ARM和DSP設計的竹節(jié)紗控制系統(tǒng)伺服控制器方案

摘要：根據紡織行業(yè)中竹節(jié)紗生產的工藝要求，設計了基于ARM和DSP的雙CPU永磁同步電動機伺服控制器。利用ARM和觸摸液晶屏完成工藝參數的輸入與生產過程信息的顯示，支持圖形化人機界面和觸摸操作；利用DSP完成永磁同步電動機的磁場定向控制算法。該系統(tǒng)已成功應用在竹節(jié)紗生產線上，具有很高的性價比和推廣價值。

引 言

ARM微處理器具有體積小、低功耗、低成本、高性能的特點，基于ARM核的微控制器芯片不但占據了高端微控制器市場的大部分市場份額，同時也逐漸向低端微控制器應用領域擴展，ARM微控制器的低功耗、高性價比，向傳統(tǒng)的8位／16位微控制器基。提出了挑戰(zhàn)。ARM微處理器及技術應用到了許多不同的領域，如工業(yè)控制領域、無線電通訊領域、網譬絡應用、消費類電子產品以及數字成象與安全產品當中，憑借其優(yōu)點將來還會得到更加廣泛的應用。顯本文通過分析竹節(jié)紗裝置的工藝要求，設計了具有竹獨立控制結構的永磁同步電機伺服控制系統(tǒng)，由ARM和觸摸屏構成控制器，并在ARM核中移植嵌入式操作系統(tǒng)Windows CE，使其具有圖形化的人機丕界面操作功能，支持觸摸操作，可以方便快捷地進行j系統(tǒng)參數和工藝控制參數的設置，而且可以動態(tài)顯示控制系統(tǒng)當前的運行狀態(tài)；以DSP為核心的驅動i器完成永磁同步電動機的控制整個系統(tǒng)采用高級諢!計算機語言進行編程，可以較容易實現(xiàn)所需的工業(yè)與生產控制要求。

1 竹節(jié)紗生產的工藝要求

在紡紗過程中通過改變瞬時牽伸倍數或增加附加纖維，使在紗線長度方向上產生符合一定要求的粗節(jié)的紗線稱為竹節(jié)紗，其中所產生的粗節(jié)稱為竹節(jié)，兩粗節(jié)之間的紗線稱為基紗。如圖1所示，L1、L3為基紗節(jié)長，L2、L4 為竹節(jié)節(jié)長，D為基紗直徑，D1、D2 為竹節(jié)直徑。目前一般采用變牽伸倍數的方法生產竹節(jié)紗，用伺服電動機單獨驅動中、后羅拉，改變中、后羅拉與前羅拉的轉速比就能改變紗線的牽伸倍數即紗線的粗細，控制伺服電動機轉過的角度即可控制紗線的長度。

由于前羅拉的速度因工藝需求及外部原因發(fā)生變化，為保持給定的轉速比，中、后羅拉的速度必須跟隨前羅拉的變化。將每圈脈沖數為Ⅳf的正交編碼器與前羅拉聯(lián)結，測速周期 秒內計數器讀得的編碼器脈沖數為rb (計數器工作于4倍頻方式)，則前羅拉的轉速為：

中、后羅拉的基本轉速為：

式中：c為牽伸倍數；η為牽伸效率；e為中、后羅拉與前羅拉的轉速比，當中、后羅拉以此速度運行時，所紡紗的直徑便為基紗直徑。通常用中、后羅拉的轉速與基本轉速的百分比口，aj(j=1，2，)表示某一節(jié)紗與基紗直徑的比，乘以伺服電動機所聯(lián)減速齒輪箱的速比i可得伺服電動機的速度：

將式(1)、式(2)代入式(3)得到伺服電動機速度：

設前羅拉直徑為d ，則前羅拉的周長為πd，為獲得長度為，Lj(j=1，2，)的節(jié)紗，前羅拉應旋轉。由式(1)和式(4)可知，伺服電動機與前羅拉的轉速比為 ，因此伺服電動機應旋轉。若伺服電動機正交編碼器每圈脈沖數為N ，DSP中的計數單元工作于4倍頻方式，則伺服電動機轉過相應轉數計數得的脈沖數為：

2 伺服系統(tǒng)的設計

根據竹節(jié)紗生產工藝要求設計的伺服系統(tǒng)結構框圖如圖2所示。控制器主要由ARM和觸摸液晶屏組成，并輔以其它外圍電路。以ARM為核心的控制器需要完成系統(tǒng)參數及工藝參數的輸入、工藝過程顯示、密碼設置、報警等功能?？刂破鹘邮障到y(tǒng)的輸入量如機器的高速運行信號、低速運行信號、緊急停車信號，輸出系統(tǒng)控制信號如竹節(jié)紗指示、伺服系統(tǒng)準備好、系統(tǒng)故障等信號；為測量前羅拉的轉速，前羅拉編碼器的A、 正交信號也輸入到控制器當中，控制器根據相關參數實時計算出應發(fā)給驅動器的脈沖的周期與個數，驅動器根據脈沖周期與個數控制永磁同步伺服電機的速度和轉過的角度，以此帶動中、后羅拉運轉。只要控制器能連續(xù)給驅動器發(fā)出脈沖，永磁電動機便能夠連續(xù)的運轉。控制器使用Modbus協(xié)議，與驅動器中的DSP進行串行通訊，接收DSP送來的運行參數，如電機的實際轉速、電流等。

2．1基于ARM的控制器

控制器選用三星公司的S3C2440作為控制芯片，其內核為ARM公司的ARM920T處理器核，屬于32位微控制器。片內集成了豐富的功能模塊，如USB接口、LCD控制器、ADC和DAC、DSP協(xié)處理器等，既可簡化系統(tǒng)設計，又能提高系統(tǒng)可靠性。圖3為采用該芯片設計的竹節(jié)紗伺服系統(tǒng)控制器。觸摸液晶屏選用四線5．7英寸模擬屏，EEPROM用于儲存現(xiàn)場設置的參數。