基于ARM和DSP的永磁伺服系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)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(jì)了永磁伺服系統(tǒng)�？刂破鞑捎�
ARM和觸摸液晶屏；驅(qū)動(dòng)器選用DSP，同時(shí)實(shí)現(xiàn)電機(jī)的磁場(chǎng)定向控制和其他功能。分析了系統(tǒng)的工作過(guò)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(jià)比和推廣價(jià)值。
關(guān)鍵詞：永磁同步電動(dòng)機(jī)；伺服系統(tǒng)；竹節(jié)紗；設(shè)計(jì)；應(yīng)用
1伺服系統(tǒng)結(jié)構(gòu)
永磁同步電機(jī)伺服系統(tǒng)由控制器、驅(qū)動(dòng)器、永磁同步電機(jī)、傳感器構(gòu)成。按控制器、驅(qū)動(dòng)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(dú)立控制系統(tǒng)。對(duì)單軸系統(tǒng)，控制單元的一個(gè)通道只控制一臺(tái)驅(qū)動(dòng)器；對(duì)多軸系統(tǒng)，控制單元的一個(gè)通道控制多臺(tái)驅(qū)動(dòng)器；對(duì)獨(dú)立控制系統(tǒng)，各種工藝軟件集成在驅(qū)動(dòng)器中，控制器的作用被弱化，只起命令輸入、過(guò)程監(jiān)控等作用，有時(shí)這些功能也被移植到驅(qū)動(dòng)器中。獨(dú)立控制系統(tǒng)在實(shí)時(shí)性強(qiáng)、輸入輸出點(diǎn)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(hù)知識(shí)產(chǎn)權(quán)，延長(zhǎng)產(chǎn)品的生命周期。本文通過(guò)分析竹節(jié)紗裝置的工藝要求，設(shè)計(jì)了獨(dú)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(guò)程中，通過(guò)改變瞬時(shí)牽伸倍數(shù)或增加附加纖維，使在紗線長(zhǎng)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(zhǎng)，L1、L3為竹節(jié)節(jié)長(zhǎng)，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(wú)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(xì)紗機(jī)或轉(zhuǎn)杯紡紗視上前、中、后三根羅拉的傳動(dòng)鏈斷開(kāi)，用伺服電機(jī)單獨(dú)驅(qū)動(dòng)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(xì)，控制伺服電機(jī)轉(zhuǎn)過(guò)的角度即可控制節(jié)紗的長(zhǎng)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(cè)速周期T秒內(nèi)計(jì)數(shù)器讀得的編碼器脈沖數(shù)為nf(計(jì)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(dāng)中、后羅拉以此速度運(yùn)行時(shí)，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(jī)所聯(lián)減速齒輪箱的速比i可得伺服電機(jī)的速度為：
設(shè)前羅拉直徑為df(單位：mm)，則前羅拉的周長(zhǎng)為πd。為獲得長(zhǎng)度為L(zhǎng)f(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(jī)與前羅拉的轉(zhuǎn)速比為15ajei/cq，因此伺服電機(jī)應(yīng)旋轉(zhuǎn)15ajei/πcqdf轉(zhuǎn)。若伺服電機(jī)正交編碼器每圈脈沖數(shù)為Nm，DSIP中的計(jì)數(shù)單元工作于4倍頻方式，則伺服電機(jī)應(yīng)轉(zhuǎn)過(guò)的脈沖數(shù)為：
考慮機(jī)器、原料、環(huán)境等方面的影響，為了減小誤差，需對(duì)式(5)的結(jié)果進(jìn)行修正，即對(duì)基紗段應(yīng)乘以細(xì)節(jié)系數(shù)k1，對(duì)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(zhǎng)度值和紡出來(lái)粗節(jié)長(zhǎng)度相等，則粗節(jié)系數(shù)為l，如果兩個(gè)值不相等，則粗節(jié)系數(shù)為輸入值與實(shí)際值的比值。
從式(4)和式(5)可知，伺服電機(jī)以速度vm旋轉(zhuǎn)nm個(gè)脈沖后就能得到給定長(zhǎng)度和粗細(xì)的節(jié)紗。對(duì)給定的機(jī)器，伺服電機(jī)的速度僅與紗的粗細(xì)和前羅拉的快慢有關(guān)，脈沖數(shù)則取決于紗的粗細(xì)和長(zhǎng)度。
3伺服系統(tǒng)設(shè)計(jì)
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、 |
