自动袜机的伺服电机近似匀加速度控制技术

摘要

本发明涉及自动袜机的伺服电机近似匀加速度控制技术。本发明涉及电脑化电子提花织袜机的设备的技术领域，本发明立在为新型嵌入式提花袜机实现系统的高效率，稳定可靠运行，实现丰富提花功能，提供技术保障。包括设计的嵌入式袜机系统的双微控制器核心方案，两个核心的分工合作，核心周边的设备及两个核心间的通信方式等，然后着重对伺服电机的加速度控制技术发明进行了验证，阐述，其特征在于所述为一种分段的近似匀加速度控制技术，此发明程序实现容易，计算量小，大大减轻MCU的负担，适合于资源有限的嵌入式设备，同时还具有操作便携，适用性强，可根据系统硬件水平的不同，设置不同层次的计算量的特征，且不会出现算法失效的现象，能安全，可靠的运行，经实际的实验发现，速度基本呈现匀速变化的状况，速度控制效果良好，而且随着

说明书

技术领域

本发明属于电脑提花织袜机技术领域，特别是涉及一种自动袜机 的伺服电机近似匀加速度控制技术。

背景技术

目前针织及相关设备现在正向高效、节能、环保及电子控制方向 发展，性能稳定，更新换代步伐加快。设备的提花功能扩大，自动化 控制水平提高。电子系统的高控制精确，对提高产品质量提供了保障。 故采用电子技术，改造传统行业，提高机电一体化水平，推动了针织 行业的技术进步。目前的针织设备正大力加强电子技术应用。

而当前我国的电脑袜机技术与发达国家还有相当大的差距。特别 是与意大利，韩国，日本三国差距尤其大。他们的袜机在高科技应用、 设计思想、制造精度以及产品外观形象等方面都远远领先我们，因此， 随着对外经济技术协作的日益深入，高档袜机市场几乎完全被他们的 技术占领。在我国的当前国情之下，瞄准国外先进袜机技术方向，开 发拥有自主知识产权的袜机技术，并逐步赶上国外先进水平，显得十 分迫重要。

在当前的袜机设备系统中，伺服电机始终处于核心的位置，周边 的电磁阀，选针器都是以伺服电机为主轴的，伺服电机的运行稳定性， 可靠性，以及运行的速度直接决定了该袜机的效率，性能。而在袜机 的控制系统中，伺服电机的速度控制，位置检测技术又是整个袜机系 统的最为核心的技术，所以一台袜机伺服电机控制技术的优劣决定的 是此设备的优劣。下面就伺服电机的速度控制对袜机效率的影响做下 举例：

袜子在后跟编织时，伺服电机必须正反两个方向反复运转70趟 左右。而此袜机的伺服电机的运转速度是非常快的，达900r/min，在 如此高的速度下，是不可能立即反方向运转，必须有个减速的过程， 减速结束还必须有个加速的过程，对袜机系统来说这个加减速的过程 显得十分的重要，首先过大的加减速过程伺服电机无法承受，而且极 容易损坏伺服电机驱动的针筒的周边的电磁阀及其针筒上的织针，同 时必须考虑加减速的效率问题，过低的加减速度浪费时间，直接降低 了袜子的生产效率。

例如，在伺服驱动信号PWM周期值为常增量下的加减速方案， 如果一个加减速的过程多延长个0.25秒，则电机的一个反复共需要4 次的加减速的过程，则需多延长1秒，一只袜子共需70次左右的反 复，就要70秒左右的时间浪费，而现在一只袜子编织所需的时间只 要3分钟左右(袜子后跟编织占很大部分的时间)，可见一个0.25 秒的延时就大大的降低袜子的生产效率，直接降低了企业的经济效 益。

因此袜机的伺服电机的加减速度控制方案显得十分重要，高效， 可靠的加减速控制方法直接影响到袜机运行的效率，及使用寿命，从 而直接关系到袜子生产的成本，效益。

电脑袜机主要的控制部件集中在编织操作平台上，在分析袜机系 统的工艺要求和机械结构，及电气特性发现：电脑袜机系统需要进行 控制的控制点较多，包括64路的电磁阀，6个选针器96个选针刀， 两路的步进电机，一路伺服电机，两路电磁传感器，及十多路的外部 故障中断检测。袜机系统部分的控制点电磁阀选针器的分布如图1所 示，系统的电磁阀远不止这部分，共有60多路，另外还有6组的选 针器要控制，它的分布图如图2所示，图中1C～5C及1F即为6组选 针器，每组有16把的选针刀，且每一把都是一个独立的控制点，图 2中的提花梳子中的每个梭子是有电磁阀控制，且每个也是独立的控 制点。首先要监控，检测的控制点如此多，其次像伺服电机，选针器 的电气要求又比较高，选针器要求快速反应，如此看来单单就以上的 电气控制点就需要大量的CPU资源进行运算控制，采用一片DSP进 行控制已显得紧促。

