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一种基于TMS320LF2406A为控制核心工业缝纫机控制系统设计

引言

    根据工业缝纫机的性能,提出了一套以DSP为核心的永磁同步电机控制系统设计方案。详述了其关键部分的功能与实现方法,设计了电路原理图,完成了系统软、硬件设计和系统的安装;并对样机系统的各项性能进行了测试。很好地实现了系统的调速范围宽、定位精度高的要求,增强了产品的市场竞争力。

  传统的工业缝纫机,主轴驱动大多采用离合器电机,缝制过程中的动作都靠机械和人工配合完成,存在效率低、体积大、调速范围窄、位置控制难、自动化程度低。另一方面,传统的工业缝纫机,由于主轴驱动靠离合器电机,通电后不管机器是否正处于缝制状态,电机都一直在高速运转耗电,不能实现有缝制动作时机器运转,没有缝制动作时机器停止,从而造成了大量电能浪费。

  近年来德国杜克普,日本重机,日本兄弟等国外公司,相继推出了缝纫机电脑控制系统,实现了缝制动作的自动化,大大提高了工作效率,降低了能耗,深受市场欢迎,但其价格一直居高不下,国内一般企业很难承受。为此开发低能耗、高可靠性,能实现较宽的调速范围、精确快速的位置控制并且价格低廉的高速工业缝纫机控制系统,替代进口,将会具有很好的市场前景。

  系统设计

  系统设计完成的是整体电控缝纫机的总体技术方案,它是完成电控缝纫机设计的最关键的一个步骤,该电控系统主要包括控制器、驱动器、电机、编码器、传感器、电磁铁等几个部分,系统框图如图1所示。

  控制器

  图1的控制器作为工业缝纫机控制系统的核心,一方面产生伺服电机驱动信号,送给驱动器控制缝纫机完成定针位,并完成各种不同线迹的控制功能,另一方面产生开关信号给功率开关电路,完成缝纫机的剪线、拨线、前后加固、抬压脚等动作。控制器的动作需要电机编码器信号、机头同步信号、脚踏板加减信号、电机电流传感器信号等信号的参与运算,以协调整个机器完成相应动作。该控制器的硬件电路如图2所示。

  该控制器的主体核心采用TMS320F2406 DSP(U4)进行程序编程,以实现对永磁同步电机实行磁场定向控制。对永磁同步电机实行磁场定向控制的原理框图如图3。

  通过电流传感器测量逆变器输出的定子电流iA、iB,经过DSP的A/D转换器转换成数字量,并利用iC=-(iA+ iB)计算出iC。通过Clarde变换将电流iA、iB、iC变换成旋转坐标系中的直流分量isq、isd,isq、isd作为电流环的负反馈量。

  利用增量式编码器测量电动机的机械转角位移qm,并将其转换成电角度qe和转速n。电角度qe用于参与Park变换和逆变换的计算。转速n作为速度环的负反馈量。

  给定转速nref与转速反馈量n的偏差经过速度PI调节器,其输出作为用于转矩控制的电流q轴参考分量isqref。isqref和isdref(等于零)与电流反馈量isq、isd的偏差经过电流PI调节器,分别输出dq旋转坐标系的相电压分量Vsqref和Vsdref。Vsqref和Vsdref再通过park逆变换转换成a b直角坐标系的定子相电压矢量的分量Vsaref和Vsbref。

  当定子相电压矢量的分量Vsaref、Vsbref和其所在的扇区数已知时,就可以利用电压空间矢量SVPWM技术,产生PMW控制信号来控制逆变器。

    驱动器

  驱动器是系统的功率变换部分,是驱动电机运转的关键部分,该部份包括整流、逆变、前置驱动、SVPWM驱动输出、电流检测及多种保护功能。硬件电路如图4所示。

  电流环的运算需要DSP对电机相电流的检测 ,该系统设计只需要采集两相的电流(图3中iA,iB),根据电流定理就可以知道第三相的电流了。本系统所采用电流传感器为LEM(莱姆)公司的LTS6-NP,如图4中U2,U3,其为霍尔型电流传感器。

  图4中的IR2136(U1)是IR公司的高压IGBT驱动器,它接受来自DSP的6路PWM信号,处理后驱动图4中6只IGBT(Q1-Q6),产生SVPWM信号,控制永磁同步电机的运转,以达到理想的伺服控制性能。

   编码器

  永磁同步电机精确控制离不开编码器,DSP只有通过对编码器A、B信号及U、V、W信号的检测计算,才能完成电机仍至整个系统的精确控制。另一方面,我们只有自己设计并制作编码器,才可将价格降到最低限度。

  图5为编码器硬件图,U1(HEDS9701)采集A、B信号,PH-U、PH-V、PH-W三只光电开关检测产生U、V、W信号,它们与码盘一起装在电机内,检测电机转速、判断转子位置,并将采集信号送给DSP。DSP(TMS320F2406)内部带有正交编码模块,从编码器输出的正交信号输入DSP的PHASEA引脚和PHASEB引脚,内部的正交编码模块将信号进行四倍频,再由位置计数器计数从而可以确定转子的速度和位置。

  PHASEA和PHASEB的输入信号首先必须通过一个干扰信号滤波器,该滤波器可以数字延时,可以滤除毛刺,保证只有真正的信号才进行计数。同时对于只用单个信号的控制,均可配置为单个的脉冲计数。

  对于一个高速转轴编码器,转轴速度可以通过计算每单位时间内位置计数器的变化值来得到。对于电机低速时,由于输入PHASEA和PHASEB与通用定时器相连均可作为输入捕捉引脚,可以利用定时器测量正交相位之间的时间周期来得到高分辨率的速度测量。定时器模块利用一个16位的计数器,通过对总线时钟的分频来计数。对于一个1000齿的编码器来说,通过利用定时器测量速度可以精确测量到0.15转每分。

