0  引言

      眾為興公司利用大容量，高速度的運動控制器實現了對花樣機控制。本文介紹了以ADT-TP3840為核心控制器的花樣機控制系統(tǒng)及其實現方案。它相對于普通的花樣機控制系統(tǒng)來說，具有很多優(yōu)點，例如，其存儲容量大，與外界交流信息能力強等等。 

      隨著社會經濟、政治、文化、科學的發(fā)展，人類對服飾衣著的要求也越來越高，從而極大的推動了服裝機械的發(fā)展，尤其在20世紀中期以來，新產品、新技術、新工藝、新材料不斷地應用到服裝生產中。目前，服裝生產從裁剪、粘合、縫紉、整燙、包裝、工序間運輸都已有了全套的機械設備。縫紉工序中不但有通用機，還有各種專用機完成通用機難以保證質量的操作，如绱褲腰、绱衣領、绱袖、绱袖口、打褶、開袋、釘扣、縫褲帶袢、縫牛仔褲褲棟縫等，大大提高了生產效率和產品質量。據有關資料介紹，目前世界上不同型號、不同用途的縫紉機已多達4000余種。

      花樣機因為可以滿足人們對于各種花式的需要而受到廣泛的青睞。

      國內市場的智能電子花樣機基本依賴進口，且價格昂貴。標準股份自主研制的精密機械、光電等技術較為成熟，但缺乏花樣機電腦控制核心技術，特別是嵌入式軟件系統(tǒng)。基于國內的情況，眾為興公司在花樣機控制上有自己的建樹。

1  實現方案

      由前述可知，這里的花樣機控制系統(tǒng)尚處于蘊醞釀之中，它有幾套實現方案。花樣機系統(tǒng)就其硬件基本實現方案有：1.單片機集成電路實現方案，2.控制器實現方案。

1.1  方案一

      這兩種實現方案中，單片機實現方案在外國有很多先例：如德國杜克普公司的產品；日本兄弟公司生產的311型、日本重機的AMS-210E型、三菱公司的PLK型；中國通宇公司也仿制出了其特色的花樣機控制系統(tǒng)。眾為興公司為了在上述基礎上有所進步，有用于研究及實驗的花樣機控制系統(tǒng)。它產于日本，屬于日本兄弟公司的311型產品。其實物圖如圖3.1.1.1所示：

圖3.1.1.1  花樣機控制系統(tǒng)實物圖

1—右視圖，見右下角  2—操作盤，見左上角  3—控制箱，見左下角

      這一系列產品其特點：它的控制電路由三塊單片機集成電路板A，B，C組成。其中一塊單片機集成電路板A用于控制U軸的伺服馬達和控制X，Y，V軸的步進馬達，還有一塊單片機集成電路板B用做電源供應給A，C板的一些元器件。含有CPU的主控制集成電路板C板可以輸送控制指令給A板，作為整個系統(tǒng)的“大腦”從總體上控制整個系統(tǒng)。集成電路板B還負責向各其他非控制板部分提供電源。這些集成電路板都被按放在一個控制箱（如上圖所示）里面，與工作臺上的操作盤相連。用戶通過操作盤來設定參數來控制整個系統(tǒng)的運行。其中，A，B，C板實物圖如圖3.1.1.2所示。

圖3.1.1.2  A，B，C板實物圖

1—C板  2—A板  3—B板

這種方案的原理圖如圖3.1.1.3所示。

圖3.1.1.3  1號方案的原理圖

1.2  方案二 

      控制器實現方案在國內尚且沒有首例，眾為興數控正在研發(fā)這種新式的花樣機控制系統(tǒng)。此種系統(tǒng)的特點：利用控制器控制步進和伺服驅動器，從而間接控制步進和伺服馬達的轉速、方向即X，Y，U，V軸的精確轉動以達到對花樣機運行的控制。這種控制系統(tǒng)一般采用ucos-Ⅱ操作系統(tǒng)，而且支持外界PC機花樣圖形輸入，支持USB接口。

這種方案的原理圖如圖3.1.2.1所示。

圖3.1.2.1  2方案的原理圖

1.3  方案比較 

      由上述文章可知道，兩種方案各有優(yōu)劣。其中，1號方案中的日本系列產品是日本于世紀初剛剛推出的產品，具有技術成熟，無需伺服/步進驅動器控制，控制電路部分集成度高，成本較低，整體外形系統(tǒng)化較為美觀等優(yōu)點。

