智能縫紉機控制系統的設計

陳志錦，趙毅忠，馬　艷（中國兵器工業第58研究所，四川 綿陽　621000）

智能縫紉機控制系統的設計

陳志錦，趙毅忠，馬艷
（中國兵器工業第58研究所，四川 綿陽621000）

針對智能縫紉機逐漸向高精度、高速度的專業化發展需求，設計了一款基于ARM+SOC智能縫紉機控制系統，該方案集成了系統電源、運動控制板、交流伺服驅動器、三軸合一步進驅動器、ARM主板等功能模塊。該控制系統綜合應用ARM、SOC等嵌入式技術，實現了對智能縫紉機的高速、高精度運動控制，具有擴張功能快捷、操作方便、性價比高等優點，主要技術指標達到國際先進水平。

智能縫紉機；運動控制板；SOC；交流伺服驅動器；步進驅動器

0　引言

智能縫紉機主要包括花樣機、平頭鎖眼機、套結機、圓頭鎖眼機、模板機等機型，國內研發及生產主要企業有58所、大豪、斯邁迪、鮑麥克斯、星火等，國際上主要有日本三菱、兄弟、重機等。日本三菱、兄弟、重機等國外品牌只銷售整機，在技術積累、產品穩定性、品牌等方面有較大優勢，功能齊全，結構框架穩定，是高端用戶的首選。國內產品主要是以仿制國外的產品為主，缺乏自主創新能力；對于一些急需突破的縫紉機關鍵技術，均是借鑒國外現有技術，沒有形成自己的核心技術，智能化程度較高的智能化縫制設備都依賴進口［1～3］。

1　硬件設計

控制系統為開放式、模塊化的軟硬件結構，采用上位機+下位機結構，上位機為人機界面，采用液晶觸摸屏或數碼管按鍵屏；下位機包括電源板、運動控制板、主軸驅動器、進給軸驅動器等；I/O接口板在控制箱外部單獨配置。

其核心是基于ARM、SOC硬件架構和以WINCE為軟件平臺。SOC芯片作為控制處理器，主要完成各種運動控制算法和各種運動控制接口、系統開關量以及系統內部各種邏輯控制；ARM芯片通過RS232協調、調度SOC工作，共同構建智能化縫制設備控制系統的核心單元。控制系統原理框圖如圖1所示。

1.1電源

AC220V直接給電源板供電，經過EMI整流濾波后輸出DC310V。系統電源框圖見圖2所示。DC310V經過正激式電源產生DC110V提供給 3合1步進驅動板，DC110V通過DC-DC生成DC5V、DC15V，DC5V通過LDO生成DC3.3V給DSP供電。

圖1　控制系統原理框圖Fig.1 Schematic diagram of control system

圖2　系統電源框圖Fig.2 Schematic diagram of power system

DC310V經過反激式電源產生DC32V提供給運動控制板，DC32V通過一個DC-DC產生DC24V，同時通過擴展軸擴展接口給擴展步進驅動板供電。DC5V通過LDO生成 DC3.3V、DC2.5V、DC1.8V給 FPGA供電，DC5V同時提供到上位機ARM板。

DC310V經過反激式電源產生DC15V、DC5V提供給伺服驅動板，DC5V通過LDO生成DC3.3V給DSP供電，DC5V同時提供到運動控制版。

1.2運動控制板

運動控制板以SmartFusion2為核心芯片，SmartFusion2內部集成166MHZ的ARM Cortex-M3de硬核處理器、配合先進的安全處理加速器，保護知識產權；在SRAM、PLL等普通外設基礎上，集成了高速乘法器、DDR2/3、CAN、USB、SerDes以及千兆以太網等高級外設，完全滿足SOC需求。其原理框圖如圖3所示。

