基于實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)電子套接機(jī)控制系統(tǒng)

　　摘要：詳細(xì)介紹了基于自行設(shè)計(jì)的強(qiáng)占式和非強(qiáng)占式相結(jié)合的實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)在電子套接機(jī)中的應(yīng)用，提高了電子套接機(jī)的縫紉速度和步進(jìn)電機(jī)的步進(jìn)步數(shù)，使控制系統(tǒng)達(dá)到了較高的國際水平。

　　關(guān)鍵詞：電子套接機(jī) 實(shí)時(shí)操作系統(tǒng) 永磁伺服電機(jī)

　　1 引言

　　我國是服裝生產(chǎn)和加工大國，對縫制設(shè)備的需求逐年增加，2002年度生產(chǎn)工業(yè)縫紉機(jī)370多萬臺，2004年l～11月份生產(chǎn)工業(yè)縫紉機(jī)469萬臺。主要機(jī)型有單針、雙針平縫機(jī)、包縫機(jī)、套接機(jī)、釘扣機(jī)、鎖眼機(jī)、曲折縫、繃縫機(jī)、封包機(jī)和繡花機(jī)，其中平縫機(jī)占工業(yè)縫紉機(jī)市場的90%以上，其余皆屬特種機(jī)。而其中的電子套接機(jī)的控制系統(tǒng)大都采用國外的技術(shù)，如上海惠工縫紉機(jī)廠的HLK-03電子套接機(jī)采用的是日本三菱公司的電腦控制系統(tǒng)，高精度步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動，內(nèi)存16種套接模式。大連服裝機(jī)械廠為德國DurkoppAdler定牌生產(chǎn)的電子套接機(jī)采用的是德國提供的伺服系統(tǒng)，它在國內(nèi)銷售的電子套接機(jī)采用的是松下電機(jī)。

　　本文采用了自主開發(fā)的永磁伺服電機(jī)和驅(qū)動器，研制出了具有自主知識產(chǎn)權(quán)電子套接機(jī)控制系統(tǒng)，該電子套接機(jī)達(dá)到或接近國外樣機(jī)的性能指標(biāo)。由于采用自行設(shè)計(jì)的伺服電機(jī)控制系統(tǒng)僅采用了一塊TMS320C2407作為控制系統(tǒng)，其需要完成伺服電機(jī)的控制，X，Y軸步進(jìn)電動機(jī)控制，以及外部操作面板的顯示和鍵盤接口，采用常規(guī)的編程方式難以實(shí)時(shí)完成如此多的任務(wù)，并且由于實(shí)時(shí)性要求較強(qiáng)的特定，不能移植像UC/OSⅡ這樣的嵌入式實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)，為此本文采用了自行設(shè)計(jì)的實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)的控制方式，達(dá)到了電子套接機(jī)可在200～3000針的縫紉速度下縫制出多種花樣。

　　2.硬件設(shè)計(jì)

　　電子套接機(jī)的控制核心采用TI公司的TMS320C2407，其時(shí)鐘頻率為40MHz，外部采用8K的EEPROM用于存儲用戶的參數(shù)設(shè)置和新增的部分縫制花樣，其硬件框圖如圖1所示。

　　TMS320C2407需要根據(jù)針桿位置傳感器對永磁伺服電動機(jī)的初始磁場位置和針桿傳感器進(jìn)行定位，根據(jù)設(shè)置的縫制圖案和伺服電動機(jī)的位置控制X軸、Y軸步進(jìn)電機(jī)的移動，控制抬壓腳電磁鐵和剪線電磁鐵的動作。

　　圖1中編碼器的脈沖信號和永磁伺服電機(jī)的電流傳感器信號主要用于對永磁伺服電機(jī)的磁場定向控制。控制面板上的顯示和鍵盤設(shè)置用于參數(shù)的設(shè)置和縫制狀態(tài)的顯示。

　　3實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)

　　根據(jù)電子套接機(jī)的實(shí)現(xiàn)功能和硬件的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，采用了自行設(shè)計(jì)的實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)，對所需完成的任務(wù)進(jìn)行了分割，確定了各個(gè)任務(wù)的優(yōu)先級，編制了特定的軟件系統(tǒng)。

