基于DSP伺服驅動的工業縫紉機控制器設計*

俞建軍

（浙江機電職業技術學院，杭州 310053）

0 引言

隨著電子技術的發展，國內外工業縫紉機廠家開發了各式的電腦控制器。國內著名的縫紉機公司，如上海上工、中國標準、廣州華南、浙江中捷、中國飛躍等，都開發了擁有自主品牌的縫紉機電腦控制器；在國外，有韓國日星、日本三菱電機等縫紉機公司開發的電腦控制器。國內外的眾多期刊和專利文獻，介紹了各種縫紉機控制器的開發經驗，有用微處理器開發的縫紉機控制器[1-3]，有基于DSP技術開發的控制器[4-5]，但還存在著諸多的不完善和不完美，如不能用在線參數修改的方法來改變縫紉機控制器的應用，或無法通過網絡對縫紉機進行監控和管理。為此本文設計了一種基于DSP伺服驅動的工業縫紉機控制器，可通過修改上位機軟件參數快速應用于平縫機、包縫機、繡花機等多種類型縫紉機的控制。

1 工業縫紉機機電控制系統架構

工業縫紉機機電控制整體架構如圖1所示，包括兩個部分：電機及控制箱體部分和縫紉機機頭部分。縫紉機機頭部分包括針腳部分、機頭內部的電磁鐵、皮帶和皮帶輪部分、機針上下位置檢測部分、操作面板等。電機及控制箱體部分包括電機、電機端皮帶輪、踏板速度調節器、電機內部的霍爾傳感器及控制箱。控制箱內部包括電機驅動器和控制單元。電機驅動器和控制單元是縫紉機電腦控制器設計的重點。電機的三相電源由驅動器提供，無刷直流電機上安裝有一般常用的三相輸出霍爾元件（Hall Sensors），電機的霍爾接口與驅動器進行連接[6]；控制單元的I/O端口與驅動器的I/O端口進行連接；光電編碼器信號同時輸入控制單元和驅動器；踏板速度調節器與控制單元進行連接。縫紉機機頭通過皮帶輪由電機帶動；機針上下位置檢測信號輸給控制單元，縫紉機機頭的剪線、跳線、抬壓腳等動作由控制單元發出；機頭上的操作面板通過通訊線與控制單元相連。

圖1 工業縫紉機機電控制整體架構Fig.1 Framework for industrialsewingmachine

2 縫紉機電機驅動器的設計及應用

2.1 DSP伺服驅動器的構成及針位控制配線

電機驅動器主要由控制板和功率板組成。控制板是基于數字信號處理（Digital Signal Processing，DSP）和可編程邏輯（Complex Programmable Logic Device，CPLD）設計，核心DSP芯片采用美國TI公司的TMS320F2812。CPLD采用ALTERA公司的EPM7064型號芯片[6]。得益于DSP強大的數字處理能力和CPLD靈活的數字電路應用，控制板產生高頻脈寬調制（Pulse Width Modulation，PWM）控制信號，與功率板結合進行電源逆變，輸出可變三相交流電驅動伺服電機，實現運動控制，控制板編程靈活，可以適應各種不同的電機驅動要求。在高速工業平縫機中，選用含三相霍爾元件、550 W、3 000 r/min的無刷直流電機作為伺服電機效果較好。

功率板是一個電源逆變器，其功率器件是日本三菱公司生產的智能模塊IPM-060，通過逆變輸出伺服電機所需的三相交流電。功率板不但產生大功率三相交流電，還具有電子剎車控制功能。功率板輸出三相逆變交流電給縫紉機電機，是一種高頻、高壓電源，所以驅動器電源端口配線應越短越好，電機動力電源線應帶屏蔽且遠離其他弱電控制單元。

如圖2所示，驅動器接口CN1是RS232/485串聯接口，與上位機相連，上位機安裝伺服調試軟件Windows Based Easy Tune，可對驅動器進行參數設定和程序更新，并由此可實現遠程監控。縫紉機機頭的光電編碼器和電機的霍爾傳感器信號通過CN2接入驅動器；CN3為電機驅動器的受控指令輸入接口，接受來自控制單元的伺服啟動與系統重置信號，亦包括一些電機運動控制命令，如位置脈沖信號、0～5 V的速度命令、電機急停信號、旋轉方向信號和機械原點信號等。電機驅動器有3種控制模式，即位置控制、速度控制和轉矩控制。