圖3　運動控制板原理框圖Fig.3 Schematic diagram of motion control card

控制板主要包括基本的X軸、Y軸、Z軸的運動控制、以及擴展軸運動控制、5個電磁鐵控制、10個輸入和14個輸出控制及上位機通信等功能，實現進給電機的自動加減速控制、運動軸插補控制和位置控制等功能。

1.3交流伺服驅動器

隨著縫制設備控制系統集成度的提高，系統硬件日益復雜，強弱電混合、模數電路混合、工作頻率增高，導致系統內干擾更加嚴重。開關電源和交流伺服系統作為功率器件，它們的可靠性直接影響系統的性能。交流伺服系統原理圖如圖4所示。

圖4　交流伺服系統原理圖Fig.4 Schematic diagram of AC servo drive

伺服控制系統由交流伺服驅動器及交流伺服電機組成，交流伺服驅動器以高性能數字信號處理器（DSP）及大規模可編程邏輯器件（CPLD）為處理器，運用現代伺服電機控制理論，以旋轉編碼器和電流傳感器為反饋，以智能功率模塊（IPM）為逆變器實現對交流伺服電機的高性能控制。

交流伺服驅動控制以高性能DSP為處理器、以旋轉編碼器和電流傳感器為反饋、智能功率模塊IPM為逆變器，并根據縫紉機運動的特性優化了電機位置環、速度環、電流環實時控制算法，實現對交流伺服電機的高性能控制。該項技術的突破，使驅動器的生產成本大幅度降低，并能與縫紉機的主軸和進給軸更好地配合［4～5］。

1.4進給軸驅動器

步進電機能夠將電的脈沖信號轉換成相應的角位移，是一種離散型自動化執行元件。隨著計算機控制系統的發展，步進電機廣泛用于同步系統、直線及角位系統、點位系統、連續軌跡控制系統以及其他自動化系統中，是高科技發展的一個重要環節。

縫紉機控制系統進給軸的數量一般為2～5軸。據市場人員反饋的信息，以前用于2軸控制系統將很快被3軸控制系統所取代，所以進給軸設計為三軸合一步進驅動器，以方便生產和降低成本。

三軸合一步進驅動器將三個單軸步進驅動器設計在一塊印制板，原理同單軸步進驅動器一致，步進驅動器原理框圖如圖5所示。

圖5　步進驅動器原理框圖Fig.5 Schematic stepper drive

電機驅動模塊采用DSP進行電機電流采樣、編碼器信號采集以及PWM信號輸出；實現電機繞組電流的數字化控制，使用電子齒輪、微細分、電磁轉距的矢量控制等技術，實現對電機轉子位置閉環控制，解決電機震蕩和丟步問題，提升步進電機運轉性能，減小電機發熱，大大提升了步進電機的性能。電流控制采用增量式PID算法，離散的PID為：

離散的PID第K-1個采樣時刻的輸出值為：

將式（1）、式（2）相減并整理，就可以得到增量式PID算法公式為：

閉環步進驅動采用恒定的采樣周期T，確定A、B、C后，只要使用前后三次測量的偏差值，就可以使用式（3）求出控制量。步進電機閉環驅動具有步進電機開環驅動和直流無刷伺服電機的優點，提高了矩頻特性、輸出功率/轉矩曲線得以提高、效率-轉矩曲線提高。因此，閉環驅動的步進電機的性能在所有方面均優于開環驅動的步進電機，可得到比開環控制更高的運行速度，更穩定、更光滑的轉速。

1.5人機界面

人機界面ARM主板以Cortex-A8內核的AM3352為處理器核心，ARM主板系統結構如圖6所示。275MHz的主頻板載內存128MB，Flash 128MB，支持液晶屏，具有USB、串口、以太網等接口。