而该袜机系统还要求配备一块3.5寸的点阵液晶，将近40个按 键的，操作键盘，及多路的LED警示灯，E²ROM存储器、时钟芯片 和远程通信模块等，就人机界面这一块需要很多的系统资源，如果只 采用单核心进行如此多的任务操作是不太现实的，且该袜机的高速运 转编织过程中，是要求可以进行液晶，按键，及与上位机等进行通信 的，如果没一个单独的核心进行操作，难保证袜子，三角刀，电磁阀， 伺服电机等安全，稳定的工作的。

发明内容

本发明的目的在于提供一种自动袜机的伺服电机近似匀加速度 控制技术。

本发明的目的是采用这样的技术解决方案实现的：其特征在于可 设置两个变量：int n；float b；其中b用于保存此段的增量b(d)，n用于计 数，每个PWM周期结束，寄存器的值更改为N(d)+n*b(d)取整，同 时n自加1，如果n到达n(d)，则进入下一个段的减速，b重新赋下个段 的b(d)，n从0重新开始计，达到此段的n(d)后，进入下一个段，直至 减速到预期的目标值。

本发明通过在每个PWM周期结束，寄存器的值更改为 N(d)+n*b(d)取整，同时n自加1，如果n到达n(d)，则进入下一个段的 减速，b重新赋下个段的b(d)，n从0重新开始计，达到此段的n(d)后， 进入下一个段加速度控制，能够对伺服电机起动，停止过程的匀加速 度进行高效、便携控制，且适用于计算能力有限的嵌入式袜机的一种 控制技术。

附图说明

图1针筒周边电磁阀分布图

图2选针器及提花梳的分布图

图3针筒结构示意图

图4本发明的控制原理方框图

具体实施方式

嵌入式袜机控制部分的分析：采用DSP和ARM的双微控制器进 行控制时，DSP和ARM的分工如下：

DSP主要负责袜机的现场控制控制部分，负责现场的电磁阀、选 针器、磁感应开关、步进电机和伺服电机等控制对象的控制时序信号 输出以及采集相应处理的反馈信号，实现对各个电子控制装置的时实 控制。因考虑到保存花形数据的大容量FLASH存储模块，是与选针 器，喂纱梳子等提花机构的操作直接相关的，需进行大量的数据交互 的，因此把这一模块也由DSP负责，由此而来的，与上位机进行花 形数据交互的USB接口也集成到DSP控制板上。

而ARM核心主要负责人机交互界面等，主要负责管理点阵式 LCD显示屏、LED警示灯、键盘、E2ROM存储器、时钟芯片和，并 且可以把编织状态等重要信息通过远程通信方式向外传播出去。

DSP和ARM这两个核心间的通信，考虑到通信数据量不大，但 对数据传输的可靠要求较高，故采用CAN总线的方式，首先这两个 核心都已经集成了CAN模块，直接采用CAN总线能信，降低控制 系统的成本，也简化了系统的复杂度，使系统更稳定。

其次CAN具有以下特性：低成本；极高的总线利用率；很远的 数据传输距离(长达10km)；高速的数据传输速率(高达1Mbps)； 可根据报文的ID决定接收或屏蔽该报文；可靠的错误处理和检错机 制；发送的信息遭到破坏后可自动重发；节点在错误严重的情况下具 有自动退出总线的功能。

下面介绍伺服电机，它与袜机的针筒相连，起到控制针筒做正反 两个方向的运转，是袜机的核心组件，其结构示意图如图3所示，针 筒周边分布的6组选针器，及大量的电磁阀如图1所示都是在伺服电 机针筒的配合下实现各种编织动作的，所示伺服电机速度，性能的优 劣就直接决定了袜机系统的优劣，下面就伺服电机的控制技术做进一 步的表述：首先探讨验证了两种控制方法的可行性，然后提出了适用 于嵌入式袜机控制系统的伺服电机的加减速控制技术。

一.PWM周期值常增量下的加减速技术

伺服电机的PWM信号是由集成于单片机内的PWM模块产生 的，在选择的模式下，只要给PWM模块的周期寄存器赋予一定值， 并将PWM信号的占空比设置成50％，方式设置成，周期时间到自动 赋值模式，则PWM模块就会产生固定频率的PWM信号。为实现伺 服电机的加减速控制，必须在每个PWM信号周期到时，重新赋予周 期寄存器值。

