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完成永磁同步電動機(jī)的磁場定向控制算法。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的大部分市場份額，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、無線電通訊領(lǐng)域、網(wǎng)譬絡(luò)應(yīng)用、消費(fèi)類電子產(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)將來還會得到更加廣泛的應(yīng)用。顯本文通過分析竹節(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i器完成永磁同步電動機(jī)的控制整個系統(tǒng)采用高級諢!計(jì)算機(jī)語言進(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

在紡紗過程中通過改變瞬時(shí)牽伸倍數(shù)或增加附加纖維，使在紗線長度方向上產(chǎn)生符合一定要求的粗節(jié)的紗線稱為竹節(jié)紗，其中所產(chǎn)生的粗節(jié)稱為竹節(jié)，兩粗節(jié)之間的紗線稱為基紗。如圖1所示，L1、L3為基紗節(jié)長，L2、L4 為竹節(jié)節(jié)長，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，用伺服電動機(jī)單獨(dú)驅(qū)動中、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)，控制伺服電動機(jī)轉(zhuǎn)過的角度即可控制紗線的長度。

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，乘以伺服電動機(jī)所聯(lián)減速齒輪箱的速比i可得伺服電動機(jī)的速度：

將式(1)、式(2)代入式(3)得到伺服電動機(jī)速度：

設(shè)前羅拉直徑為d ，則前羅拉的周長為πd，為獲得長度為，Lj(j=1，2，)的節(jié)紗，前羅拉應(yīng)旋轉(zhuǎn)。由式(1)和式(4)可知，伺服電動機(jī)與前羅拉的轉(zhuǎn)速比為 ，因此伺服電動機(jī)應(yīng)旋轉(zhuǎn)。若伺服電動機(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，則伺服電動機(jī)轉(zhuǎn)過相應(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、低速運(yùn)行信號、緊急停車信號，輸出系統(tǒng)控制信號如竹節(jié)紗指示、伺服系統(tǒng)準(zhǔn)備好、系統(tǒng)故障等信號；為測量前羅拉的轉(zhuǎn)速，前羅拉編碼器的A、 正交信號也輸入到控制器當(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)動器的脈沖的周期與個數(shù)，驅(qū)動器根據(jù)脈沖周期與個數(shù)控制永磁同步伺服電機(jī)的速度和轉(zhuǎn)過的角度，以此帶動中、后羅拉運(yùn)轉(zhuǎn)。只要控制器能連續(xù)給驅(qū)動器發(fā)出脈沖，永磁電動機(jī)便能夠連續(xù)的運(yùn)轉(zhuǎn)。控制器使用Modbus協(xié)議，與驅(qū)動器中的DSP進(jìn)行串行通訊，接收DSP送來的運(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用于儲存現(xiàn)場設(shè)置的參數(shù)。