基于STM8S的縫頭機(jī)驅(qū)動(dòng)控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

孫盟盟，張團(tuán)善，周文勝，郝永健

（西安工程大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院，陜西西安 710048）

基于STM8S的縫頭機(jī)驅(qū)動(dòng)控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

孫盟盟，張團(tuán)善，周文勝，郝永健

（西安工程大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院，陜西西安 710048）

為適應(yīng)襪子縫頭機(jī)中電子程序控制的高精度、低成本的技術(shù)要求，設(shè)計(jì)一種基于STM8S的襪子縫頭機(jī)電機(jī)驅(qū)動(dòng)控制系統(tǒng).首先，根據(jù)縫頭機(jī)的工作原理提出了PWM波調(diào)壓調(diào)速控制策略，設(shè)計(jì)了無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)的電流轉(zhuǎn)速雙閉環(huán)控制方法.然后根據(jù)調(diào)壓調(diào)速控制策略及總體控制系統(tǒng)策略，并結(jié)合縫頭機(jī)傳感器信號(hào)，設(shè)計(jì)了系統(tǒng)的硬件電路和軟件程序.通過(guò)軟硬件的在線聯(lián)合調(diào)試，結(jié)果表明，控制系統(tǒng)滿足縫頭機(jī)驅(qū)動(dòng)功能，電動(dòng)機(jī)波形純正，且縫頭機(jī)縫襪整齊，系統(tǒng)運(yùn)行良好.

襪子縫頭機(jī)；STM8S；PWM波調(diào)壓調(diào)速；硬件電路

Key words：sock toe closing machine；STM8S；PWM strategy of voltage－velocity regulation；drive control system

0 引 言

隨著電力電子技術(shù)和計(jì)算機(jī)的發(fā)展，各種新型驅(qū)動(dòng)技術(shù)在紡織機(jī)械中得到廣泛應(yīng)用，國(guó)內(nèi)外紡織機(jī)械都在向自動(dòng)控制方向發(fā)展，計(jì)算機(jī)和電力電子技術(shù)正在對(duì)織襪技術(shù)的發(fā)展產(chǎn)生巨大影響，像縫頭機(jī)這樣的紡織機(jī)器，其驅(qū)動(dòng)技術(shù)仍在向高性能與高精度方向發(fā)展［1］.

縫頭機(jī)是紡織類機(jī)械的一種，它是對(duì)已加工好的襪子頂部進(jìn)行縫合的機(jī)器，縫襪質(zhì)量的好壞和縫合效率的高低取決于控制系統(tǒng)的驅(qū)動(dòng)性能指標(biāo)，而當(dāng)前國(guó)內(nèi)外縫頭機(jī)大多采用無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)來(lái)驅(qū)動(dòng)，對(duì)無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)的控制方法多種多樣，但大都采用控制器組成的控制系統(tǒng)來(lái)完成對(duì)無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)的驅(qū)動(dòng)［2］，對(duì)于高性能的驅(qū)動(dòng)控制系統(tǒng)，外國(guó)發(fā)展水平較高，縫頭機(jī)價(jià)格偏高，而我國(guó)發(fā)展水平較低，縫頭機(jī)驅(qū)動(dòng)技術(shù)相比不夠成熟，高性能的自動(dòng)縫頭機(jī)仍然從外國(guó)進(jìn)口，因此研發(fā)具有我國(guó)自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的高精度、低成本的縫頭機(jī)驅(qū)動(dòng)控制系統(tǒng)已成為迫切需求［3－4］.

本文以STM8S單片機(jī)為縫頭機(jī)下位機(jī)核心，采用PWM波換相調(diào)壓調(diào)速方法，設(shè)計(jì)了電流和速度雙閉環(huán)控制策略，并設(shè)計(jì)出縫頭機(jī)電機(jī)驅(qū)動(dòng)的最小系統(tǒng)電路、電源電路、電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路、保護(hù)電路、通信電路等，且最終編寫程序進(jìn)行軟硬件聯(lián)合調(diào)試，驗(yàn)證了系統(tǒng)的可行性.

