基于ARM和DSP的永磁伺服系统设计与实现

  由蕤，姜淑忠，宋杰

(上海交通大学电气工程系，上海200030)

摘要：在分析纺织行业竹节纱装置工艺要求的基础上，设计了永磁伺服系统。控制器采用

ARM和触摸液晶屏；驱动器选用DSP，同时实现电机的磁场定向控制和其他功能。分析了系统的工作过程。系统已成功应用在竹节纱装置上，具有较高的性价比和推广价值。

关键词：永磁同步电动机；伺服系统；竹节纱；设计；应用

1伺服系统结构  

  永磁同步电机伺服系统由控制器、驱动器、永磁同步电机、传感器构成。按控制器、驱动器的复杂程度及二者之间的功能分配，控制系统分为单轴系统、多轴系统和独立控制系统。对单轴系统，控制单元的一个通道只控制一台驱动器；对多轴系统，控制单元的一个通道控制多台驱动器；对独立控制系统，各种工艺软件集成在驱动器中，控制器的作用被弱化，只起命令输入、过程监控等作用，有时这些功能也被移植到驱动器中。独立控制系统在实时性强、输入输出点数少的系统中获得大量应用^[1-3]；与其他两种结构相比，硬件上可省略控制卡和PLC，降低了系统硬件成本，软件上可将工艺软件与控制软件集成在一起，有利于保护知识产权，延长产品的生命周期。本文通过分析竹节纱装置的工艺要求，设计了独立控制结耕的伺服系统。

2  竹节纱装置工艺要求

    在纺纱过程中，通过改变瞬时牵伸倍数或增加附加纤维，使在纱线长度方向上产生符合一定要求的粗节的纱线称为竹节纱，其中所产生的粗节称为竹节，两粗节之间的纱线称为基纱。如图l所示，L₂、L₄为基纱节长，L₁、L₃为竹节节长，D为基纱直径，D₁、D₃为竹节直径。竹节纱按竹节的分布情况可分为无规律竹节纱和有规律竹节纱。目前都采用变牵伸倍数的方法生产竹节纱，将普通环锭细纱机或转杯纺纱视上前、中、后三根罗拉的传动链断开，用伺服电机单独驱动中、后罗拉，改变中、后罗拉与前罗拉的速比就能改变纱线的牵伸倍数即纱线的粗细，控制伺服电机转过的角度即可控制节纱的长度。

由于前罗拉的速度因工艺要求发生变化，为保持给定的速比，中、后罗拉的速度必须跟随前罗拉的变化。将每圈脉冲数为N_f的正交编码器与前罗拉联结，测速周期T秒内计数器读得的编码器脉冲数为nf(计数器工作于4倍频方式)，则前罗拉的转速(单位：r／min)为：

式中，c为牵伸倍数；q为牵伸效率；e为中、后罗拉与前罗拉的速比。

    当中、后罗拉以此速度运行时，所纺纱的直径即为基纱的直径。通常用中、后罗拉的转速与基本转速的百分比a_j(j：1，2，…，)表示某一节纱与基纱直径的比，乘以伺服电机所联减速齿轮箱的速比i可得伺服电机的速度为：

    设前罗拉直径为d_f(单位：mm)，则前罗拉的周长为π_d。为获得长度为Lf(j=l，2，…，)的节纱，前罗拉应旋转L_j／π_ddf西转。由式(1)和(4)知，伺服电机与前罗拉的转速比为15ajei/cq，因此伺服电机应旋转15_ajei/πcqdf转。若伺服电机正交编码器每圈脉冲数为Nm，DSIP中的计数单元工作于4倍频方式，则伺服电机应转过的脉冲数为：

    考虑机器、原料、环境等方面的影响，为了减小误差，需对式(5)的结果进行修正，即对基纱段应乘以细节系数k₁，对竹节段应乘以粗节系数k₂。以粗节系数为例，其含义是假如粗节输入的长度值和纺出来粗节长度相等，则粗节系数为l，如果两个值不相等，则粗节系数为输入值与实际值的比值。

    从式(4)和式(5)可知，伺服电机以速度vm旋转nm个脉冲后就能得到给定长度和粗细的节纱。对给定的机器，伺服电机的速度仅与纱的粗细和前罗拉的快慢有关，脉冲数则取决于纱的粗细和长度。

3伺服系统设计

    竹节纱伺服系统如图2所示。控制器由ARM和触摸液晶屏组成，完成键盘定义、系统参数(如c、g、e、i、d等)及工艺参数(如aj、Lf等)输入、