摘要：根據紡織行業中竹節紗生產的工藝要求，設計了基於ARM和DSP的雙CPU永磁同步電動機伺服控製器。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，支持圖形化人機界麵和觸摸操作；利用DSP完成永磁同步電動機的磁場定向控製算法。該係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。
0引 言
ARM微處理器具有體積小、低功耗、低成本、高性能的特點，基於ARM核的微控製器芯片不但占據了高端微控製器市場的大部分市場份額，同時也逐漸向低端微控製器應用領域擴展，ARM微控製器的低功耗、高性價比，向傳統的8位／16位微控製器基。提出了挑戰。ARM微處理器及技術應用到了許多不同的領域，如工業控製領域、無線電通訊領域、網譬絡應用、消xiao費fei類lei電dian子zi產chan品pin以yi及ji數shu字zi成cheng象xiang與yu安an全quan產chan品pin當dang中zhong，憑ping借jie其qi優you點dian將jiang來lai還hai會hui得de到dao更geng加jia廣guang泛fan的de應ying用yong。顯xian本ben文wen通tong過guo分fen析xi竹zhu節jie紗sha裝zhuang置zhi的de工gong藝yi要yao求qiu，設she計ji了le具ju有you竹zhu獨du立li控kong製zhi結jie構gou的de永yong磁ci同tong步bu電dian機ji伺si服fu控kong製zhi係xi統tong，由youARM和觸摸屏構成控製器，並在ARM核中移植嵌入式操作係統Windows CE，使其具有圖形化的人機丕界麵操作功能，支持觸摸操作，可以方便快捷地進行j係統參數和工藝控製參數的設置，而且可以動態顯示控製係統當前的運行狀態；以DSP為核心的驅動i器完成永磁同步電動機的控製整個係統采用高級諢!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製要求。
1 竹節紗生產的工藝要求
在zai紡fang紗sha過guo程cheng中zhong通tong過guo改gai變bian瞬shun時shi牽qian伸shen倍bei數shu或huo增zeng加jia附fu加jia纖xian維wei，使shi在zai紗sha線xian長chang度du方fang向xiang上shang產chan生sheng符fu合he一yi定ding要yao求qiu的de粗cu節jie的de紗sha線xian稱cheng為wei竹zhu節jie紗sha，其qi中zhong所suo產chan生sheng的de粗cu節jie稱cheng為wei竹zhu節jie，兩liang粗cu節jie之zhi間jian的de紗sha線xian稱cheng為wei基ji紗sha。如ru圖tu1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、後羅拉，改變中、後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，控製伺服電動機轉過的角度即可控製紗線的長度。
由於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、後羅拉的速度必須跟隨前羅拉的變化。將每圈脈衝數為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衝數為rb (計數器工作於4倍頻方式)，則前羅拉的轉速為：
中、後羅拉的基本轉速為：
式中：為牽伸倍數；η為牽伸效率；e 為中、後羅拉與前羅拉的轉速比，當中、後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、後羅拉的轉速與基本轉速的百分比口，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，&# 8943;)的節紗，前羅拉應旋轉
2 伺服係統的設計
根據竹節紗生產工藝要求設計的伺服係統結構框圖如圖2所示。控製器主要由ARM和觸摸液晶屏組成，並輔以其它外圍電路。以ARM為核心的控製器需要完成係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。控製器接收係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，輸出係統控製信號如竹節紗指示、伺服係統準備好、係統故障等信號；為測量前羅拉的轉速，前羅拉編碼器的A、 正zheng交jiao信xin號hao也ye輸shu入ru到dao控kong製zhi器qi當dang中zhong，控kong製zhi器qi根gen據ju相xiang關guan參can數shu實shi時shi計ji算suan出chu應ying發fa給gei驅qu動dong器qi的de脈mai衝chong的de周zhou期qi與yu個ge數shu，驅qu動dong器qi根gen據ju脈mai衝chong周zhou期qi與yu個ge數shu控kong製zhi永yong磁ci同tong步bu伺si服fu電dian機ji的de速su度du和he轉zhuan過guo的de角jiao度du，以yi此ci帶dai動dong中zhong、後羅拉運轉。隻要控製器能連續給驅動器發出脈衝，永磁電動機便能夠連續的運轉。控製器使用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基於ARM的控製器
控製器選用三星公司的S3C2440作為控製芯片，其內核為ARM公司的ARM920T處理器核，屬於32位微控製器。片內集成了豐富的功能模塊，如USB接口、LCD控製器、ADC和DAC、DSP協處理器等，既可簡化係統設計，又能提高係統可靠性。圖3為采用該芯片設計的竹節紗伺服係統控製器。觸摸液晶屏選用四線5．7英寸模擬屏，EEPROM用於儲存現場設置的參數。
在ARM中移植嵌入式操作係統Windows CE 5．0，Windows CE是微軟開發的專用於嵌入式領域：的一款可裁剪的32位實時嵌入式操作係統。和其他嵌入式操作係統相比，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，所以被廣泛用於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係統。
以串V1通訊為例來說明在此係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被操作係統轉發到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。係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口輸入給控製器，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基於DSP的驅動器
永磁同步伺服驅動係統的硬件結構如圖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個脈衝，另外還三路對稱的U、V、W信號，用於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後的環錠細紗機上，現場使用表明係統穩定可靠，達到了預定係統設計要求。圖6是紡製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，測得的脈衝周期為360μs，因此其轉速為163r／min，驅動中、後羅拉的伺服電動機編碼器反饋的脈衝數經分頻後為每圈400個，測得的脈衝周期為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隻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。
4 結 語
本文利用ARM和DSP雙處理器的配合，完成了竹節紗生產控製係統中伺服控製器的設計。ARM作為主處理器，負責生產過程的工藝控製，以及係統輸入、輸出信號的處理；DSP作為從處理器，主要完成電機的控製功能。現場運行表明，此係統穩定可靠，達到了預定的設計要求，具有很高的性價比。
。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衝數為N ，DSP中的計數單元工作於4倍頻方式，則伺服電動機轉過相應轉數計數得的脈衝數為：
