基于ARM和DSP的永磁伺服系統(tǒng)設(shè)計與實現(xiàn)
由蕤，姜淑忠，宋杰
(上海交通大學(xué)電氣工程系，上海200030)
摘要：在分析紡織行業(yè)竹節(jié)紗裝置工藝要求的基礎(chǔ)上，設(shè)計了永磁伺服系統(tǒng)�？刂破鞑捎�
ARM和觸摸液晶屏；驅(qū)動器選用DSP，同時實現(xiàn)電機的磁場定向控制和其他功能。分析了系統(tǒng)的工作過程。系統(tǒng)已成功應(yīng)用在竹節(jié)紗裝置上，具有較高的性價比和推廣價值。
關(guān)鍵詞：永磁同步電動機；伺服系統(tǒng)；竹節(jié)紗；設(shè)計；應(yīng)用
1伺服系統(tǒng)結(jié)構(gòu)
永磁同步電機伺服系統(tǒng)由控制器、驅(qū)動器、永磁同步電機、傳感器構(gòu)成。按控制器、驅(qū)動器的復(fù)雜程度及二者之間的功能分配，控制系統(tǒng)分為單軸系統(tǒng)、多軸系統(tǒng)和獨立控制系統(tǒng)。對單軸系統(tǒng)，控制單元的一個通道只控制一臺驅(qū)動器；對多軸系統(tǒng)，控制單元的一個通道控制多臺驅(qū)動器；對獨立控制系統(tǒng)，各種工藝軟件集成在驅(qū)動器中，控制器的作用被弱化，只起命令輸入、過程監(jiān)控等作用，有時這些功能也被移植到驅(qū)動器中。獨立控制系統(tǒng)在實時性強、輸入輸出點數(shù)少的系統(tǒng)中獲得大量應(yīng)用[1-3]；與其他兩種結(jié)構(gòu)相比，硬件上可省略控制卡和PLC，降低了系統(tǒng)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(chǎn)權(quán)，延長產(chǎn)品的生命周期。本文通過分析竹節(jié)紗裝置的工藝要求，設(shè)計了獨立控制結(jié)耕的伺服系統(tǒng)。
2 竹節(jié)紗裝置工藝要求
在紡紗過程中，通過改變瞬時牽伸倍數(shù)或增加附加纖維，使在紗線長度方向上產(chǎn)生符合一定要求的粗節(jié)的紗線稱為竹節(jié)紗，其中所產(chǎn)生的粗節(jié)稱為竹節(jié)，兩粗節(jié)之間的紗線稱為基紗。如圖l所示，L2、L4為基紗節(jié)長，L1、L3為竹節(jié)節(jié)長，D為基紗直徑，D1、D3為竹節(jié)直徑。竹節(jié)紗按竹節(jié)的分布情況可分為無規(guī)律竹節(jié)紗和有規(guī)律竹節(jié)紗。目前都采用變牽伸倍數(shù)的方法生產(chǎn)竹節(jié)紗，將普通環(huán)錠細紗機或轉(zhuǎn)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(qū)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(shù)即紗線的粗細，控制伺服電機轉(zhuǎn)過的角度即可控制節(jié)紗的長度。
由于前羅拉的速度因工藝要求發(fā)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(shù)為Nf的正交編碼器與前羅拉聯(lián)結(jié)，測速周期T秒內(nèi)計數(shù)器讀得的編碼器脈沖數(shù)為nf(計數(shù)器工作于4倍頻方式)，則前羅拉的轉(zhuǎn)速(單位：r／min)為：
式中，c為牽伸倍數(shù)；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(zhuǎn)速與基本轉(zhuǎn)速的百分比aj(j：1，2，…，)表示某一節(jié)紗與基紗直徑的比，乘以伺服電機所聯(lián)減速齒輪箱的速比i可得伺服電機的速度為：
設(shè)前羅拉直徑為df(單位：mm)，則前羅拉的周長為πd。為獲得長度為Lf(j=l，2，…，)的節(jié)紗，前羅拉應(yīng)旋轉(zhuǎn)Lj／πddf西轉(zhuǎn)。由式(1)和(4)知，伺服電機與前羅拉的轉(zhuǎn)速比為15ajei/cq，因此伺服電機應(yīng)旋轉(zhuǎn)15ajei/πcqdf轉(zhuǎn)。若伺服電機正交編碼器每圈脈沖數(shù)為Nm，DSIP中的計數(shù)單元工作于4倍頻方式，則伺服電機應(yīng)轉(zhuǎn)過的脈沖數(shù)為：
考慮機器、原料、環(huán)境等方面的影響，為了減小誤差，需對式(5)的結(jié)果進行修正，即對基紗段應(yīng)乘以細節(jié)系數(shù)k1，對竹節(jié)段應(yīng)乘以粗節(jié)系數(shù)k2。以粗節(jié)系數(shù)為例，其含義是假如粗節(jié)輸入的長度值和紡出來粗節(jié)長度相等，則粗節(jié)系數(shù)為l，如果兩個值不相等，則粗節(jié)系數(shù)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(zhuǎn)nm個脈沖后就能得到給定長度和粗細的節(jié)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(guān)，脈沖數(shù)則取決于紗的粗細和長度。
3伺服系統(tǒng)設(shè)計
竹節(jié)紗伺服系統(tǒng)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(tǒng)參數(shù)(如c、g、e、i、d等)及工藝參數(shù)(如aj、Lf等)輸入、 |
