邢台市润联机械设备有限公司
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众为兴花样机控制系统的应用实例
    
&&&&&&&&&&&&& 众为兴公司利用大容量，高速度的运动实现了对花样机控制。本文介绍了以ADT-TP3840为核心的花样机控制系统及实在现方案。它相对于普通的花样机控制系统来说，具有很多优点，例如，其存储容量大，与外界交流信息能力强等等。&
&&&&&&&&&&&&& 随着社会经济、政治、文化、科学的发展，人类对衣饰衣着的要求也越来越高，从而极大的推动了服装机械的发展，尤其在20世纪中期以来，新产品、新技术、新工艺、新材料不断地应用到服装生产中。目前，服装生产从裁剪、粘合、缝纫、整烫、包装、工序间运输都已有了全套的机械。缝纫工序中不但有通用机，还有各种专用机完成通用机难以保证质量的操纵，如绱裤腰、绱衣领、绱袖、绱袖口、打褶、开袋、钉扣、缝裤带袢、缝牛仔裤裤栋缝等，大大进步了生产效率和产品质量。占有关资料介绍，目前世界上不同型号、不同用途的缝纫机已多达4000余种。
&&&&&&&&&&&&& 花样机由于可以满足人们对于各种花式的需要而受到广泛的青睐。
&&&&&&&&&&&&& 国内市场的智能电子花样机基本依靠进口，且价格昂贵。标准股份自主研制的精密机械、光电等技术较为成熟，但缺乏花样机电脑控制核心技术，特别是嵌进式系统。基于国内的情况，众为兴公司在花样机控制上有自己的建树。
1& 实现方案
&&&&&&&&&&&&& 由前述可知，这里的花样机控制系统尚处于蕴酝酿之中，它有几套实现方案。花样机系统就其硬件基本实现方案有：1.单片机集成电路实现方案，2.控制器实现方案。
1.1& 方案一
&&&&&&&&&&&&& 这两种实现方案中，单片机实现方案在外国有很多先例：如德国杜克普公司的产品；日本兄弟公司生产的311型、日本重机的AMS-210E型、三菱公司的PLK型；中国通宇公司也仿制出了其特色的花样机控制系统。众为兴公司为了在上述基础上有所进步，有用于研究及实验的花样机控制系统。它产于日本，属于日本兄弟公司的311型产品。实在物图如图3.1.1.1所示：
&&&&&&&&图3.1.1.1& 花样机控制系统实物图
&&&&&&&&1―右视图，见右下角& 2―操纵盘，见左上角& 3―控制箱，见左下角
&&&&&&&&&&&&& 这一系列产品其特点：它的控制电路由三块单片机集成电路板A，B，C组成。其中一块单片机集成电路板A用于控制U轴的伺服马达和控制X，Y，V轴的步进马达，还有一块单片机集成电路板B用做电源供给给A，C板的一些元器件。含有CPU的主控制集成电路板C板可以输送控制指令给A板，作为整个系统的“大脑”从总体上控制整个系统。集成电路板B还负责向各其他非控制板部分提供电源。这些集成电路板都被按放在一个控制箱（如上图所示）里面，与工作台上的操纵盘相连。用户通过操纵盘来设定参数来控制整个系统的运行。其中，A，B，C板实物图如图3.1.1.2所示。
&&&&&&&&图3.1.1.2& A，B，C板实物图
&&&&&&&&1―C板& 2―A板& 3―B板
&&&&&&&&这种方案的原理图如图3.1.1.3所示。
&&&&&&&&图3.1.1.3& 1号方案的原理图
&&&&&&&&1.2& 方案二&
&&&&&&&&&&&&& 控制器实现方案在国内尚且没有首例，众为兴数控正在研发这种新式的花样机控制系统。此种系统的特点：利用控制器控制步进和伺服驱动器，从而间接控制步进和伺服马达的转速、方向即X，Y，U，V轴的精确转动以达到对花样机运行的控制。这种控制系同一般采用ucos-Ⅱ操纵系统，而且支持外界PC机花样图形输进，支持USB接口。