设当前周期寄存器的值为N，下一个值为N+b，系统的指令周期 时间为：Δt，本伺服电机一圈的PWM脉冲数为2500，则伺服电机 的加速度a为：

$a=\frac{\frac{1}{N*\mathrm{\Delta t}*2500}-\frac{1}{(N+b)*\mathrm{\Delta t}*2500}}{(N+N+b)*\mathrm{\Delta t}}(r/s^2)---\left(1\right)$

如果每次周期时间到，下个周期值做个相同的值累加，即式中b 为常数，则经简化得：

$a=\frac{b}{{\Delta }^{2}t*2500}*\frac{1}{N(N+b)(2N+b)}(r/s^2)---\left(2\right)$

等式右边的左半部分为常数，右半部分分母展开后为：

$\frac{1}{{2N}^3+{3\mathrm{bN}}^2+b^{2}N}$

式中b是下个周期的增量，一般是远小于N的一个量，从式中可见， a是跟是成正比的，随着N的增大，a是成3次方的速度减小。从 实践实验中可见，起始a较大，随着时间推进，a是迅速减小，相应 的电机的速度是超始迅速减小，之后速度的变化越来越慢。

为了让袜机的伺服电机从900转的高速运转快速地降低到100 转，然后停止，假设要求3秒内完成，如果按此方案进行：

本系统的指令周期Δt为：1/(22.1184*10⁶)(由本控制系统的MCU 的时钟周期算得)，经计算当转速为900时，PWM经周期寄存器的值 为：591，100转为：5301；可得计算式：

$591n+\frac{b(1+n)n}{2}=\frac{T}{\mathrm{\Delta t}}---\left(3\right)$

bn＝5301-591

式中n为速度从900降到100期间的PWM脉冲数；T为降速总时间， 将T＝3秒代入求得：

n≈22523

b≈0.209

现计算电机从速度900降至300所花费的时间，300转时，PWM周 期寄存器的值为：1767；由bn₃₀₀＝1767-591解得：

n₃₀₀＝5627

即PWM周期寄存器的值每次以b累加，发完5627个脉冲后就可达到 速度300转，把n₃₀₀，b＝0.209代入得：

T₃₀₀≈0.3；

从计算结果可以看出，按此方案伺服电机从900转减速到300转 只花了0.3秒，从300转到100转却花了2.7秒，可以看900到300 转的加速度是远远大于300转到100转，加速度的呈现的是按的 比例下降。

从上看出此电机的速度缓冲方案虽然简单，程序实现方便，但他 的减速性能是很差的，电机在0.3秒内从900转降到300转，这里加 速度明显过大，长久必将造成伺服电机的损坏，而且也会造成袜机针 筒及其周边的电磁阀，选针器，织针的损耗。而从300转到100转却 花了2.7秒，这里的加速度又明显过小，浪费时间，直接降低了袜机 的生产效率。

二.理论匀加减速控制的探讨

在上述方案的论证下提出了要求电机匀加减速的控制方案，由式 1知要使加速度为匀速，即a保持不变，则b必须随着N的变化而变 化，提取b简化后为：

ANb²+(3AN²-1)b+2AN³＝0        (4)

其中A＝625aΔ²t

解得：

$b=\frac{-({3\mathrm{AN}}^2-1)\pm \sqrt{{({3\mathrm{AN}}^2-1)}^2-{8A}^2{N}^4}}{2\mathrm{AN}}---\left(5\right)$

从此式可以得出结论：理论上根据要求的加速度a，及当前PWM 周期寄存器的值N，就可以求得下一个周期的增量b，这样，每过一 个PWM周期就计算出下一个周期的增量，然后将寄存器值做相应的 累加，如此，循环迭代下去，电机的速度将呈现匀速的调整到预期的 值，但是在单片机的实践应用中发现：

将Δt＝1/(22.1184*10⁶)，转速在900转时的N值591，加速度同上， 3秒内从900降至100，则a＝40/9(r/s²)代入式2，得分母：

2AN＝2500*(40/9)*(1/22.1184)²*10^-12≈2.27*10^-11是个极小的值，经 计算，式2分子里的(3AN²-1)²-8A²N⁴也是个极小值，经验证发现， 此方案有如下不足：

1)求b的计算极其复杂，计算量很大，应用在单片机系统上， 如果每个PWM周期都要计算一遍，则计算量过大，将占用大量的CPU 资源，而袜机系统的控制点，运算量本身就很大，针筒的转速很高， 对选针器的打进时间需要精确的控制，实时性很高，CPU资源已非 常有限，如果再加上些算法应用，则CPU将承受不了如此大计算负 载。

2)经验证，求解出的b可能是个小于1的较小小数，尤其在高 速度刚开始减速时，而周期寄存器必须是整形的，则下个周期寄存器 的值将会保持不变，即有可能相连的几个PWM波形会保持不变，此 时，下个周期的N值保持不变，则此周期结束后，计算的b又将保 持不变，则下下周期又将保持不变，如此下去，周期寄存器的值将永 远不变，迭代将会出错，算法失效。