圖2 縫紉機電機驅動器針位定位控制配線Fig.2 Needleposition control wiringdiagram for sewingmachinemotor driver

基于DSP設計的伺服驅動器相比于一般伺服驅動器的優點是通用性強和能實現聯網[7]。采用DSP芯片，減少了外圍電路器件，使電路高度集成化，降低了能耗，提高了系統的可靠性，降低了成本[8]。采用了以DSP芯片為核心技術的硬件設計并配以靈活可變的應用軟件，使驅動器的通用性大大增強，可適用于各種交直流伺服電機、無刷直流電機及向量感應電機等的控制，經軟件調整后可方便地應用于各類縫制設備。驅動器通過電腦聯網可以監測整個生產區工業縫紉機的運行情況，提高生產力與管理效率，降低成本，促進企業管理的信息化。

2.2 Windows Based Easy Tune軟件

若是希望縫紉機電機在不同負載的情況下，都能得到最佳的動態響應，則必須進行控制參數的調整[9]。可以在速度控制下利用Windows Based EasyTune軟件來進行控制參數的調整。可以調整的參數區分為系統參數（System Parameters）與控制參數（Control Parameters），圖3所示為EasyTune調整控制參數的畫面。

圖3 EasyTune調整控制參數的畫面Fig.3 Adjustingcontrol parameterson Easy Tune

圖4 所示為驅動器的伺服控制方塊圖，圖中參數與縫紉機電腦控制器的動態響應有關系，調整控制參數，可以改善針位控制的動態響應。各控制參數說明如下。

圖4 電機驅動器伺服控制方塊圖Fig.4 Control block diagramof servodriver

（1）Kv（位置回路控制器增益）和Kff（位置回路前饋控制器增益）用來調整位置控制的動態響應。數值越大，反應越快，但也越容易發生超調現象，導致電機震動。負載越重，反應則越慢，因此應將數值調小，反之，數值可以調大些。Kv可調范圍為10～35，預設值為15；Kff的可調整范圍為0～100，預設值為50。

（2）SKff（速度回路前饋控制器增益）和SKp（速度回路比例控制器增益）的功能在于改善速度變化的動態響應，負載增加時，應調低數值。Kff可調整范圍為0～16，預設值為14；SKp可調整范圍為10～300，預設值為190。

（3）SKi（速度回路積分控制器增益）的功能在于改善穩態速度誤差，SKi可調整范圍為1～30，預設值為20。

以上參數可在Easy Tune軟件中調整（圖3）。

3 控制單元及其他模塊的設計

3.1 控制單元硬件構成

整個工業縫紉機電腦控制器采用了模塊化設計和軟件控制方式，核心的設計單元是DSP伺服驅動器和控制單元，其中控制單元主要負責工業縫紉機的各種縫制功能實現，從操作面板得到花樣縫制信息，接受光電編碼器的信號，對伺服驅動器輸出各種命令，精確控制上下針停車位，輸出剪線、跳線、抬壓腳等各種命令。

控制單元包含一塊單片機，其I/O接口與電機驅動器的I/O接口連接，其主要信號有伺服ON，輸入數位重置，緊急停止，旋轉方向，停針位置等，控制單元的I/O信號需經74LS373芯片鎖存輸出，如圖5所示。

圖5 控制單元主電路Fig.5 Main circuit diagramof control unit

控制單元與電機驅動器主要通過圖2中的CN3端口連接，電機控制方式有位置控制、速度控制和扭矩控制，一般采用速度控制方式，信號為0～5 V模擬量，在控制單元中用DAC0832進行數模轉換，信號提供給電機驅動器，采用速度控制方式可實現交流無級調速和無機械接觸調速，最高針速達5 000針/min，調整范圍為80～5 000針/min。