      利用四軸運動控制器實現的方案有四大優(yōu)點，快、大、強、實時性。所謂快是指它支持的圖形格式多，算法速度較快。所謂大，當然是指其存儲容量大，可以處理大容量的文件，相對來說，一般要比前種實現方案存儲的容量大。所謂強，是指其通訊力強，它支持USB接口，與現有通用設備兼容性較好，比單片機實現方案中的淺口要快，兼容性更好，這樣它可以支持外界圖形的輸入，易于與外界交換信息。實時性，顧名思義，它可以在操作界面及時編寫花樣圖形并且實現此種花樣的縫制。 

      眾為興公司為了推動技術革新，為了填補此項技術的空白，為了實現其仁和進取，技術創(chuàng)新的方針，采用第2號方案，擬使用TP3840四軸運動控制器來實現此花樣機控制系統(tǒng)，并且正在努力研發(fā)之中。

1.2  系統(tǒng)構成

 圖3.2.1  系統(tǒng)控制原理圖

整個控制系統(tǒng)的控制原理圖見上圖3.2.1。

（1）TP3840是眾為興的最新產品，它是分辨率為640*480 ，65536色真彩， 10.4寸液晶+按鍵屏，是一款超大規(guī)模顯示屏，實物圖見圖3.2.2。大屏幕，大分辨率，真彩顯示便于用戶識別與修改參數。

（2）該四軸運動控制器內部工控主板中集成有主頻率200HZ ARM主芯片，內核為ARM920T。

（3）伺服和步進驅動器在系統(tǒng)中均有應用，伺服系統(tǒng)主要用于主軸的運動控制而步進系統(tǒng)主要用于其他三軸包括X，Y平面方向和抬壓腳方向的驅動。

      此控制系統(tǒng)硬件部分主要由三大部分即TP3840、伺服驅動器、步進元件器，伺服電機步進電機組成。下面我們將一一闡述這幾部分。

      ADT-TP3840是一臺高性能的現場8軸步進/伺服觸摸屏運動控制器。它內含64路光耦輸入，8軸編碼器AB相脈沖輸入，2路模擬輸入，32路光耦輸出，8路脈沖/方向信號輸出，2路模擬輸出,標準TCP/IP協(xié)議的網絡接口, RS232通訊模塊，USB功能，采用10.4寸超大彩色液晶顯示屏，640*480點陣。

      控制器內部由核心板，電源板，輸入/輸出板構成，核心板是此運動控制器件的核心部分，它負責驅動器的控制信號的輸入和腳踏控制器信號的輸入與處理，圖3.2.2為它的硬件平臺。電源板板是提供核心板的電源，以及核心板與外界信息的交流與處理等等的一個平臺。電源板負責對整個控制器進行供電即負責將控制器電源24VDC轉化為適合于主板運行的5V左右的電源。

圖3.2.2   工控主板的硬件平臺

      由上述可以知道，工控主板是整個控制器的核心板，它的內部結構決定了其性能，從而決定了整個系統(tǒng)的性能。其硬件構成如上表，有SDRAM，NAND FLASH，主ARM芯片，兩片FPGA芯片。

（1）ARM9系列處理器是英國ARM公司設計的主流嵌入式處理器，主要包括ARM9TDMI和ARM920T等系列。這里的ARM920采用的就是ARM9TDMI的內核。
      新一代的ARM9處理器，通過全新的設計，采用了更多的晶體管，能夠達到兩倍以上于ARM7處理器的處理能力。這種處理能力的提高是通過增加時鐘頻率和減少指令執(zhí)行周期實現的。時鐘頻率的提高：ARM7處理器采用3級流水線，而ARM9采用5級流水線。增加的流水線設計提高了時鐘頻率和并行處理能力。5級流水線能夠將每一個指令處理分配到5個時鐘周期內，在每一個時鐘周期內同時有5個指令在執(zhí)行。在同樣的加工工藝下，ARM9TDMI處理器的時鐘頻率是ARM7TDMI的1.8～2.2倍。指令周期的改進：指令周期的改進對于處理器性能的提高有很大的幫助。性能提高的幅度依賴于代碼執(zhí)行時指令的重疊，這實際上是程序本身的問題。對于采用最高級的語言，一般來說，性能的提高在30％左右。
  （2）這里集成了64M的SDRAM，主要用于程序的運行，因為系統(tǒng)運行會產生大量的堆棧，局部變量，全局變量等等。