&&&&&&&&这种方案的原理图如图3.1.2.1所示。
&&&&&&&&图3.1.2.1& 2方案的原理图
&&&&&&&&1.3& 方案比较&
&&&&&&&&&&&&& 由上述文章可知道，两种方案各有优劣。其中，1号方案中的日本系列产品是日本于世纪初刚刚推出的产品，具有技术成熟，无需伺服/步进驱动器控制，控制电路部分集成度高，本钱较低，整体外形系统化较为美观等优点。
&&&&&&&&&&&&& 利用四轴运动控制器实现的方案有四大优点，快、大、强、实时性。所谓快是指它支持的图形格式多，算法速度较快。所谓大，当然是指其存储容量大，可以处理大容量的文件，相对来说，一般要比前种实现方案存储的容量大。所谓强，是指其通讯力强，它支持USB接口，与现有通用设备兼容性较好，比单片机实现方案中的浅口要快，兼容性更好，这样它可以支持外界图形的输进，易于与外界交换信息。实时性，顾名思义，它可以在操纵界面及时编写花样图形并且实现此种花样的缝制。&
&&&&&&&&&&&&& 众为兴公司为了推动技术革新，为了填补此项技术的空缺，为了实现其仁和进取，技术创新的方针，采用第2号方案，拟使用TP3840四轴运动控制器来实现此花样机控制系统，并且正在努力研发之中。
1.2& 系统构成
&&&&&&&&&图3.2.1& 系统控制原理图
&&&&&&&&整个控制系统的控制原理图见上图3.2.1。
&&&&&&&&（1）TP3840是众为兴的最新产品，它是分辨率为640*480 ，65536色真彩， 10.4寸液晶+按键屏，是一款超大规模显示屏，实物图见图3.2.2。大屏幕，大分辨率，真彩显示便于用户识别与修改参数。
&&&&&&&&（2）该四轴运动控制器内部工控主板中集成有主频率200HZ ARM主芯片，内核为ARM920T。
&&&&&&&&（3）伺服和步进驱动器在系统中均有应用，伺服系统主要用于主轴的运动控制而步进系统主要用于其他三轴包括X，Y平面方向和抬压脚方向的驱动。
&&&&&&&&&&&&& 此控制系统硬件部分主要由三大部分即TP3840、伺服驱动器、步进元件器，伺服电机步进电机组成。下面我们将逐一阐述这几部分。
&&&&&&&&&&&&& ADT-TP3840是一台高性能的现场8轴步进/伺服触摸屏运动控制器。它内含64路光耦输进，8轴编码器AB相脉冲输进，2路模拟输进，32路光耦输出，8路脉冲/方向信号输出，2路模拟输出,标准TCP/IP协议的网络接口, RS232通讯模块，USB功能，采用10.4寸超大彩色液晶显示屏，640*480点阵。
&&&&&&&&&&&&& 控制器内部由核心板，电源板，输进/输出板构成，核心板是此运动控制器件的核心部分，它负责驱动器的控制信号的输进和脚踏控制器信号的输进与处理，图3.2.2为它的硬件平台。电源板板是提供核心板的电源，以及核心板与外界信息的交流与处理等等的一个平台。电源板负责对整个控制器进行供电即负责将控制器电源24VDC转化为适合于主板运行的5V左右的电源。
&&&&&&&&图3.2.2&& 工控主板的硬件平台
&&&&&&&&&&&&& 由上述可以知道，工控主板是整个控制器的核心板，它的内部结构决定了其性能，从而决定了整个系统的性能。其硬件构成如上表，有SDRAM，NAND FLASH，主ARM芯片，两片FPGA芯片。
