ARM和DSP設計的竹節紗控制系統伺服控制器方案

摘要：根據紡織行業(yè)中竹節紗生產(chǎn)的工藝要求，設計了基于ARM和DSP的雙CPU永磁同步電動(dòng)機伺服控制器。利用ARM和觸摸液晶屏完成工藝參數的輸入與生產(chǎn)過(guò)程信息的顯示，支持圖形化人機界面和觸摸操作；利用DSP完成永磁同步電動(dòng)機的磁場(chǎng)定向控制算法。該系統已成功應用在竹節紗生產(chǎn)線(xiàn)上，具有很高的性?xún)r(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A(yíng)RM核的微控制器芯片不但占據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用領(lǐng)域擴展，ARM微控制器的低功耗、高性?xún)r(jià)比，向傳統的8位／16位微控制器基。提出了挑戰。ARM微處理器及技術(shù)應用到了許多不同的領(lǐng)域，如工業(yè)控制領(lǐng)域、無(wú)線(xiàn)電通訊領(lǐng)域、網(wǎng)譬絡(luò )應用、消費類(lèi)電子產(chǎn)品以及數字成象與安全產(chǎn)品當中，憑借其優(yōu)點(diǎn)將來(lái)還會(huì )得到更加廣泛的應用。顯本文通過(guò)分析竹節紗裝置的工藝要求，設計了具有竹獨立控制結構的永磁同步電機伺服控制系統，由ARM和觸摸屏構成控制器，并在A(yíng)RM核中移植嵌入式操作系統Windows CE，使其具有圖形化的人機丕界面操作功能，支持觸摸操作，可以方便快捷地進(jìn)行j系統參數和工藝控制參數的設置，而且可以動(dòng)態(tài)顯示控制系統當前的運行狀態(tài)；以DSP為核心的驅動(dòng)i器完成永磁同步電動(dòng)機的控制整個(gè)系統采用高級諢!計算機語(yǔ)言進(jìn)行編程，可以較容易實(shí)現所需的工業(yè)與生產(chǎn)控制要求。

1 竹節紗生產(chǎn)的工藝要求

在紡紗過(guò)程中通過(guò)改變瞬時(shí)牽伸倍數或增加附加纖維，使在紗線(xiàn)長(cháng)度方向上產(chǎn)生符合一定要求的粗節的紗線(xiàn)稱(chēng)為竹節紗，其中所產(chǎn)生的粗節稱(chēng)為竹節，兩粗節之間的紗線(xiàn)稱(chēng)為基紗。如圖1所示，L1、L3為基紗節長(cháng)，L2、L4 為竹節節長(cháng)，D為基紗直徑，D1、D2 為竹節直徑。目前一般采用變牽伸倍數的方法生產(chǎn)竹節紗，用伺服電動(dòng)機單獨驅動(dòng)中、后羅拉，改變中、后羅拉與前羅拉的轉速比就能改變紗線(xiàn)的牽伸倍數即紗線(xiàn)的粗細，控制伺服電動(dòng)機轉過(guò)的角度即可控制紗線(xiàn)的長(cháng)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。將每圈脈沖數為Ⅳf的正交編碼器與前羅拉聯(lián)結，測速周期 秒內計數器讀得的編碼器脈沖數為rb (計數器工作于4倍頻方式)，則前羅拉的轉速為：

中、后羅拉的基本轉速為：

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

將式(1)、式(2)代入式(3)得到伺服電動(dòng)機速度：

設前羅拉直徑為d ，則前羅拉的周長(cháng)為πd，為獲得長(cháng)度為，Lj(j=1，2，)的節紗，前羅拉應旋轉。由式(1)和式(4)可知，伺服電動(dòng)機與前羅拉的轉速比為 ，因此伺服電動(dòng)機應旋轉。若伺服電動(dòng)機正交編碼器每圈脈沖數為N ，DSP中的計數單元工作于4倍頻方式，則伺服電動(dòng)機轉過(guò)相應轉數計數得的脈沖數為：

2 伺服系統的設計

根據竹節紗生產(chǎn)工藝要求設計的伺服系統結構框圖如圖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參數及工藝參數的輸入、工藝過(guò)程顯示、密碼設置、報警等功能?？刂破鹘邮障到y的輸入量如機器的高速運行信號、低速運行信號、緊急停車(chē)信號，輸出系統控制信號如竹節紗指示、伺服系統準備好、系統故障等信號；為測量前羅拉的轉速，前羅拉編碼器的A、 正交信號也輸入到控制器當中，控制器根據相關(guān)參數實(shí)時(shí)計算出應發(fā)給驅動(dòng)器的脈沖的周期與個(gè)數，驅動(dòng)器根據脈沖周期與個(gè)數控制永磁同步伺服電機的速度和轉過(guò)的角度，以此帶動(dòng)中、后羅拉運轉。只要控制器能連續給驅動(dòng)器發(fā)出脈沖，永磁電動(dòng)機便能夠連續的運轉?？刂破魇褂肕odbus協(xié)議，與驅動(dòng)器中的DSP進(jìn)行串行通訊，接收DSP送來(lái)的運行參數，如電機的實(shí)際轉速、電流等。

2．1基于A(yíng)RM的控制器

控制器選用三星公司的S3C2440作為控制芯片，其內核為ARM公司的ARM920T處理器核，屬于32位微控制器。片內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)化系統設計，又能提高系統可靠性。圖3為采用該芯片設計的竹節紗伺服系統控制器。觸摸液晶屏選用四線(xiàn)5．7英寸模擬屏，EEPROM用于儲存現場(chǎng)設置的參數。