1 工作原理及控制策略

1.1 驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)工作原理

圖1為襪子縫頭機(jī)控制系統(tǒng)框圖.系統(tǒng)上電時(shí)，人為通過(guò)上位機(jī)發(fā)送一速度命令，通過(guò)通信電路送至下位機(jī)，下位機(jī)STM8S接受命令按指定程序運(yùn)行，使電源通過(guò)逆變橋電路，加在無(wú)刷直流電機(jī)繞組上，根據(jù)霍爾傳感器信號(hào)電動(dòng)機(jī)開始運(yùn)行，通過(guò)電機(jī)轉(zhuǎn)子主軸上安裝的傳動(dòng)機(jī)構(gòu)將動(dòng)力源傳向縫頭機(jī)機(jī)械執(zhí)行機(jī)構(gòu)使襪子開始縫合，并且通過(guò)上位機(jī)實(shí)時(shí)操作實(shí)現(xiàn)電動(dòng)機(jī)的調(diào)速進(jìn)而實(shí)現(xiàn)襪間距的調(diào)整與工作速度等機(jī)器參數(shù)的調(diào)整，縫頭機(jī)在運(yùn)行中出現(xiàn)的如卷襪、斷線、門開關(guān)未關(guān)、過(guò)壓、欠壓等故障信號(hào)通過(guò)故障傳感器電路迅速送入STM8S控制器，控制器立即作出響應(yīng)，控制無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)停止運(yùn)行并將故障信號(hào)發(fā)送至上位機(jī).

圖1 縫頭機(jī)驅(qū)動(dòng)控制系統(tǒng)框圖Fig.1 Drive control system block diagram of the sock toe closing machine

1.2 控制策略

對(duì)于無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)，采用霍爾傳感器測(cè)量轉(zhuǎn)子位置信息的無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)的換向控制策略有二二導(dǎo)通方式，三三導(dǎo)通方式，由于無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)的反電動(dòng)勢(shì)為梯形波，而二二導(dǎo)通方式很好地利用了方波氣隙磁場(chǎng)的的平頂部分，使得電機(jī)出力大，電磁轉(zhuǎn)矩比三三導(dǎo)通方式要大，且電機(jī)的轉(zhuǎn)矩平穩(wěn)性好，所以本系統(tǒng)采用二二導(dǎo)通方式，即每次僅有兩個(gè)開關(guān)管導(dǎo)通，每隔60°改變一次導(dǎo)通狀態(tài)，每次改變僅切換一相橋臂的一個(gè)開關(guān)管，并且每個(gè)開關(guān)管連續(xù)導(dǎo)通120°.無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)的電動(dòng)勢(shì)平衡方程為

式中，U為電源電壓，E為反電動(dòng)勢(shì)，Iac為三項(xiàng)繞組的平均電樞電流，rac為電動(dòng)機(jī)定子繞組的平均電阻，ΔU為功率管飽和壓降.無(wú)論電動(dòng)機(jī)是哪種繞組和線路結(jié)構(gòu)，定子反電動(dòng)勢(shì)都可以表示為

式中，n為電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速，Kc為反電動(dòng)勢(shì)常數(shù)，由以上各式整理得

由式（3）可知，在忽略電機(jī)定子電阻和開關(guān)壓降的情況下，無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速僅和電動(dòng)機(jī)的定子電壓和磁場(chǎng)強(qiáng)度有關(guān)，改變定子電壓或磁場(chǎng)強(qiáng)度都可改變電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速.由于PWM技術(shù)在頻率和效率方面有明顯的優(yōu)點(diǎn)，且可以有效抑制諧波，使得電動(dòng)機(jī)的逆變電路性能得到了明顯提高.采用三相逆變橋，逆變橋輸入為電壓固定不變的直流電，可以通過(guò)PWM技術(shù)在同一逆變橋中既實(shí)現(xiàn)調(diào)頻又實(shí)現(xiàn)調(diào)壓，采用這種逆變橋，使電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)主回路和控制回路的結(jié)構(gòu)得到了簡(jiǎn)化，進(jìn)而使控制系統(tǒng)的體積減小，可靠性增高，動(dòng)態(tài)響應(yīng)較好.故針對(duì)本系統(tǒng)，采用調(diào)壓調(diào)速策略，采取一個(gè)開關(guān)管工作于PWM狀態(tài)進(jìn)行調(diào)壓，而另一個(gè)處于常通狀態(tài)，并用HPWM－LON模式，即功率橋中對(duì)上橋臂的功率管進(jìn)行PWM調(diào)制，下橋臂保持常通狀態(tài)，通過(guò)調(diào)節(jié)上橋臂的占空比進(jìn)而實(shí)現(xiàn)電動(dòng)機(jī)的調(diào)壓調(diào)速［5］.

