基于A(yíng)RM和DSP的竹節紗控制系統伺服控制器

　　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。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。

　　在A(yíng)RM中移植嵌入式操作系統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。和其他嵌入式操作系統相比，它具有可靠性好、實(shí)時(shí)性高、內核體積小及可伸縮性、強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備的開(kāi)發(fā)，是當今應用最多、增長(cháng)最快的嵌入式操作系統。

　　以串V1通訊為例來(lái)說(shuō)明在此系統下對外設操作的流程。每次打開(kāi)或關(guān)閉串口都要調用文件API對;串口設備進(jìn)行訪(fǎng)問(wèn)，文件API被操作系統轉發(fā)到FileSys.exe進(jìn)程中，當FileSys.exe識別是對設備操作的信息，便會(huì )把執行交給設備管理器處理;設備管葷理器將根據具體的請求，調用串口驅動(dòng)程序中的接口;最終，驅動(dòng)程序負責與硬件的交互。

　　此處的USB接口既可以用來(lái)連接標準的鼠標，又可以接u盤(pán)。竹節紗生產(chǎn)的工藝參數可以通過(guò)此接口存儲在u盤(pán)中，也可以選擇存儲在A(yíng)RM核外擴的EEPROM當中。系統的輸入信號如高速運行信號、低速運行信號和緊急停車(chē)信號通過(guò)I/O口輸入給控制器，此外伺服指示信號、故障信號等輸出信號也是通過(guò)I/0口輸出。

　　2.2基于DSP的驅動(dòng)器

　　永磁同步伺服驅動(dòng)系統的硬件結構如圖4所示。本方案永磁同步電動(dòng)機的額定功率為2 kW，額定轉速為2 000 r/min，額定電壓200V。編碼器兩路正交信號的分辨率為每轉2500個(gè)脈沖，另外還三路對稱(chēng)的U、V、W信號，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)現對主回路的電流信號的采樣，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、死區單元和輸出邏輯結合使用就能產(chǎn)生一對死區和極性可編程的PWM信號，通過(guò)相應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根據外部輸入的運行信號和觸摸屏上輸入的速度位置命令，與電機反饋的位置和速度信號進(jìn)行PI調節，給出轉矩命令，勵磁分量一般給定為零。第二部分根據采樣得到的相電流i 、i 和位置信號0 進(jìn)行坐標變換。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)信號的占空比即導通時(shí)間，送入DSP的比較寄存器，輸出6路開(kāi)關(guān)信號PWM1～PWM6。

　　3 實(shí)驗

　　將該裝置安裝在改造后的環(huán)錠細紗機上，現場(chǎng)使用表明系統穩定可靠，達到了預定系統設計要求。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(xiàn)，測得的脈沖周期為360μs，因此其轉速為163r/min，驅動(dòng)中、后羅拉的伺服電動(dòng)機編碼器反饋的脈沖數經(jīng)分頻后為每圈400個(gè)，測得的脈沖周期為1 ms，其轉速為150 r/min，兩者保持恒定的速比。圖6b是紡竹節紗的波形，基紗對應的伺服電動(dòng)機轉速為150r/min，速度反饋的波形周期應為1 ms，竹節紗對應的轉速為375 r/rain，速度反饋的波形周期應為400μs。為清晰起見(jiàn)，圖6b只捕獲了伺服電動(dòng)機轉速由375 r/min向150r/min降速的一個(gè)片段，640μs對應的轉速為234r/min，840s對應的轉速為179r/min。

　　4 結 語(yǔ)

　　本文利用ARM和DSP雙處理器的配合，完成了竹節紗生產(chǎn)控制系統中伺服控制器的設計。ARM作為主處理器，負責生產(chǎn)過(guò)程的工藝控制，以及系統輸入、輸出信號的處理;DSP作為從處理器，主要完成電機的控制功能?，F場(chǎng)運行表明，此系統穩定可靠，達到了預定的設計要求，具有很高的性?xún)r(jià)比。