　　3.1任務(wù)的分割

　　電子套接機(jī)需要完成如下任務(wù)，①伺服電動機(jī)的初始磁場位置確定;②針桿的初始位置確定;③縫制圖案的初始化;④伺服電機(jī)磁場定向控制;⑤伺服電機(jī)的加、減速和速度控制;⑥步進(jìn)電機(jī)的方向控制;⑦步進(jìn)電機(jī)的步進(jìn)脈沖;⑧外部鍵盤的讀取;⑨外部鍵盤的處理;⑩外部顯示的更新;11抬壓腳傳感器信號、抬壓腳控制信號和縫制開始信號的讀取;12縫制開始信號的處理;13抬壓腳的控制;14剪線電磁鐵的控制;15故障的診斷。

　　根據(jù)上述實(shí)現(xiàn)功能，劃分的任務(wù)如圖2所示。

　　3.2任務(wù)優(yōu)先級的確定

　　初始任務(wù)：電子套接機(jī)中，初始上電時(shí)，套接機(jī)需要根據(jù)針桿位置的傳感器，確定針桿的停針位置，永磁伺服電機(jī)也根據(jù)針桿位置傳感器確定其初始磁場位置，故將任務(wù)①和任務(wù)②確定為初始任務(wù)，在初始任務(wù)完成后，系統(tǒng)才進(jìn)入實(shí)時(shí)任務(wù)的處理之中。

　　優(yōu)先級任務(wù)1：優(yōu)先級任務(wù)1在時(shí)鐘中斷時(shí)執(zhí)行，其包括永磁伺服電機(jī)控制矢量控制，時(shí)鐘中斷標(biāo)志，本設(shè)計(jì)中采用計(jì)時(shí)器1用于伺服電機(jī)矢量的控制和時(shí)間優(yōu)先級為70μs任務(wù)的計(jì)時(shí)中斷，采用計(jì)時(shí)器2作為時(shí)間優(yōu)先級為15μs任務(wù)的計(jì)時(shí)中斷;其他各任務(wù)的優(yōu)先級，如圖2所示。

　　3.3任務(wù)的創(chuàng)建和調(diào)度

　　電子套接機(jī)的狀態(tài)可以分為運(yùn)行狀態(tài)、Ready狀態(tài)、參數(shù)設(shè)置和修改狀態(tài)，由OS_Sys-tem( )任務(wù)創(chuàng)建、刪除和調(diào)度各任務(wù)。

　　運(yùn)行狀態(tài)：在Ready狀態(tài)后，當(dāng)系統(tǒng)檢測到縫制開始信號后，禁止OS_Ready( )程序，許可OS_Make_Up( )，由該程序根據(jù)預(yù)先確定的優(yōu)先級和時(shí)鐘脈沖，給步進(jìn)電機(jī)方向控制、X/Y軸步進(jìn)電機(jī)脈沖控制、伺服電機(jī)起動和停止、伺服電機(jī)加減速任務(wù)、抬壓腳電磁鐵動作、剪線電磁鐵動作等任務(wù)，發(fā)送運(yùn)行許可信息，調(diào)度跟縫制相關(guān)的各任務(wù)的執(zhí)行。當(dāng)縫制完成后，OS_Make_up( )將返回1，OS_System( )將禁止 OS_Make_Up( )程序運(yùn)行，許可OS_Ready( )程序運(yùn)行。

　　Ready狀態(tài)：在Ready按鍵處理后，OS_Sys-tern將許可OS_Ready( )程序，該程序?qū)⑹紫日{(diào)度和執(zhí)行OS- Ready_Init( )程序，完成讀取縫制圖案的數(shù)據(jù)，如圖案的針數(shù)、X軸和Y軸步進(jìn)電機(jī)在各縫制針數(shù)時(shí)的移動方向和步數(shù)，X軸和Y軸的縮放比例，伺服電機(jī)的速度等任務(wù)，根據(jù)各任務(wù)的執(zhí)行時(shí)序和預(yù)先確定的優(yōu)先級、時(shí)鐘脈沖等，為步進(jìn)電機(jī)方向控制、步進(jìn)電機(jī)脈沖控制和步進(jìn)電機(jī)細(xì)分設(shè)置任務(wù)等發(fā)送運(yùn)行請求信號。OS_Ready_Init( )執(zhí)行完成后，OS_Ready( )將調(diào)度和執(zhí)行OS_Ready_State( )程序，由該程序負(fù)責(zé)根據(jù)外部傳感器的狀態(tài)和鍵盤狀態(tài)，給抬壓腳控制，步進(jìn)電機(jī)方向控制、步進(jìn)電機(jī)脈沖控制、縫制狀態(tài)等任務(wù)發(fā)送運(yùn)行請求信號，完成抬壓腳動作、補(bǔ)針等功能。