经讨论验证发现，如上精细的计算每个伺服电机驱动PWM周期 的值，理论上可行，但实践应用中却实现比较困难，因此提出了一种 分段近似匀加速度控制的方法。此方法特征如下：

假设要求速度在3秒内从900转隆至100转，将这个减速过程分 成10段(11个速度点)，时间也均匀地分成10份，如表1所示：

表1速度10等份表

  0   1   2   3   4   5   6   7   8   9   10   速度   900   820   740   660   580   500   420   340   260   180   100   时间   0   0.3   0.6   0.9   1.2   1.5   1.8   2.1   2.4   2.7   3

将减速的过程分为10段，每段减小的速度都相同，每段减速的 时间也相同，将每段减速过程作为一个整体来看，每段的加速度都为：

$\frac{80}{60*(3/10)}$即40/9(r/s²)

而为了简化计算，减小CPU的资源占用，每段内的周期寄存器 每个周期做相同的累加。这样虽然每段内的速度还是以刚开始论证过 的加速度作变化，但此时减速的速度段已较小，时 间段也较小(如果分的段越多，则越小)，在此速度段内，加速度a 的变化亦不会很大，而从整体上来看，速度基本上是以匀加速度 40/9(r/s²)来变化的。

现在假设分的段数为D，减速的时间为T，N(d)(d＝1，2，3...D)为 每个速度点周期寄存器的值，本系统速度是从900降至100，100转 速后，可安全地关闭伺服电机，电机能安全的制动，计算N(d)：

$\frac{1}{\mathrm{\Delta t}*N\left(d\right)*2500}=(\frac{(900-100)*(D-d)}{D}+80)/60---\left(6\right)$

d从0到D；除以60是为了从r/min转换到r/second，得：

$N\left(d\right)=\frac{D}{(10D-9d)*\mathrm{\Delta t}*1250}---\left(7\right)$

将d＝1，2，3....D分别代入得到从900转到100转D个速度点的周期寄

存器值，可在内存中分配大小为D+1的一维数组用于保存，如下：

int N[D]＝{N(0)，N(1)....N(D-1)，N(D)}；

下面计算每个段内的增量b，n为每个段内要发送的PWN脉冲数由

$N\left(d\right)n+\frac{b\left(d\right)(1+n\left(d\right))n\left(d\right)}{2}=\frac{T}{D*\mathrm{\Delta t}}---\left(8\right)$

b(d)n(d)＝N(d+1)-N(d)        (9)

简化：

$n\left(d\right)=\frac{2\frac{T}{D*\mathrm{\Delta t}}+N\left(d\right)-N(d+1)}{N(d+1)+N\left(d\right)}---\left(10\right)$

$b\left(d\right)=\frac{N(d+1)-N\left(d\right)}{n\left(d\right)}---\left(11\right)$

代入相应的d可以求出每个段对应的n(d)，和b(d)。

设置两个变量：int n；float b；b用于保存此段的增量b(d)，n用于计 数，每个PWM周期结束，寄存器的值更改为N(d)+n*b(d)取整，同 时n自加1，如果n到达n(d)，则进入下一个段的减速，b重新赋下个段 的b(d)，n从0重新开始计，达到此段的n(d)后，进入下一个段，直至 减速到预期的目标值。

在程序的开始，可方便的输入预期的减速时间T，及想要的分段 数D，如上面的公式可方便的求出分段速度点N(d)及每个分段的内的 脉冲数n(d)，由式3，式4知，n(d)只要将N(d+1)和N(d)做简单的加 减运算即可求得，b(d)也是如此，相比理论匀加速度控制方法，计算 量是远远的减小了。

本发明适用性强，可根据系统硬件水平的高低层次不同，方便地 作更改，设置不同层次的计算量，验证如下：如果D取得越大，则 分段越多，加减速的控制则越精确，控制效果越好，但，分的段越多， 要求的计算量就越多，对MCU的负载也更重，因此在不同的应用场 合，可方便地设置D的值，在达到加减速控制的精度的同时不至于 对MCU造成过多的负担，可根据系统的要求及软硬件的水平，在精 确度和CPU计算量之间取得平衡值。

随着D的取值越来越大，b(d)值会变得越来越小，也会出现小于1的 小数的现象，程序中的下个周期的寄存器值是为N(d)+n*b(d)的取整， 可能n取1，2，n*b(d)还是小于1的小数，说明会有两三个周期相同 的脉冲存在，但随着n的逐渐变大，n*b(d)总是会大于1，如此周期 寄存器的值也会变化，不会出现永恒不变，从而失效的现象的。