（3）NAND FLASH，集成了64M的NAND FLASH，主要用于數據的存儲，可以作為U盤使用。

（4）FPGA作為系統(tǒng)的協(xié)處理器和主CPU—ARM芯片一起共同完成輸入信號的處理，轉化與控制的最后實現。FPGA中集成了很多模塊可以處理主CPU的指令。兩者可以通過內部總線進行通信如：UART總線。

FPGA與ARM的完美結合，最終實現了控制器的功能。

      控制器TP3840主要應用于多軸焊接機，噴涂機，點膠機，等機械控制系統(tǒng)中。

圖3.2.1  TP3840實物圖（后視圖與前視圖）

      從伺服的角度看，此系統(tǒng)也是交流伺服控制系統(tǒng)，它由伺服驅動器、伺服馬達，控制器組成。原理即是利用四軸運動控制器TP3840輸出指令給伺服驅動器，再由伺服驅動器控制伺服馬達以驅動縫紉機上軸轉動，從而帶動縫紉機上針的運轉。

      眾為興使用的伺服驅動器為QS5AA020M，這是由眾為興自主研制的伺服驅動器，該系統(tǒng)采用智能化的空間失量控制算法，冗余型的力矩設計，自適應的PID位置控制算法，新一代的智能功率模塊，使得性能優(yōu)于傳統(tǒng)的SPWM型的伺服控制方式，力矩更大，噪音更小，動態(tài)升速能力更強。QS5具有集成度高，體積小，響應速度快，保護完善，可靠性高等一系列優(yōu)點。適用于高精度的數控機床，自動化生產線，電子精密設備，機械制造業(yè)等工業(yè)控制自動化領域。

其實物圖如圖3.2.4所示。

圖3.2.4  QS5驅動器實物圖

1—主回路電源輸入端子  2—電機連接端子  3—再生單元連接端子  4—控制電源輸入端子  5—接地端子  6—面板顯示器   7—面板按鍵  8—電腦通訊用接頭  9—輸入、輸出信號用接頭  10—編碼器用接頭

      這種伺服控制器內部主要是由電源集成板部分，電流和速度環(huán)芯片，位置環(huán)芯片，和包括功率集成IGBT器件在內的集成IPM（intelligent power module）模塊構成。

      功率IGBT驅動電路：IGBT作為一種優(yōu)秀的功率器件，融合了雙極晶體管和MOS晶體管的優(yōu)點，如開關速度高，正向飽和壓降小等特性，其等效電路和驅動電路如圖3.2.6和圖3.2.7所示。IGBT的缺點是短路容量小，可靠性較差，這就要求有過流保護。

圖3.2.6　IGBT驅動器

圖3.2.7  IGBT驅動電路

      IPM有6管三相全橋封裝和七合一封裝（三相全橋加1個泄放管）。IPM內部（單管）原理如圖3.2.8所示。其內部集成有驅動電路和各種保護電路，它用于防止因系統(tǒng)相互干擾或者過載等造成功率芯片的損壞。它所采用的故障檢測方式和關斷方式，可以使功率芯片的容量得到最大限度的利用而不會損壞其可靠性。只要有一個保護電路起作用，IGBT的門極驅動電路就會關斷，同時產生一個故障輸出信號。目前，第三代IPM采用高速型IGBT，與早期的IGBT相比，其飽和電壓和開關特性都有很大改善。故障保護電路是當發(fā)生任何故障時封鎖驅動信號與主控元件IGBT。與IGBT配合使用的FWD具有快速而軟的反向恢復特性，它可以較好地控制電磁干擾噪聲。

圖3.2.8  IPM的原理圖

這里選用的伺服馬達為眾為興的ACH系列伺服電機。

步進驅動器用的是Q2-BYG403M步進驅動器，它的特點：

1  可驅動兩相四、六、八出線混合式步進電機

2 雙極恒流斬波方式，斬波頻率20KHZ

3 光電隔離信號輸入，輸入信號與TLL兼容

4 電流方便可調，細分精度可任意選擇

5 運行平穩(wěn)，高加速特性，高速大力矩輸出

6 過壓、過流、過溫保護

開環(huán)控制下，步進電動機的性能常常受到限制。

      位置反饋和（或）速度反饋來確定與轉子位置相適應的正確相位轉換，可以大大改進步進電動機的性能。采用閉環(huán)控制，不僅可以獲得更加精確的位置控制和高得多、平穩(wěn)得多的轉速，而且可以在步進電動機的許多其它領域內獲得更大的通用性。