　　參數(shù)設(shè)置和修改狀態(tài)：在OS_Ready_Request(系統(tǒng)Ready請求狀態(tài))、OS_Ready_State(系統(tǒng)Ready狀態(tài))和 OS_Makeup_Run_State(縫制狀態(tài))都為0時(shí)，OS_System( )將運(yùn)行OS_Parame-ter_Set( )程序，由該程序負(fù)責(zé)根據(jù)鍵盤的狀態(tài)參數(shù)設(shè)置的任務(wù)為發(fā)送參數(shù)設(shè)置請求信號。

　　本設(shè)計(jì)中的實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)，采用非強(qiáng)占式和強(qiáng)占式的分時(shí)操作系統(tǒng)方式，任務(wù)優(yōu)先級為1的任務(wù)在時(shí)鐘中斷時(shí)調(diào)用，為強(qiáng)占式方式，其他各任務(wù)都是在相應(yīng)的時(shí)鐘優(yōu)先級中斷信號為1時(shí)，根據(jù)任務(wù)的優(yōu)先級和任務(wù)的狀態(tài)進(jìn)行執(zhí)行，任務(wù)優(yōu)先級2～9的任務(wù)只能在當(dāng)前任務(wù)執(zhí)行完后，再選擇任務(wù)優(yōu)先級較高的任務(wù)進(jìn)行執(zhí)行，為非強(qiáng)占式。這樣做的主要目的是為了減少系統(tǒng)優(yōu)先級調(diào)度所需的時(shí)間，減少堆棧空間的需求，提高系統(tǒng)執(zhí)行的效率。

　　4 結(jié)論

　　由于本控制系統(tǒng)中，步進(jìn)電機(jī)的控制和剪線電磁鐵的動作，以及永磁伺服電機(jī)的矢量控制等，都要求較高的實(shí)時(shí)性，為此采用了兩個(gè)時(shí)鐘中斷的實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)設(shè)計(jì)方式，在仔細(xì)分析了所需完成的任務(wù)和功能的基礎(chǔ)上，采用了強(qiáng)占式和非強(qiáng)占式相結(jié)合的實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)方式，為每個(gè)不同的任務(wù)設(shè)置了相應(yīng)的時(shí)鐘優(yōu)先級，時(shí)間間隔和任務(wù)優(yōu)先級，根據(jù)時(shí)間間隔和各優(yōu)先級，以及各任務(wù)的狀態(tài)，調(diào)度和執(zhí)行各任務(wù)，使所設(shè)計(jì)的電子套接機(jī)達(dá)到了如下性能指標(biāo)：①縫紉速度 200～3000r/min，任意設(shè)置;②步進(jìn)電機(jī)最大步進(jìn)步數(shù)為50步;③縫制的X軸、y軸比例可任意設(shè)定;④直接永磁伺服電機(jī)驅(qū)動，縫制速度穩(wěn)定;⑤ 具有自動剪線功能，上電自動復(fù)位;⑥多種保護(hù)功能：停止位置保護(hù)，永磁伺服電機(jī)過電流/過電壓保護(hù)，永磁伺服電機(jī)失步保護(hù)，比例設(shè)置超限保護(hù)等;⑦縫紉結(jié)束，可靠地停止在設(shè)定的停針位置(可任意修改);⑧多種縫制花樣和縫制模式。

　　目前，該控制系統(tǒng)已完成500h的單機(jī)性能實(shí)驗(yàn)和小批量生產(chǎn)的試用工作，正在進(jìn)行批量化的生產(chǎn)準(zhǔn)備，該系統(tǒng)的進(jìn)一步設(shè)計(jì)和修改，可用到程序控制的電腦繡花機(jī)上。

　　總之，采用了自行設(shè)計(jì)的強(qiáng)占式和非強(qiáng)占式的實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)后，使系統(tǒng)中永磁伺服電機(jī)的轉(zhuǎn)速更加平穩(wěn)，也提高了縫紉的速度，滿足了系統(tǒng)實(shí)時(shí)性要求較高的需求，簡化了系統(tǒng)和軟件的設(shè)計(jì)，達(dá)到了較高的國際水平。