圖6　系統結構圖Fig.6 Schematic diagram of system

2　軟件設計

系統軟件在特定的硬件架構上與縫紉機機械部分配合實現的特定功能，根據硬件架構可以分為兩個部分，即上位機（ARM主板）和下位機（運動控制卡）兩部分。這兩個軟件是相輔相成，缺一不可的，上下位機通過RS422通信方式交換數據和信息。控制系統上位機具有文件管理、參數設置、扣眼文件編制、扣眼文件修改、扣眼文件運行等功能。控制系統下位機主要完成上位機發出的各種指令，具體包括信號輸入控制、信號輸出控制、電磁鐵信號控制、電機運動控制等。

上位機通過RS422串行通信實現與下位機之間雙向通信，下位機接收上位機發送的指令，進行相應的操作，并將相應的數據反饋回上位機。通信使用主從技術，即僅主設備（上位機）能初始化傳輸 （查詢），從設備（下位機）根據主設備查詢提供的數據做出相應反應。上位機顯示界面如圖7所示。圖8為系統軟件流程。

下位機接收上位機發送的數據并發送反饋數據。SOC通過電機接口控制主軸電機驅動器和兩個步進電機驅動驅動器；通過輸入接口控制開關量的輸入，也通過輸出接口控制開關量的輸出；SOC通過外接RAM地址操作，來完成電機控制功能、輸入信號和輸出信號設置功能；SOC內置ARM通過相應的地址讀取已編譯花樣文件和設定的運行速度，通過運動控制卡控制各驅動器，從而實現對各軸運動位置的控制和速度的控制。

下位機主要完成上位機發出的各種指令，具體包括信號輸入控制、信號輸出控制、電磁鐵信號控制、電機運動控制等。

圖7　上位機顯示界面Fig.7 Master Control interface

圖8　系統軟件流程圖Fig.8 Flow chart of software system

3　結束語

該控制系統具有快速、高精度、參考文獻：

擴張功能快捷、操作方便、性價比高等優點，各項指標完全滿足設計要求。該產品已經批量生產，產品遠銷國內外，市場前景十分廣闊，產生了良好的經濟、社會效益。

［1］祝本明，劉必標，等.平鎖縫紉機運動控制卡設計［J］.電子設計工程，2014，12.

［2］趙毅忠，陳志錦，祝本明.基于通用縫制設備控制平臺的430F套結機控制系統開發［J］.兵工自動化，2014，2.

［3］楊奕昕，祝本明，趙毅忠.智能化縫制單元控制系統的實現［J］.四川兵工學報，2011，8.

［4］郭麗，石航飛.基于DSP的雙軸交流伺服運動控制系統［J］.兵工自動化，2010，9.

［5］李勇，陳志錦，郭麗.交流伺服系統電磁兼容設計［J］.四川兵工學報，2012，6.

［6］潘松，黃繼業.EDA技術實用教程［M］.北京：科學出版社，2006.

［7］王曉明，王玲.電動機的DSP控制—TI公司DSP應用［M］.北京航空航天大學出版社，2004.

Design of Intelligent Sewing Machine Control System

CHEN Zhi-Jin，ZHAO Yi-Zhong，MA Yan
（No.58 Research Institute of China Ordnance Industries，Mianyang Sichuan 621000，China）

According to the intelligent sewing machine gradually to the high precision，high speed of professional development needs，designed a model based on ARM+SOC special industrial sewing machine control system，which integrates the system power，Motion Control Card，AC servo drive，3-in-1 stepper drive，ARM motherboard such as function modules.Integrated application ARM、SOC such as embedded technology，realized on the intelligent sewing machine sewing machine of high-speed，high precision motion control，with expansion function advantages of quick，convenient operation and high cost performance，the main technical index has reached the international advanced level.

the intelligent sewing machine；motion control card；SOC；AC servo drive；stepper drive

TN06

Adoi：10.3969/j.issn.1002-6673.2015.05.039

1002-6673（2015）05-104-04

2015-07-21

國家自然科學基金項目（61133016）

陳志錦 （1979-），男，云南麗江人，碩士，高級工程師。從事數控技術研究工作。