ARM和DSP設計的竹節紗控制系統伺服控制器方案

摘要：根據紡織行業中竹節紗生產的工藝要求，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。該系統已成功應用在竹節紗生產線上，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，向傳統的8位／16位微控制器基。提出了挑戰。ARM微處理器及技術應用到了許多不同的領域，如工業控制領域、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，憑借其優點將來還會得到更加廣泛的應用。顯本文通過分析竹節紗裝置的工藝要求，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，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系統參數和工藝控制參數的設置，而且可以動態顯示控制系統當前的運行狀態；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采用高級諢!計算機語言進行編程，可以較容易實現所需的工業與生產控制要求。

?1 竹節紗生產的工藝要求

??? 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的紗線稱為竹節紗，其中所產生的粗節稱為竹節，兩粗節之間的紗線稱為基紗。如圖1所示，L1、L3為基紗節長，L2、L4 為竹節節長，D為基紗直徑，D1、D2 為竹節直徑。目前一般采用變牽伸倍數的方法生產竹節紗，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，?)表示某一節紗與基紗直徑的比，乘以伺服電動機所聯減速齒輪箱的速比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? 伺服系統的設計

??? 根據竹節紗生產工藝要求設計的伺服系統結構框圖如圖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。控制器接收系統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，輸出系統控制信號如竹節紗指示、伺服系統準備好、系統故障等信號；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。只要控制器能連續給驅動器發出脈沖，永磁電動機便能夠連續的運轉。控制器使用Modbus協議，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協處理器等，既可簡化系統設計，又能提高系統可靠性。圖3為采用該芯片設計的竹節紗伺服系統控制器。觸摸液晶屏選用四線5．7英寸模擬屏，EEPROM用于儲存現場設置的參數。

????在ARM中移植嵌入式操作系統Windows CE 5．0，Windows CE是微軟開發的專用于嵌入式領域：的一款可裁剪的32位實時嵌入式操作系統。和其他嵌入式操作系統相比，它具有可靠性好、實時性高、內核體積小及可伸縮性、強大的通信能力等特點，所以被廣泛用于各種嵌入式智能設備的開發，是當今應用最多、增長最快的嵌入式操作系統。

以串V1通訊為例來說明在此系統下對外設操作的流程。每次打開或關閉串口都要調用文件API對；串口設備進行訪問，文件API被操作系統轉發到FileSys．exe進程中，當FileSys．exe識別是對設備操作的信息，便會把執行交給設備管理器處理；設備管葷理器將根據具體的請求，調用串口驅動程序中的接口；最終，驅動程序負責與硬件的交互。?

????此處的USB接口既可以用來連接標準的鼠標，又可以接u盤。竹節紗生產的工藝參數可以通過此接口存儲在u盤中，也可以選擇存儲在ARM核外擴的EEPROM當中。系統的輸入信號如高速運行信號、低速運行信號和緊急停車信號通過I／O口輸入給控制器，此外伺服指示信號、故障信號等輸出信號也是通過I／0口輸出。

2．2基于DSP的驅動器

??? 永磁同步伺服驅動系統的硬件結構如圖4所示。本方案永磁同步電動機的額定功率為2 kW，額定轉速為2 000 r／min，額定電壓200V。編碼器兩路正交信號的分辨率為每轉2500個脈沖，另外還三路對稱的U、V、W信號，用于點擊起動和決定磁極的初始位置。三相變頻器中整流和逆變部分采用功率模塊，電流采樣采用變比為1：1 000的霍爾元件實現對主回路的電流信號的采樣，DSP芯片采用TI公司的TMS320F2812。

??? TMS320F2812的事件管理器模塊中，利用3個比較單元的任何一個與通用定時器1(事件管理器A)或通用定時器3(事件管理器B)、比較單元、死區單元和輸出邏輯結合使用就能產生一對死區和極性可編程的PWM信號，通過相應的六路輸出引腳輸出。圖5為DSP伺服軟件框圖，軟件主要包括三部分，第一部分DSP根據外部輸入的運行信號和觸摸屏上輸入的速度位置命令，與電機反饋的位置和速度信號進行PI調節，給出轉矩命令，勵磁分量一般給定為零。第二部分根據采樣得到的相電流i 、i 和位置信號0 進行坐標變換。軟件的第三部分是利用空間矢量PWM(SVPWM)算法，求得三相逆變器開關信號的占空比即導通時間，送入DSP

的比較寄存器，輸出6路開關信號PWM1～PWM6。

3 實驗

??? 將該裝置安裝在改造后的環錠細紗機上，現場使用表明系統穩定可靠，達到了預定系統設計要求。圖6是紡制不同紗型時前羅拉編碼器和伺服電動機速度反饋波形，圖6a是紡正常紗的波形，前羅拉編碼器每圈1024線，測得的脈沖周期為360μs，因此其轉速為163r／min，驅動中、后羅拉的伺服電動機編碼器反饋的脈沖數經分頻后為每圈400個，測得的脈沖周期為1 ms，其轉速為150 r／min，兩者保持恒定的速比。圖6b是紡竹節紗的波形，基紗對應的伺服電動機轉速為150r／min，速度反饋的波形周期應為1 ms，竹節紗對應的轉速為375 r／rain，速度反饋的波形周期應為400μs。為清晰起見，圖6b只捕獲了伺服電動機轉速由375 r／min向150r／min降速的一個片段，640μs對應的轉速為234r／min，840s對應的轉速為179r／min。