SSP数据寄
存器的值来精确确定转子位置、转速和转向。另
外将ARM的一些I/O口预留给缝纫机的一些辅助
功能, 如负责切线、抬压脚等电磁铁的控制。通
过装在缝纫机机头的霍尔位置元件感应出个针位
相应的AS、BS脉冲序列, 通过ARM的捕获单元,
以获取针头的位置信息。
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微电机　2007年　第40卷　第3期(总第159期)
2　控制策略和软件设计
驱动系统的模型框图如图3所示, 由ARM和
SPM组成。对永磁同步电动机实行磁场定向控制,
ARM检测得到电机位置信号与控制器发出的命令信
号比较, P调节后得到转速给定nref , 再和实际转速
比较, 通过PI调节器得到转矩电流分量iqref。ARM
内部的模数转换器将来自电流传感器的模拟信号转
换成数字信号, 经静止的Clark变换和旋转的Park
变换得到实际的转矩电流分量iq 和磁场电流分量id ,
经电流PI调节得到旋转的电压分量Vqref和Vdref。
Park逆变换将它们变换成静止坐标系中的电压分量
uα和uβ , 空间矢量PWM算法对uα 和uβ运算后得
到PWM开关信号, 控制SPM的逆变部分。
图3　伺服系统控制框图
工业平缝机应具有4种基本缝纫模式: 自由缝
(手工缝)、固定针数缝、程序缝和曲折缝。每种模
式都具有前后多重加固, 在任何状态下进行补针的
功能。根据需要, 操作者可以设置压脚位置、停针
位置以及缝纫结束后是否自动剪线等参数。图4为
控制器总体框图, 适用于多种缝纫模式下的操作。
图4　总体程序框图
3　系统仿真
对系统的控制策略进行仿真。永磁电机参数:
功率P = 550W; Rs = 116Ω; Ld = 1017 mH; Lq =
1017 mH; Ψf = 01363 ×10- 1 Wb; J = 0172 ×10- 4
N·m; B = 010016; P = 3。负载在0102 s由0突变
到1 N·m, 限3倍的额定电流。图5和图6分别给
出了电机转速、电磁转矩和三相电流的仿真波形。
从中可以看到电机转速超调量小、稳定时间短、
负载特性好, 证明这种SVPWM控制策略可行。
4　结　论
基于ARM的全数字缝纫机伺服系统充分利用
的片上资源, 完成了系统中较为复杂的数据处理、
矢量控制和SVPWM生成算法, 实现了缝纫机针头
位置伺服控制及其他辅助功能。高性能ARM的应
用可大幅度提高工业缝纫机的自动化程度和可靠
性, 为工业缝纫机产品向机电一体化的方向更新
换代提供了新的途径。
参考文献
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力电子技术, 2000.
[ 2 ] 　贾正春, 许锦兴. 电力电子学[M ]. 武汉: 华中理工大学出
版社, 1992.
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微特电机, 2005, 33.
[ 4 ] 　程善美, 姜向龙, 孙文焕, 万淑芸. 空间矢量PWM逆变器的
仿真[ J ]. 微电机, 2002, (4) : 30233.
[ 5 ] 　Sidney R. Bowes, Yen2shin Lai. The Relationship Between
Space2vectorModulation and Regular2samp led PWM [ J ]. IEEE
Trans. On IE, 1997, 44 (5) .
作者简介: 唐文秀( 1982 - ) , 男, 汉, 河北邯郸人, 硕士研
究生, 研究方向为电力电子交流传动控制及微机控制技术。
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汽车交流发电机的稳压电路设计　陈　磊　章　玮　方攸同

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