特種工業縫紉機控制系統設計及實現

祝本明，陳軍，竇琴

（中國兵器工業第58研究所 四川 綿陽　621000）

特種工業縫紉機控制系統設計及實現

祝本明，陳軍，竇琴

（中國兵器工業第58研究所 四川 綿陽621000）

針對特種工業縫紉機逐漸向高精度、高速度的專業化發展需求，設計了一款以基于ARM+SOC+DSP特種工業縫紉機控制系統，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、DSP、SOC等嵌入式技術，實現了對特種工業縫紉機縫紉機的高速、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。

特種工業縫紉機；運動控制板；SOC；交流伺服驅動器；步進驅動器

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。控制系統原理框圖如圖1所示。

系統電源框圖見圖2所示。系統供電輸入為AC220V，該電源直接提供給電源板。電源板上經過EMI整流濾波后輸出DC310V，經過正激式電源產生DC110V提供給3合1步進驅動板，經過反激式電源產生DC32V提供給運動控制板，同時將DC310V引到伺服驅動板。

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

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

運動控制板上DC32V通過一個DC-DC產生DC24V，同時通過3/4軸擴展接口給2合1簡易步進驅動板供電。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。

3合1步進驅動板上DC110V通過DC-DC生成DC5V、DC15V，DC5V通過LDO生成DC3.3V給DSP供電。

1.2運動控制板

控制板主要包括多個電機軸的運動控制、電磁鐵控制、I/O控制、與上位機通信等功能，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，其原理框圖如圖3所示。

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

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

SmartFusion2是Microsemi的第四代65nm工藝產品：基于Flask架構的，是滿足工業、軍事、航空、通信和醫療領域所需的高安全性、高可靠性和極低功耗的SOC系統。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。SmartFusion2內部框圖如圖4所示。

圖4　SmartFusion2內部框圖Fig.4　Diagram of SmartFusion2

1.3交流伺服驅動器

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]。交流伺服系統原理圖如圖5所示。

李殿平表示，流通行業要發展，必須改變行業小散弱的基本局面。他說：“要鼓勵農資流通企業通過參股控股、兼并重組、協作聯盟等方式做大做強，發展形成一批大型現代農資流通企業集團，通過規模化經營提高農資流通服務的一體化、網絡化水平。”李殿平表示，必須加快農資企業轉型升級，推進農資流通企業由“一買一賣”的農資網點向農業綜合服務商轉型。

圖5　交流伺服系統原理圖Fig.5　Schematic diagram of AC servo drive

1.4進給軸驅動器

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3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，三軸合一步進驅動器原理框圖如圖6所示。

圖6　三軸合一步進驅動器原理框圖Fig.6　Schematic diagram of 3-in-1 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。

1.5人機界面

人機界面由ARM主板、液晶顯示屏、觸摸屏、開模塑料外殼等組成。

ARM主板以TI公司的Cortex-A8內核的AM3352為處理器核心，275 MHz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，ARM主板系統結構圖如圖7所示。

圖7　系統結構圖Fig.7　Schematic diagram of ARM motherboard system

Sitara AM335x是公司新的基于ARM Cortex A8結構的系列處理器，功耗低至 7 mW，其支持低功耗，可延長電池使用壽命，實現更低散熱，進而實現袖珍型便攜式無風扇應用。處理器上提供的高級3D圖形功能、觸摸屏控制器以及高級外設為開發人員提供更高性能，縮減板級空間，降低復雜性，從而可充分滿足便攜式導航、掌上游戲及教育設備，以及家庭及樓宇自動化等更小型應用的需求。AM335x片上具有豐富的外設控制器 （AM335X內部具有16位的內存控制接口，支持DDR2和DDR3，總線頻率可以為200/266/203MHz、具有NAND控制器，支持 MLC/SLC等大容量、大頁面的Nandflash，最高4096字節/頁面、內部集成了2D/3D GPU圖形處理器，并具有24位的LDC控制器和觸摸屏控制器等）、總線接口資源（GPMC總線、MMC總線、USB、SPI總線、I2C總線、LCD接口、UART接口等）和工業外設資源（CAN、ADC、USB+PHY、雙端口Gigabit Ethernet等）。

2　軟件設計

控制系統由上位機和下位機兩部分組成，上下位機通過RS422通信方式交換數據和信息。上位機具有手動功能、縫制數據編程、自動縫紉、斷點功能、參數設置、故障診斷、文件管理等功能。上位機顯示界面如圖8所示。

圖8　上位機顯示界面Fig.8　Master control interface

手動功能：在手動方式下各軸運動、輸出口控制。

縫制數據編程功能：根據各類縫紉機的數據需求，采用相應的方式，生成縫制數據。

自動縫紉：在自動方式下按編制好的縫制數據進行縫制。

斷點功能：從斷點處繼續進行縫制。

參數設置：系統參數、用戶參數設置。

故障診斷：系統及外圍接口的診斷，故障原因報告。

文件管理：縫制數據文件、參數文件、配置文件的管理。

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9　系統軟件流程圖Fig.9　Flow chart of software system

3　結束語

本產品屬于自主研發，整體技術和產品穩定性較好，產品功能豐富，能根據用戶要求特殊定制。該控制系統具有快速、高精度、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。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[8]。

[1]祝本明，劉必標.平鎖縫紉機運動控制卡設計[J].電子設計工程，2014，22（12）:183-187.

[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，2014，33（2）:75-76.

[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，2011，32（8）:74-75.

[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，2010，29（9）:79-81.

[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，2012，33（6）:98-99.

[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:北京航空航天大學出版社，2004.

[8]尚春華，張洪濤.嵌入式技術在特種工業縫紉機上的應用[J].電子設計工程，2014（7）:154-157，160.

Design and implementation of special industrial sewing machine control system

ZHU Ben-ming，CHEN Jun，DOU Qin
（N0.58 Research Institute of China Ordnance Industries，Mianyang 621000，China）

According to the special industrial sewing machine gradually to the high precision，high speed of professional development needs，designed a model based on ARM+DSP+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、DSP、FPGA such as embedded technology，realized on the special industrial sewing machine sewing machine of high-speed，high precision motion control，with expansion function advantages of quick，convenientoperationandhighcostperformance，the maintechnicalindexhasreachedthe internationaladvancedlevel.

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

TN06

A

1674－6236（2016）01-0109-03

2015-03-30稿件編號：201503431

國家自然科學基金項目（61133016）

祝本明（1981—），男，安徽阜陽人，碩士，工程師。研究方向：數控技術。