&&&&&&&&（1）ARM9系列处理器是英国ARM公司设计的主流嵌进式处理器，主要包括ARM9TDMI和ARM920T等系列。这里的ARM920采用的就是ARM9TDMI的内核。& && &新一代的ARM9处理器，通过全新的设计，采用了更多的晶体管，能够达到两倍以上于ARM7处理器的处理能力。这种处理能力的进步是通过增加时钟频率和减少指令执行周期实现的。时钟频率的进步：ARM7处理器采用3级流水线，而ARM9采用5级流水线。增加的流水线设计进步了时钟频率和并行处理能力。5级流水线能够将每一个指令处理分配到5个时钟周期内，在每一个时钟周期内同时有5个指令在执行。在同样的加工工艺下，ARM9TDMI处理器的时钟频率是ARM7TDMI的1.8～2.2倍。指令周期的改进：指令周期的改进对于处理器性能的进步有很大的帮助。性能进步的幅度依靠于代码执行时指令的重叠，这实际上是程序本身的题目。对于采用最高级的语言，一般来说，性能的进步在30％左右。& （2）这里集成了64M的SDRAM，主要用于程序的运行，由于系统运行会产生大量的堆栈，局部变量，全局变量等等。
&&&&&&&&（3）NAND FLASH，集成了64M的NAND FLASH，主要用于数据的存储，可以作为U盘使用。
&&&&&&&&（4）FPGA作为系统的协处理器和主CPU―ARM芯片一起共同完成输进信号的处理，转化与控制的最后实现。FPGA中集成了很多模块可以处理主CPU的指令。两者可以通过内部总线进行通讯如：UART总线。
&&&&&&&&FPGA与ARM的完美结合，终极实现了控制器的功能。
&&&&&&&&&&&&& 控制器TP3840主要应用于多轴焊接机，喷涂机，点胶机，等机械控制系统中。
&&&&&&&&图3.2.1& TP3840实物图（后视图与前视图）
&&&&&&&&&&&&& 从伺服的角度看，此系统也是交流伺服控制系统，它由伺服驱动器、伺服马达，控制器组成。原理即是利用四轴运动控制器TP3840输出指令给伺服驱动器，再由伺服驱动器控制伺服马达以驱动缝纫机上轴转动，从而带动缝纫机上针的运转。
&&&&&&&&&&&&& 众为兴使用的伺服驱动器为QS5AA020M，这是由众为兴自主研制的伺服驱动器，该系统采用智能化的空间失量控制算法，冗余型的力矩设计，自适应的PID位置控制算法，新一代的智能功率模块，使得性能优于传统的SPWM型的伺服控制方式，力矩更大，噪音更小，动态升速能力更强。QS5具有集成度高，体积小，响应速度快，保护完善，可靠性高等一系列优点。适用于高精度的数控机床，自动化生产线，电子精密设备，机械制造业等产业控制自动化领域。
&&&&&&&&实在物图如图3.2.4所示。
&&&&&&&&图3.2.4& QS5驱动器实物图
&&&&&&&&1―主回路电源输进端子& 2―电机连接端子& 3―再生单元连接端子& 4―控制电源输进端子& 5―接地端子& 6―面板显示器&& 7―面板按键& 8―电脑通讯用接头& 9―输进、输出信号用接头& 10―编码器用接头
&&&&&&&&&&&&& 这种伺服控制器内部主要是由电源集成板部分，电流和速度环芯片，位置环芯片，和包括功率集成IGBT器件在内的集成IPM（intelligent power module）模块构成。
&&&&&&&&&&&&& 功率IGBT驱动电路：IGBT作为一种优秀的功率器件，融合了双极晶体管和MOS晶体管的优点，如开关速度高，正向饱和压降小等特性，其等效电路和驱动电路如图3.2.6和图3.2.7所示。IGBT的缺点是短路容量小，可靠性较差，这就要求有过流保护。
&&&&&&&&图3.2.6　IGBT驱动器
&&&&&&&&RG 100Ω
&&&&&&&&1Ω
&&&&&&&&1GBT
&&&&&&&&RGE
&&&&&&&&300KΩ
&&&&&&&&VS1
&&&&&&&&5V
&&&&&&&&VS2
&&&&&&&&15V