裝在縫紉機機頭上的增量式光電編碼器的信號同時輸給控制單元和電機驅動器，在控制單元中用AM26LS32芯片對光電編碼器的差分信號進行處理，對電機的旋轉數或縫制針數進行計數。控制單元控制高速工業縫紉機的自動倒縫、挑線、剪線、車針定位等，都采用電磁鐵操作，電磁鐵采用36 V電壓，控制單元輸出的信號必須用光耦進行隔離和功率放大，功率放大器件采用功率場效應管IRF640。操作面板包含一塊89S51的單片機，具有多個開關及顯示單元。多個開關將縫紉機操作指令提供給控制單元，操作面板內有存儲芯片用來存儲縫制程序，采用帶自動存儲的SPI串行非易失性靜態RAM芯片X24C45，在面板上有多種的花樣縫制程序選擇和指示燈；控制單元和操作面板之間采用RS485通訊，通訊芯片采用DS75176B。調速器中裝有霍爾元件，由踏板控制，其通過霍爾元件輸出0.13～5 V電壓，可經控制單元選擇，作為伺服驅動器的速度命令，按踏板輕重實現自由縫制；或者作為開關信號，由控制單元來判斷其是否有效，作為花樣縫制開始的信號。

3.2 控制單元主程序流程

按控制單元的功能制定控制單元主程序流程，如圖6所示。

圖6 控制單元主程序流程Fig.6 Flow chart of main program of control unit

3.3 車針精確定位控制

縫紉機控制的難點是車針的精確定位，若車針停位不準，會引起自動剪線時斷針和后續縫制程序紊亂，進而嚴重影響用戶使用體驗。在復雜的花樣縫制過程中，電機頻繁地進行“快速啟動-高速運轉-快速停車”過程，縫紉機控制器需在不同的速度和加速度下使機頭慣性停車，要求快速、平穩、精確，然后使車針精確地停在上針位或下針位。

假設縫紉機高速運轉時腳踏板發出停車命令。驅動器收到停車命令后，內部給一速度命令（300 r/min）；縫紉機轉速應在50 ms內調整到300 r/min左右（T1＜50 ms）；此后驅動器按此速度運轉并檢測縫紉機機頭上光電編碼器反饋信號，在將要到停車針位并檢測到Z相信號時減速并制動，在下個Z相脈沖到來前使縫紉機轉軸恰好停在應有的針位。要求誤差不能超過±5個編碼器脈沖，停止時間應在50 ms內（T3＜50 ms）。從速度命令為零到縫紉機停轉總的時間應控制在300 ms內（T1＋T2＋T3＜300 ms）。停止時要穩，不能出現反轉調整的現象。

為了實現車針精確定位控制，應保證車針停位位置的一致性。首先，光電編碼器在車針傳動軸的安裝必須遵循固定的方式。安裝原則是調整光電編碼器的角度，使其Z信號的反饋恰好位于上針位，而下針位的位置與Z信號相差180°。其次，為了避免安裝時的角度誤差，在驅動器中用軟件設定角度補償機制，其設定方法是以Z信號為原點，可分別在Easy Tune軟件中設定上針位、下針位和Z信號之間的脈沖位移量（offset），以達到更精準的車針定位控制。

4 結束語

本文設計的工業縫紉機電腦控制器由操作面板、控制單元、踏板調速器、電機驅動器及伺服電機等組成。控制器應用了通用型的DSP伺服驅動器，通過上位機軟件可對驅動器參數調整，使控制器可適用于多種縫制設備，包括平縫機、繡花機、包縫機等。控制器以計算機軟件參數調整來拓展硬件應用，采用高性能的DSP、CPLD、三菱IPM、單片機等元件，性能穩定，應用靈活，操作簡便。控制器可通過RS232/485連接上位機和通過TCP/IP接口聯網，使整個車間的控制器工作情況得到監測，提高生產效率，降低成本，提高了企業的信息化水平。該工業縫紉機控制器功能完善，性能可靠。可實現自由縫前后加固；可選擇4種程序縫制，且段和針數任選；可提針、補針、手觸倒縫、再縫制等；可選擇上、下針位停針，停針準確；可縫制針跡補償；控制器數據存儲量大，有掉電數據保護；具有自檢功能；有過電壓、欠電壓、過電流保護及堵轉、皮帶脫落保護等。

工業縫紉機仍是縫紉設備的主要產品，我國年產50萬臺以上。如果能及時掌握電子器件市場的發展趨勢，提高數字電路集成度水平，簡化硬件電路，采用DSP開發電腦控制器，其性價比可領先國內外同類產品。