ARM和DSP設計的竹節(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，設計了基于ARM和DSP的雙CPU永磁同步電動機伺服控制器。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，支持圖形化人機界面和觸摸操作；利用DSP完成永磁同步電動機的磁場定向控制算法。該系統(tǒng)已成功應用在竹節(jié)紗生產(chǎn)線上，具有很高的性價比和推廣價值。

引 言

    ARM微處理器具有體積小、低功耗、低成本、高性能的特點，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，同時也逐漸向低端微控制器應用領域擴展，ARM微控制器的低功耗、高性價比，向傳統(tǒng)的8位／16位微控制器基。提出了挑戰(zhàn)。ARM微處理器及技術應用到了許多不同的領域，如工業(yè)控制領域、無線電通訊領域、網(wǎng)譬絡應用、消費類電子產(chǎn)品以及數(shù)字成象與安全產(chǎn)品當中，憑借其優(yōu)點將來還會得到更加廣泛的應用。顯本文通過分析竹節(jié)紗裝置的工藝要求，設計了具有竹獨立控制結(jié)構(gòu)的永磁同步電機伺服控制系統(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丕界面操作功能，支持觸摸操作，可以方便快捷地進行j系統(tǒng)參數(shù)和工藝控制參數(shù)的設置，而且可以動態(tài)顯示控制系統(tǒng)當前的運行狀態(tài)；以DSP為核心的驅(qū)動i器完成永磁同步電動機的控制整個系統(tǒng)采用高級諢!計算機語言進行編程，可以較容易實現(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，用伺服電動機單獨驅(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，控制伺服電動機轉(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)計數(shù)器讀得的編碼器脈沖數(shù)為rb (計數(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，當中、后羅拉以此速度運行時，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，乘以伺服電動機所聯(lián)減速齒輪箱的速比i可得伺服電動機的速度：

將式(1)、式(2)代入式(3)得到伺服電動機速度：

設前羅拉直徑為d ，則前羅拉的周長為πd，為獲得長度為，Lj(j=1，2，⋯)的節(jié)紗，前羅拉應旋轉(zhuǎn)。由式(1)和式(4)可知，伺服電動機與前羅拉的轉(zhuǎn)速比為 ，因此伺服電動機應旋轉(zhuǎn)。若伺服電動機正交編碼器每圈脈沖數(shù)為N ，DSP中的計數(shù)單元工作于4倍頻方式，則伺服電動機轉(zhuǎn)過相應轉(zhuǎn)數(shù)計數(shù)得的脈沖數(shù)為：

2  伺服系統(tǒng)的設計

    根據(jù)竹節(jié)紗生產(chǎn)工藝要求設計的伺服系統(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、密碼設置、報警等功能?？刂破鹘邮障到y(tǒng)的輸入量如機器的高速運行信號、低速運行信號、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中，控制器根據(jù)相關參數(shù)實時計算出應發(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的速度和轉(zhuǎn)過的角度，以此帶動中、后羅拉運轉(zhuǎn)。只要控制器能連續(xù)給驅(qū)動器發(fā)出脈沖，永磁電動機便能夠連續(xù)的運轉(zhuǎn)?？刂破魇褂肕odbus協(xié)議，與驅(qū)動器中的DSP進行串行通訊，接收DSP送來的運行參數(shù)，如電機的實際轉(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)設計，又能提高系統(tǒng)可靠性。圖3為采用該芯片設計的竹節(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是微軟開發(fā)的專用于嵌入式領域：的一款可裁剪的32位實時嵌入式操作系統(tǒng)。和其他嵌入式操作系統(tǒng)相比，它具有可靠性好、實時性高、內(nèi)核體積小及可伸縮性、強大的通信能力等特點，所以被廣泛用于各種嵌入式智能設備的開發(fā)，是當今應用最多、增長最快的嵌入式操作系統(tǒng)。

以串V1通訊為例來說明在此系統(tǒng)下對外設操作的流程。每次打開或關閉串口都要調(diào)用文件API對；串口設備進行訪問，文件API被操作系統(tǒng)轉(zhuǎn)發(fā)到FileSys．exe進程中，當FileSys．exe識別是對設備操作的信息，便會把執(zhí)行交給設備管理器處理；設備管葷理器將根據(jù)具體的請求，調(diào)用串口驅(qū)動程序中的接口；最終，驅(qū)動程序負責與硬件的交互。 

    此處的USB接口既可以用來連接標準的鼠標，又可以接u盤。竹節(jié)紗生產(chǎn)的工藝參數(shù)可以通過此接口存儲在u盤中，也可以選擇存儲在ARM核外擴的EEPROM當中。系統(tǒng)的輸入信號如高速運行信號、低速運行信號和緊急停車信號通過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I／0口輸出。

2．2基于DSP的驅(qū)動器

    永磁同步伺服驅(qū)動系統(tǒng)的硬件結(jié)構(gòu)如圖4所示。本方案永磁同步電動機的額定功率為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的分辨率為每轉(zhuǎn)2500個脈沖，另外還三路對稱的U、V、W信號，用于點擊起動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的霍爾元件實現(xiàn)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個比較單元的任何一個與通用定時器1(事件管理器A)或通用定時器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)生一對死區(qū)和極性可編程的PWM信號，通過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(jù)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行PI調(diào)節(jié)，給出轉(zhuǎn)矩命令，勵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0 進行坐標變換。軟件的第三部分是利用空間矢量PWM(SVPWM)算法，求得三相逆變器開關信號的占空比即導通時間，送入DSP

的比較寄存器，輸出6路開關信號PWM1～PWM6。

3 實驗

    將該裝置安裝在改造后的環(huán)錠細紗機上，現(xiàn)場使用表明系統(tǒng)穩(wěn)定可靠，達到了預定系統(tǒng)設計要求。圖6是紡制不同紗型時前羅拉編碼器和伺服電動機速度反饋波形，圖6a是紡正常紗的波形，前羅拉編碼器每圈1024線，測得的脈沖周期為360μs，因此其轉(zhuǎn)速為163r／min，驅(qū)動中、后羅拉的伺服電動機編碼器反饋的脈沖數(shù)經(jīng)分頻后為每圈400個，測得的脈沖周期為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，基紗對應的伺服電動機轉(zhuǎn)速為150r／min，速度反饋的波形周期應為1 ms，竹節(jié)紗對應的轉(zhuǎn)速為375 r／rain，速度反饋的波形周期應為400μs。為清晰起見，圖6b只捕獲了伺服電動機轉(zhuǎn)速由375 r／min向150r／min降速的一個片段，640μs對應的轉(zhuǎn)速為234r／min，840s對應的轉(zhuǎn)速為179r／min。

4 結(jié) 語

    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)中伺服控制器的設計。ARM作為主處理器，負責生產(chǎn)過程的工藝控制，以及系統(tǒng)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(xiàn)場運行表明，此系統(tǒng)穩(wěn)定可靠，達到了預定的設計要求，具有很高的性價比。