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及其實現方案。它相對于普通的花樣機控制系統來說，具有很多優點，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?；趪鴥鹊那闆r，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尚處于蘊醞釀之中，它有幾套實現方案?；訖C系統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。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。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，作為整個系統的“大腦”從總體上控制整個系統。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這種新式的花樣機控制系統。此種系統的特點：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。這種控制系統一般采用ucos-Ⅱ操作系統，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，整體外形系統化較為美觀等優點。

      利用四軸運動控制器實現的方案有四大優點，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，并且正在努力研發之中。

1.2  系統構成

 圖3.2.1  系統控制原理圖

整個控制系統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中均有應用，伺服系統主要用于主軸的運動控制而步進系統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作為系統的協處理器和主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，此系統也是交流伺服控制系統，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，使得性能優于傳統的SPWM型的伺服控制方式，力矩更大，噪音更小，動態升速能力更強。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，機械制造業等工業控制自動化領域。

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，電流和速度環芯片，位置環芯片，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作為一種優秀的功率器件，融合了雙極晶體管和MOS晶體管的優點，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，高加速特性，高速大力矩輸出

6 過壓、過流、過溫保護

開環控制下，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。采用閉環控制，不僅可以獲得更加精確的位置控制和高得多、平穩得多的轉速，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控制系統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控制線路的各個環節。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，后續的脈沖則是由編碼器裝置產生的。因此，圖3.2.11的閉環系統不同于通?？刂葡到y技術中閉環系統的運行原理，步進電動機系統中的閉環不產生穩定性問題。事實上，系統的穩定性還得到改善。

圖3.2.11　步進電動機典型的閉環控制方框圖

      這里使用的閉環控制系統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

      上圖為整個系統的技術構成圖。此控制系統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：

      步進系統在運行過程中，速度可認為是恒定的．但在一般情況下，系統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，可能發生丟步或根本不運行的情況．系統運行起來之后，如果到達綹時立即停發脈沖串，令其立即停止，則因為系統的慣性原因，會發生沖過綹的現象，使點位控制發生偏差．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。

伺服系統的加減速和步進系統在原理上是一樣的。

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為有效，減速無效命令是使其變為無效。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，否則在驅動中即使寫入減速有效命令也不能使其變為減速有效。

      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，此系統是支持多軸驅動的系統，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時，當傳感器發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，他們的抬壓是有規律的，協調的。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，當傳感器發送針線處于高位時，可以執行自動剪線。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，性能優良等特點。TP—3840具有觸摸屏大和高分辨率，真彩等優點，適合于花樣機這種多軸高精度控制系統。但是控制系統的一些細節問題像軟件實現，驅動器與電機的搭配，穩定性等問題還有待解決，可以預見，這樣的系統將大大的提高花樣機的效率，比原有系統更加美觀，性能更好，更加方便用戶的使用，將會有更大的市場。