&&&&&&&&图3.2.7& IGBT驱动电路
&&&&&&&&&&&&& IPM有6管三相全桥封装和七合一封装（三相全桥加1个泄放管）。IPM内部（单管）原理如图3.2.8所示。其内部集成有驱动电路和各种保护电路，它用于防止因系统相互干扰或者过载等造成功率芯片的损坏。它所采用的故障检测方式和关断方式，可以使功率芯片的容量得到最大限度的利用而不会损坏其可靠性。只要有一个保护电路起作用，IGBT的门极驱动电路就会关断，同时产生一个故障输出信号。目前，第三代IPM采用高速型IGBT，与早期的IGBT相比，其饱和电压和开关特性都有很大改善。故障保护电路是当发生任何故障时封闭驱动信号与主控元件IGBT。与IGBT配合使用的FWD具有快速而软的反向恢复特性，它可以较好地控制电磁干扰噪声。
&&&&&&&&驱动电路
&&&&&&&&短路保护
&&&&&&&&过流保护
&&&&&&&&过热保护
&&&&&&&&保护
&&&&&&&&欠压保护
&&&&&&&&保护
&&&&&&&&温度传感器
&&&&&&&&阳极
&&&&&&&&阴极
&&&&&&&&驱动输进
&&&&&&&&故障输进
&&&&&&&&电源
&&&&&&&&地
&&&&&&&&FO
&&&&&&&&图3.2.8& IPM的原理图
&&&&&&&&这里选用的伺服马达为众为兴的ACH系列伺服电机。
&&&&&&&&步进驱动器用的是Q2-BYG403M步进驱动器，它的特点：
&&&&&&&&1& 可驱动两相四、六、八出线混合式步进电机
&&&&&&&&2&双极恒流斩波方式，斩波频率20KHZ
&&&&&&&&3&光电隔离信号输进，输进信号与TLL兼容
&&&&&&&&4&电流方便可调，细分精度可任意选择
&&&&&&&&5&运行平稳，高加速特性，高速大力矩输出
&&&&&&&&6&过压、过流、过温保护
&&&&&&&&开环控制下，步进电动机的性能经常受到限制。
&&&&&&&&&&&&& 位置反馈和（或）速度反馈来确定与转子位置相适应的正确相位转换，可以大大改进步进电动机的性能。采用闭环控制，不仅可以获得更加精确的位置控制和高得多、平稳得多的转速，而且可以在步进电动机的很多其它领域内获得更大的通用性。
&&&&&&&&&&&&& 尽大多数步进电动机闭环控制系统都是使用脉冲负反馈来响应电动机的位移。图3.2.11的方框图说明了这种步进电动机闭环控制线路的各个环节。在这种情况下，编码器可以是一种光电装置，也可以是一种磁感应装置，它们能够对电动机运动的每一步给出一个或多个脉冲。电动机开始由输进指令的一个脉冲起动，后续的脉冲则是由编码器装置产生的。因此，图3.2.11的闭环系统不同于通常控制系统技术中闭环系统的运行原理，步进电动机系统中的闭环不产生稳定性题目。事实上，系统的稳定性还得到改善。
&&&&&&&&程序逻辑
&&&&&&&&功率驱动器
&&&&&&&&编码器
&&&&&&&&输进脉冲
&&&&&&&&步进电动机
&&&&&&&&方向指令
&&&&&&&&电源
&&&&&&&&图3.2.11　步进电动机典型的闭环控制方框图
&&&&&&&&&&&&& 这里使用的闭环控制系统是利用脉冲负反馈来响应电动机的位移，即第三种原理图所反映的闭环控制方式。
&&&&&&&&&&&&& 此处的步进马达使用的是56BYGH620，其技术参数如表3.2―d所示。&
&&&&&&&&电机型号
&&&&&&&&步矩角
&&&&&&&&机身长
&&&&&&&&相电流
&&&&&&&&相电阻
&&&&&&&&相电感
&&&&&&&&静力矩 Holding Torque (kg.cm)
&&&&&&&&引线数 Lead Wire (NO.)