根據(jù)無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)的運(yùn)行原理，文中所設(shè)計(jì)的無(wú)刷直流電機(jī)控制系統(tǒng)采用轉(zhuǎn)速電流雙閉環(huán)控制方法對(duì)無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)進(jìn)行控制，電流和轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器均采用傳統(tǒng)PI調(diào)節(jié)器進(jìn)行控制.

2 整體設(shè)計(jì)

2.1 硬件設(shè)計(jì)

2.1.1 最小系統(tǒng)電路 圖2所示為縫頭機(jī)驅(qū)動(dòng)控制系統(tǒng)最小系統(tǒng)電路，采用的STM8S系列單片機(jī)與傳統(tǒng)單片機(jī)相比具有2.95V的工作電壓范圍和高達(dá)20MIPS的CPU性能，最大工作頻率可達(dá)16MHz，且它的外設(shè)定義與STM32系列單片機(jī)相同，豐富的外設(shè)可實(shí)現(xiàn)精確的控制和監(jiān)視功能，并且單片機(jī)內(nèi)部擁有一個(gè)10位的模數(shù)轉(zhuǎn)換器，最多可以配置16路A／D輸入通道，先進(jìn)的16位定時(shí)器特別為電機(jī)控制做了優(yōu)化設(shè)計(jì)，還具有自動(dòng)6路互補(bǔ)PWM輸出端口，把輸出端口與ADC轉(zhuǎn)換輸入引腳作了可重配置定義，使之在電機(jī)應(yīng)用時(shí)也可獲得最大的ADC轉(zhuǎn)換路數(shù)，所以這款芯片非常適合無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)的低成本低功耗控制要求［5］.

圖2 最小系統(tǒng)電路圖Fig.2 Minimum system circuit

2.1.2 電源電路 本控制系統(tǒng)采用輸出為24V直流電的開關(guān)電源供電，并通過(guò)317MG和LM2576等芯片獲得15V電壓和5V電壓.其中24V給無(wú)刷直流電機(jī)供電，15V給開關(guān)驅(qū)動(dòng)電路芯片供電，而5V則給單片機(jī)及其他芯片供電.圖3所示為電源電路圖.

2.1.3 三相電機(jī)功率橋路設(shè)計(jì) 圖4所示為三相電機(jī)橋路，本設(shè)計(jì)采用IR2101S芯片，這款芯片具有高度集成的電平轉(zhuǎn)換技術(shù)，使邏輯電路對(duì)功率管等的控制要求大大簡(jiǎn)化，同時(shí)對(duì)功率橋中的上橋臂采用了自舉電容進(jìn)行上電，使得電機(jī)驅(qū)動(dòng)電源數(shù)目相對(duì)其他IC芯片驅(qū)動(dòng)大大減少，在工程設(shè)計(jì)上降低了產(chǎn)品成本，提高了系統(tǒng)穩(wěn)定性［5－6］.

2.1.4 保護(hù)電路設(shè)計(jì) 電路采用LM358芯片，對(duì)電源電壓以及電機(jī)三相繞組運(yùn)行中的電流進(jìn)行實(shí)時(shí)在線監(jiān)測(cè)，如果出現(xiàn)過(guò)流等信號(hào)，單片機(jī)立即停止運(yùn)行，保護(hù)控制系統(tǒng)以防燒壞.圖5為保護(hù)電路原理圖［7］.

圖3 電源電路圖Fig.3 Power supplycircuit

圖4 電機(jī)驅(qū)動(dòng)橋路圖Fig.4 Motor drive axle road

圖5 保護(hù)電路原理圖Fig.5 Protection circuit

2.1.5 上位機(jī)通信電路設(shè)計(jì) 本控制系統(tǒng)上位機(jī)采用STM32單片機(jī)進(jìn)行實(shí)時(shí)控制與監(jiān)測(cè)，上位機(jī)與下位機(jī)通信電路采用RS485芯片進(jìn)行通信，此芯片通信距離長(zhǎng)，抗干擾性能好，適合縫頭機(jī)驅(qū)動(dòng)的上下位機(jī)之間的通信，圖6所示為上位機(jī)通信電路［89］.

