基于ARM和DSP的永磁伺服系統設計與實現

  由蕤，姜淑忠，宋杰

(上海交通大學電氣工程系，上海200030)

摘要：在分析紡織行業竹節紗裝置工藝要求的基礎上，設計了永磁伺服系統�？刂破鞑捎�

ARM和觸摸液晶屏；驅動器選用DSP，同時實現電機的磁場定向控制和其他功能。分析了系統的工作過程。系統已成功應用在竹節紗裝置上，具有較高的性價比和推廣價值。

關鍵詞：永磁同步電動機；伺服系統；竹節紗；設計；應用

1伺服系統結構  

  永磁同步電機伺服系統由控制器、驅動器、永磁同步電機、傳感器構成。按控制器、驅動器的復雜程度及二者之間的功能分配，控制系統分為單軸系統、多軸系統和獨立控制系統。對單軸系統，控制單元的一個通道只控制一臺驅動器；對多軸系統，控制單元的一個通道控制多臺驅動器；對獨立控制系統，各種工藝軟件集成在驅動器中，控制器的作用被弱化，只起命令輸入、過程監控等作用，有時這些功能也被移植到驅動器中。獨立控制系統在實時性強、輸入輸出點數少的系統中獲得大量應用^[1-3]；與其他兩種結構相比，硬件上可省略控制卡和PLC，降低了系統硬件成本，軟件上可將工藝軟件與控制軟件集成在一起，有利于保護知識產權，延長產品的生命周期。本文通過分析竹節紗裝置的工藝要求，設計了獨立控制結耕的伺服系統。

2  竹節紗裝置工藝要求

    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l所示，L₂、L₄為基紗節長，L₁、L₃為竹節節長，D為基紗直徑，D₁、D₃為竹節直徑。竹節紗按竹節的分布情況可分為無規律竹節紗和有規律竹節紗。目前都采用變牽伸倍數的方法生產竹節紗，將普通環錠細紗機或轉杯紡紗視上前、中、后三根羅拉的傳動鏈斷開，用伺服電機單獨驅動中、后羅拉，改變中、后羅拉與前羅拉的速比就能改變紗線的牽伸倍數即紗線的粗細，控制伺服電機轉過的角度即可控制節紗的長度。

由于前羅拉的速度因工藝要求發生變化，為保持給定的速比，中、后羅拉的速度必須跟隨前羅拉的變化。將每圈脈沖數為N_f的正交編碼器與前羅拉聯結，測速周期T秒內計數器讀得的編碼器脈沖數為nf(計數器工作于4倍頻方式)，則前羅拉的轉速(單位：r／min)為：

式中，c為牽伸倍數；q為牽伸效率；e為中、后羅拉與前羅拉的速比。

    當中、后羅拉以此速度運行時，所紡紗的直徑即為基紗的直徑。通常用中、后羅拉的轉速與基本轉速的百分比a_j(j：1，2，…，)表示某一節紗與基紗直徑的比，乘以伺服電機所聯減速齒輪箱的速比i可得伺服電機的速度為：

    設前羅拉直徑為d_f(單位：mm)，則前羅拉的周長為π_d。為獲得長度為Lf(j=l，2，…，)的節紗，前羅拉應旋轉L_j／π_ddf西轉。由式(1)和(4)知，伺服電機與前羅拉的轉速比為15ajei/cq，因此伺服電機應旋轉15_ajei/πcqdf轉。若伺服電機正交編碼器每圈脈沖數為Nm，DSIP中的計數單元工作于4倍頻方式，則伺服電機應轉過的脈沖數為：

    考慮機器、原料、環境等方面的影響，為了減小誤差，需對式(5)的結果進行修正，即對基紗段應乘以細節系數k₁，對竹節段應乘以粗節系數k₂。以粗節系數為例，其含義是假如粗節輸入的長度值和紡出來粗節長度相等，則粗節系數為l，如果兩個值不相等，則粗節系數為輸入值與實際值的比值。

    從式(4)和式(5)可知，伺服電機以速度vm旋轉nm個脈沖后就能得到給定長度和粗細的節紗。對給定的機器，伺服電機的速度僅與紗的粗細和前羅拉的快慢有關，脈沖數則取決于紗的粗細和長度。

3伺服系統設計

    竹節紗伺服系統如圖2所示�？刂破饔葾RM和觸摸液晶屏組成，完成鍵盤定義、系統參數(如c、g、e、i、d等)及工藝參數(如aj、Lf等)輸入、