&&&&&&&&重量 Motor Weight (kg)
&&&&&&&&Model
&&&&&&&&Step angel ( ° )
&&&&&&&&Motor Length
&&&&&&&&(mm)
&&&&&&&&Rate Current (A)
&&&&&&&&Phase Resistance ( Ω )
&&&&&&&&Phase Inductance (mH)
&&&&&&&&56BYGH620
&&&&&&&&1.8
&&&&&&&&41
&&&&&&&&2.0
&&&&&&&&1.4
&&&&&&&&1.0
&&&&&&&&3.5
&&&&&&&&0.42
&&&&&&&&表3.2―d&& 56BYGH620技术参数
1.3& 核心技术与软件实现
&&&&&&&&&&&&& 上图为整个系统的技术构成图。此控制系统的核心技术主要有以下几个方面：驱动器对马达的加减速控制，插补的性能，多轴驱动。
&&&&&&&&电机转速时间纪录如图3.3.1所示。
&&&&&&&&图3.3.1& 电机转速时间纪录图
&&&&&&&&步进驱动器对于步进马达加减速的控制原理：
&&&&&&&&&&&&& 步进系统在运行过程中，速度可以为是恒定的．但在一般情况下，系统的极限起动频率是比较低的，而要求的运行速度往往较高．假如系统以要求的速度直接起动，由于该速度已超过极限起动频率而不能正常起动，可能发生丢步或根本不运行的情况．系统运行起来之后，假如到达绺时立即停发脉冲串，令其立即停止，则由于系统的惯性原因，会发生冲过绺的现象，使点位控制发生偏差．因此，在点位控制过程中，运行速度都需有一个加速―恒速―减速―低恒速―停止的过程，如图3.3.2所示。
&&&&&&&&加速
&&&&&&&&恒速
&&&&&&&&减速
&&&&&&&&低速
&&&&&&&&终点时间
&&&&&&&&出发点时间
&&&&&&&&图3.3.2&& 点-位控制的加减速过程
&&&&&&&&&&&&& 对于非常短的间隔，如在数步范围内，电动机的加减速过程没有实际意义，只要按起动频率运行即可。在稍长间隔时，电动机可能性只有加减速过程而没有恒速过程。对于中等或较长的运行间隔，电动机加速后必须有一个恒速过程。各种系统在工作过程中，都要求加减速过程时间尽量短，而恒速的时间尽量长。特别是在要求快速响应的工作中，从出发点至终点运行的时间要求最短，这就必须要求升速减速的过程最短而而恒速时的速度最高。
&&&&&&&&&&&&& 升速时的起始速度应即是或略小于系统的极限起动频率（速度），而不是从零开始。减速过程结束时的速度一般应即是或略低于起动速度，再经数步低速运行后停止。
&&&&&&&&伺服系统的加减速和步进系统在原理上是一样的。
&&&&&&&&TP3840控制器可以进行4轴的直线插补和轴圆弧插补。
&&&&&&&&&&&&& 在插补驱动过程中，插补运算是在指定X轴的基本脉冲时序下运行的，因此进行插补命令之前，先要设定指定X轴的初始速度、驱动速度等参数。（Z-W插补时是以Z轴速度为基准）
&&&&&&&&&&&&& 在连续插补时为了实现加/减速驱动，可以使用减速有效命令和减速无效命令。在插补驱动时，减速有效命令是使自动减速或手动减速变为有效，减速无效命令是使其变为无效。用加/减速单独运行插补驱动时，驱动开始之前一定要设定成减速有效状态，否则在驱动中即使写进减速有效命令也不能使其变为减速有效。
&&&&&&&&&&&&& CW圆弧插补从当前坐标至终点坐标以顺时针方向绕中心坐标画圆弧，CCW圆弧插补以逆时针方向绕中心坐标画圆弧，假如终点设为（0，0）能画整个圆。