      絕大多數步進電動機閉環(huán)控制系統(tǒng)都是使用脈沖負反饋來響應電動機的位移。圖3.2.11的方框圖說明了這種步進電動機閉環(huán)控制線路的各個環(huán)節(jié)。在這種情況下，編碼器可以是一種光電裝置，也可以是一種磁感應裝置，它們能夠對電動機運動的每一步給出一個或多個脈沖。電動機開始由輸入指令的一個脈沖起動，后續(xù)的脈沖則是由編碼器裝置產生的。因此，圖3.2.11的閉環(huán)系統(tǒng)不同于通?？刂葡到y(tǒng)技術中閉環(huán)系統(tǒng)的運行原理，步進電動機系統(tǒng)中的閉環(huán)不產生穩(wěn)定性問題。事實上，系統(tǒng)的穩(wěn)定性還得到改善。

圖3.2.11　步進電動機典型的閉環(huán)控制方框圖

      這里使用的閉環(huán)控制系統(tǒng)是利用脈沖負反饋來響應電動機的位移，即第三種原理圖所反映的閉環(huán)控制方式。

      此處的步進馬達使用的是56BYGH620，其技術參數如表3.2—d所示。 

表3.2—d   56BYGH620技術參數

1.3  核心技術與軟件實現

      上圖為整個系統(tǒng)的技術構成圖。此控制系統(tǒng)的核心技術主要有以下幾個方面：驅動器對馬達的加減速控制，插補的性能，多軸驅動。

電機轉速時間紀錄如圖3.3.1所示。

圖3.3.1  電機轉速時間紀錄圖

步進驅動器對于步進馬達加減速的控制原理：

      步進系統(tǒng)在運行過程中，速度可認為是恒定的．但在一般情況下，系統(tǒng)的極限起動頻率是比較低的，而要求的運行速度往往較高．如果系統(tǒng)以要求的速度直接起動，因為該速度已超過極限起動頻率而不能正常起動，可能發(fā)生丟步或根本不運行的情況．系統(tǒng)運行起來之后，如果到達綹時立即停發(fā)脈沖串，令其立即停止，則因為系統(tǒng)的慣性原因，會發(fā)生沖過綹的現象，使點位控制發(fā)生偏差．因此，在點位控制過程中，運行速度都需有一個加速—恒速—減速—低恒速—停止的過程，如圖3.3.2所示。

圖3.3.2   點-位控制的加減速過程

      對于非常短的距離，如在數步范圍內，電動機的加減速過程沒有實際意義，只要按起動頻率運行即可。在稍長距離時，電動機可能性只有加減速過程而沒有恒速過程。對于中等或較長的運行距離，電動機加速后必須有一個恒速過程。各種系統(tǒng)在工作過程中，都要求加減速過程時間盡量短，而恒速的時間盡量長。特別是在要求快速響應的工作中，從起點至終點運行的時間要求最短，這就必須要求升速減速的過程最短而而恒速時的速度最高。

      升速時的起始速度應等于或略小于系統(tǒng)的極限起動頻率（速度），而不是從零開始。減速過程結束時的速度一般應等于或略低于起動速度，再經數步低速運行后停止。

伺服系統(tǒng)的加減速和步進系統(tǒng)在原理上是一樣的。

TP3840控制器可以進行4軸的直線插補和軸圓弧插補。

      在插補驅動過程中，插補運算是在指定X軸的基本脈沖時序下運行的，因此進行插補命令之前，先要設定指定X軸的初始速度、驅動速度等參數。（Z-W插補時是以Z軸速度為基準）

      在連續(xù)插補時為了實現加/減速驅動，可以使用減速有效命令和減速無效命令。在插補驅動時，減速有效命令是使自動減速或手動減速變?yōu)橛行В瑴p速無效命令是使其變?yōu)闊o效。用加/減速單獨運行插補驅動時，驅動開始之前一定要設定成減速有效狀態(tài)，否則在驅動中即使寫入減速有效命令也不能使其變?yōu)闇p速有效。