   机头同步定位器

  编码器是装在电机里,而机头同步定位器则是装在机头里,它们均属于传感器的范畴。

  微机控制缝纫机的一个重要指标是停机位置的准确度,这里包括上针位和下针位的停机,所以,缝纫机在这两个位置必须各给出一个信号,DSP才可以通过检测这两个信号来控制电机停止,这是机头同步定位器的主要作用。另外电机运转通过皮带与机头连接传动,皮带可能存在打滑现象,只有结合电机编码器信号与机头同步信号,才能准确判断系统状态,从而保证系统运转在最佳状态。

  上下针位信号的产生主要是依靠安装在机头上的两块极性相反的磁铁(跟着电机旋转),对两个相反安装的开关型霍尔传感器(固定)作用,即每块磁铁仅对应一个传感器起作用。当机头旋转到上针位或下针位位置上时,相应的开关霍尔传感器因为磁场到达其跳变的阈值,而产生输出跳变,也就是需要的开关信号,即机头同步信号。我们选用Allegro公司的U3144,应用方便,性能稳定。

  在整个系统设计中我们强调了可靠性设计,对系统中的敏感信号都加强了保护,以符合电磁兼容的要求。在程序设计中强调了指令的精简及信号的多次确认,以提高运算结果的快速性与准确性。在设计中还引入了多种保护措施,如过流、过压、过载、堵转等状态下,系统都将立即进入保护状态,以保证系统稳定可靠。

  结语

  目前该缝纫机控制系统已开发成功,并进行了小批量生产。从实际使用效果看,该控制技术实现了缝纫机针位控制的快速性与准确性,保证了高低速运行的平稳性,同时使缝纫机具备了自动剪线、自动拨线、自动前后加固的功能。基于DSP的磁场定向控制技术是运用于缝纫机电气控制系统的突破口,它的成功开发,其意义不仅在于可以在工业缝纫机电控系统中获得较高的性能,另外可将该技术演化到其他种类的缝制纺织设备中去,以实现针位控制的快速性与准确性。

 

    关于DSP

    DSP芯片是专门完成各种实时数字信息处理用的,它是建立在数字信号处理的各种理论和算法基础上的。DSP技术的发展经历了三个阶段,70年代-80年代-90年代。

    第一个DSP微处理器Intel2920出现在1976年,接着是1982年的AMD2811,NECμPD7720,德州仪器公司的TMS32010.2811和7720两者都有片上阵列乘法器,都有可编程ROM和相对小的数据和程序寻址空间。32010是第一个可全速从片外RAM执行指令的微处理器,且容纳的程序也比7720大一个数量级。第一阶段的DSP具有下列特点:指令流水,有效的寻址模式,有子程序调用和地址传递协议;使用Harvard结构,可同时取指令和数据;特殊的DSP相对寻址模式(如变址计算任意数的模式),对于FIR(Finite-Length Impulse Response)的滤波器自动循环队列或数据移动,对于FFT的比特反转;附加的寻址ALU;对于特殊应用的接口(如对于通信编码的串行接口)。DSP系统主要由分立元件组成,包括线性电路模拟前端、模拟数字转换器和外围界面电路、一大堆的组合电路、可编程的阵列逻辑(PAL)及可编程只读存储器(PROM)、存储器及个别处理器。当时的DSP技术在医疗电子、生物电子、应用地球物理等领域获得应用。

    进入80年代,随着数字信号处理技术应用范围的扩大,要求提高处理速度,到1988年出现了浮点DSP,执行浮点算术运算和乘/累加,如AT&T DSP32C,Motorola DSP96002,TI公司的TMS320C30等,同时提供了高级语言的编译器。这种DSP是一种专用的综合性微处理器,能够告诉输入和输出数据,专门处理以运算为主的信号处理应用系统。如电话PCM传输和程控交换中大量使用的语音处理,数据传输用的调制解调器,计算机的硬盘驱动器等。

    到了90年代,DSP技术发展十分惊人,以DSP作为主要元件,再加上外围设备和特定功能单元综合成的单一芯片,加速了DSP解决方案(DSP Solution-DSPS)的发展,同时产品的价格降低,运算速度和集成度获得提高,90年代DSP揭开了计算机、通信、消费类、汽车、军事等电子市场的新纪元,这些技术也反过来促进了数字信号处理器的发展和需求.

    现状和趋势

    当前的DSP多数基于RISC结构,且进入VLSI阶段,如TI公司的TMS320C80代表了DSP的新一代芯片集成技术,它将4个32位的DSP、1个32位的RISC主处理器、1个传输控制器、2个视频控制器和50KbSRAM集成在一个单片上。

    由于数字信号处理系统愈来愈先进,高科技含量愈来愈高,系统性能愈来愈强大,现在的DSP芯片制造商随DSP芯片提供系统的解决方案DSPS.DSPS=DSP+混合信号处理电路+系统软件+软件。DSPS可包括其它半导体器件,如逻辑电路、存储器及ASIC.系统技术包括设计工具、技术支持及产品信息。

    TMS320C6000系列的DSP是TI公司的高端DSP产品,它包揽了许多高性能的芯片,是具有先进的VLIW的高度并行类RISC结构的指令集。业界可以得到的最高性能的DSP芯片,该系列芯片的发展蓝图中有高至5000MIPS、3GFLOPS的处理性能。也是唯一的一种在定点和浮点芯片指令级兼容的DSP芯片系列,同时该系列芯片是面向C编译器而设计的,C语言的编译效率较高。TMS320C6000系列在后续章节中进行详细介绍。



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