&&&&&&&&&&&&& 至于圆弧插补的算法如下图所示由X轴和Y轴定义一个平面，绕中心坐标把它分为0―7的8个象限，如图所示在0象限的插补坐标（X，Y）上，Y尽对值一直比X的尽对值小，尽对值小的轴为短轴。1、2、 5、6象限是X轴，0、3、4、7象限是Y轴，短轴在这些象限之间一直输出驱动脉冲，长轴根据圆弧插补运算结果，有时输出脉冲，有时不输出脉冲。
&&&&&&&&下面是输出一个整圆的例子，以及输出脉冲的示例：
&&&&&&&&&&&&& 对于圆弧插补，在插补驱动开始前，把当前坐标设为（0，0），根据中心坐标的数值决定半径画圆。圆弧算法的误差在插补驱动范围内有1个脉冲，因此，指定的终点可能不在圆的轨迹上。圆弧插补进进终点所在的象限时，只要结束点值与终点的短轴数值一致圆弧插补就结束。
&&&&&&&&&&&&& 伺服控制可以利用PID实现，它是目前用途最广泛的控制方法之一，一般依靠经验法来实现。
&&&&&&&&&&&&& 多轴联动，此系统是支持多轴驱动的系统，包括X、Y、U、W。其中X、Y是被控制的送料装置运动平面X、Y轴。U轴代表上轴，它的运动带动缝针做上下运动，W轴代表控制的是大压脚的自动抬压。TP3840运动控制器控制X、Y、U、W，以实现对花样机各部分的协调，完成花样机的一次的缝纫任务。实在物图如图3.3.3所示。
&&&&&&&&图3.3.3& X，Y，U，W马达实物图&
1.4& 功能与实现
&&&&&&&&&&&&& 由前述花要机控制系统支持三大自动控制功能，自动抬压脚，自动松线，自动剪线，根据平缝机控制系统的具体论述我们也可以依葫芦画瓢推测其运行之一二。
&&&&&&&&&&&&& 其自动抬压脚功能的实现不再依靠电磁铁，而是依靠步进电机的转动带动大压脚，与压脚的联动与协调运动，完成缝纫的任务。
&&&&&&&&&&&&& 其信号输进依然依靠脚踏板的几个档位来实现，不一样的是它的脚踏板还有启动各驱动器、控制器电源的功能。
&&&&&&&&&&&&& 自动松线原理：控制面板设置为自动松线状态时，当传感器发出针线处于高位的信息，控制器便给松线电磁铁一个脉冲，导至松线电磁铁吸合。从而带动松线机械，实现松线。实在物图如图3.4.1所示。
&&&&&&&&图3.4.1& 松线电磁铁实物图
&&&&&&&&1―松线电磁铁& 2―电源接口
&&&&&&&&&&&&& 自动抬压脚原理：控制面板设置为自动抬压脚时，当控制抬压脚的步进电机旋转时，通过一个机械装置自动带动大压脚及间歇压脚的抬升与压下，他们的抬压是有规律的，协调的。其机械装置与实物图如图3.4.2所示。
&&&&&&&&机械装置
&&&&&&&&1―联动机械装置& 2―控制抬压脚的步进电机
&&&&&&&&实物图
&&&&&&&&3―间歇压脚& 4―大压脚
&&&&&&&&图3.4.2& 机械装置与实物图
&&&&&&&&&&&&& 自动剪线原理：控制面板设置为自动剪线，当传感器发送针线处于高位时，可以执行自动剪线。此时，控制器给剪线电磁铁自动吸合，带动自动剪线机械装置自动剪线。实在物图如图3.4.3所示。
&&&&&&&&图3.4.3& 机械联动装置及剪线电磁铁实物图
&&&&&&&&1―自动剪线机械装置& 2―剪线电磁铁
&&&&&&&&&&&&& 利用控制器TP―3840实现花样机的控制是众为兴公司正在实施的一种方案。与以往的单片机+控制面板的实现方案相比，它具有通讯方便，可以与PC机进行通讯，体积小，性能优良等特点。TP―3840具有触摸屏大和高分辨率，真彩等优点，适合于花样机这种多轴高精度控制系统。但是控制系统的一些细节题目像软件实现，驱动器与电机的搭配，稳定性等题目还有待解决，可以预见，这样的系统将大大的进步花样机的效率，比原有系统更加美观，性能更好，更加方便用户的使用，将会有更大的市场。
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