      CW圓弧插補從當前坐標至終點坐標以順時針方向繞中心坐標畫圓弧，CCW圓弧插補以逆時針方向繞中心坐標畫圓弧，如果終點設為（0，0）能畫整個圓。

      至于圓弧插補的算法如下圖所示由X軸和Y軸定義一個平面，繞中心坐標把它分為0—7的8個象限，如圖所示在0象限的插補坐標（X，Y）上，Y絕對值一直比X的絕對值小，絕對值小的軸為短軸。1、2、 5、6象限是X軸，0、3、4、7象限是Y軸，短軸在這些象限之間一直輸出驅動脈沖，長軸根據圓弧插補運算結果，有時輸出脈沖，有時不輸出脈沖。

下面是輸出一個整圓的例子，以及輸出脈沖的示例：

      對于圓弧插補，在插補驅動開始前，把當前坐標設為（0，0），根據中心坐標的數值決定半徑畫圓。圓弧算法的誤差在插補驅動范圍內有1個脈沖，因此，指定的終點可能不在圓的軌跡上。圓弧插補進入終點所在的象限時，只要結束點值與終點的短軸數值一致圓弧插補就結束。

      伺服控制可以利用PID實現，它是目前用途最廣泛的控制方法之一，一般依靠經驗法來實現。

      多軸聯動，此系統(tǒng)是支持多軸驅動的系統(tǒng)，包括X、Y、U、W。其中X、Y是被控制的送料裝置運動平面X、Y軸。U軸代表上軸，它的運動帶動縫針做上下運動，W軸代表控制的是大壓腳的自動抬壓。TP3840運動控制器控制X、Y、U、W，以實現對花樣機各部分的協(xié)調，完成花樣機的一次的縫紉任務。其實物圖如圖3.3.3所示。

圖3.3.3  X，Y，U，W馬達實物圖 

1.4  功能與實現

      由前述花要機控制系統(tǒng)支持三大自動控制功能，自動抬壓腳，自動松線，自動剪線，根據平縫機控制系統(tǒng)的詳細論述我們也可以依葫蘆畫瓢推測其運行之一二。

      其自動抬壓腳功能的實現不再依靠電磁鐵，而是依靠步進電機的轉動帶動大壓腳，與壓腳的聯動與協(xié)調運動，完成縫紉的任務。

      其信號輸入依然依靠腳踏板的幾個檔位來實現，不一樣的是它的腳踏板還有啟動各驅動器、控制器電源的功能。

      自動松線原理：控制面板設置為自動松線狀態(tài)時，當傳感器發(fā)出針線處于高位的信息，控制器便給松線電磁鐵一個脈沖，導至松線電磁鐵吸合。從而帶動松線機械，實現松線。其實物圖如圖3.4.1所示。

圖3.4.1  松線電磁鐵實物圖

1—松線電磁鐵  2—電源接口

      自動抬壓腳原理：控制面板設置為自動抬壓腳時，當控制抬壓腳的步進電機旋轉時，通過一個機械裝置自動帶動大壓腳及間歇壓腳的抬升與壓下，他們的抬壓是有規(guī)律的，協(xié)調的。其機械裝置與實物圖如圖3.4.2所示。

機械裝置

1—聯動機械裝置  2—控制抬壓腳的步進電機

實物圖

3—間歇壓腳  4—大壓腳

圖3.4.2  機械裝置與實物圖

      自動剪線原理：控制面板設置為自動剪線，當傳感器發(fā)送針線處于高位時，可以執(zhí)行自動剪線。此時，控制器給剪線電磁鐵自動吸合，帶動自動剪線機械裝置自動剪線。其實物圖如圖3.4.3所示。

圖3.4.3  機械聯動裝置及剪線電磁鐵實物圖

1—自動剪線機械裝置  2—剪線電磁鐵

1.5  結論

      利用控制器TP—3840實現花樣機的控制是眾為興公司正在實施的一種方案。與以往的單片機+控制面板的實現方案相比，它具有通信方便，可以與PC機進行通信，體積小，性能優(yōu)良等特點。TP—3840具有觸摸屏大和高分辨率，真彩等優(yōu)點，適合于花樣機這種多軸高精度控制系統(tǒng)。但是控制系統(tǒng)的一些細節(jié)問題像軟件實現，驅動器與電機的搭配，穩(wěn)定性等問題還有待解決，可以預見，這樣的系統(tǒng)將大大的提高花樣機的效率，比原有系統(tǒng)更加美觀，性能更好，更加方便用戶的使用，將會有更大的市場。