圖6 上位機(jī)通信電路圖Fig.6PC communication circuit

2.2 軟件設(shè)計(jì)

縫頭機(jī)驅(qū)動(dòng)控制系統(tǒng)程序主要由RS485通信、寄存器初始化、轉(zhuǎn)子預(yù)定位、PWM換相、速度調(diào)節(jié)、故障停止模塊等組成.硬件初始化主要是設(shè)置STM8S903單片機(jī)系統(tǒng)的時(shí)鐘，堆棧寄存器，各個(gè)I／O端口，各定時(shí)器，以及中斷控制等.通過(guò)霍爾傳感器來(lái)獲得無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)永磁體轉(zhuǎn)子的位置信息，然后根據(jù)已獲得的電機(jī)轉(zhuǎn)子位置信息對(duì)電機(jī)進(jìn)行換相.通過(guò)改變PWM波的占空比對(duì)電機(jī)進(jìn)行調(diào)速［10－11］.系統(tǒng)軟件流程圖如圖7所示.

3 驗(yàn)證與結(jié)果

經(jīng)過(guò)以上分析設(shè)計(jì)并制作印制電路板，編寫好STM8S單片機(jī)程序并在縫頭機(jī)機(jī)器上進(jìn)行在線調(diào)試驗(yàn)證，圖8為示波器測(cè)得的無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)其中一相電壓波形.由圖8可知，該波形無(wú)雜波，無(wú)刷直流電機(jī)運(yùn)行良好，轉(zhuǎn)矩穩(wěn)定，位置控制精確，縫頭效果平穩(wěn)，機(jī)器運(yùn)行時(shí)襪子縫合整齊，滿足縫頭機(jī)的要求，且通過(guò)上位機(jī)可以實(shí)時(shí)在線調(diào)節(jié)無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)的速度進(jìn)而調(diào)節(jié)機(jī)器的工作效率，襪子在出現(xiàn)被卷、斷線或門開關(guān)未關(guān)等情況下均能立即停止運(yùn)行，從而保護(hù)控制系統(tǒng)以及縫頭機(jī)的安全.

圖7 流程圖Fig.7 Program flow chart

圖8 相電壓波形Fig.8 Phase voltage waveform

4 結(jié)束語(yǔ)

本文采用PWM波調(diào)壓調(diào)速和電流轉(zhuǎn)速雙閉環(huán)控制方法，并結(jié)合硬件電路和軟件程序?qū)p頭機(jī)機(jī)器驅(qū)動(dòng)源無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)進(jìn)行控制.采用上述方法使得縫頭機(jī)運(yùn)行平穩(wěn)，位置控制精確，并且可以在線實(shí)時(shí)調(diào)速，提高工作效率，實(shí)踐證明這是一種合理且有效的縫頭機(jī)驅(qū)動(dòng)控制系統(tǒng).

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編輯、校對(duì)：趙放

Design of the drive control system for the sock toe closing machine based on STM8S

SUN Mengmeng，ZHANG Tuanshan，ZHOU Wensheng，HAO Yongjian

（School of Mechanical and Electrical Engineering，Xi′an Polytechnic University，Xi′an 710048，China）

In order to meet the the technical requirements of the sock toe closing machine in the electronic program control of low cost and high precision，a sock toe closing machine motor drive control system based on STM8Sis designed.Firstly，the operation principle of drive system is introduced，PWM strategy of voltage－velocity regulation is put forward，and the brushless DC motor speed and current double closed loop control method is designed.Then，according to the regulating voltage and regulating speed control strategy and the overall control block diagram of the system and combining with the sensor signal of the sock toe closing machine，the hardware circuit of the system，and software program are designed.The experimental results show that the control system can meet the needs of sock toe closing machine drive function，the motor waveform is pure，the socks are stitched neatly，and the system is running in good operation through the online software and hardware debugging.

TP 273.5

A

1674－649X（2015）05－0583－06

10.13338／j.issn.1674－649x.2015.05.012

2015－06－02

科技部攻關(guān)資助項(xiàng)目（2012BAF13B00）

張團(tuán)善（1971—），男，湖北省隨州市人，西安工程大學(xué)副教授，研究方向?yàn)榧彊C(jī)控制系統(tǒng)和嵌入式系統(tǒng).E－mail：459915771＠qq.com