基于實時操作系統電子套接機控制系統

　　摘要：詳細介紹了基于自行設計的強占式和非強占式相結合的實時操作系統在電子套接機中的應用，提高了電子套接機的縫紉速度和步進電機的步進步數，使控制系統達到了較高的國際水平。

　　關鍵詞：電子套接機 實時操作系統 永磁伺服電機

　　1 引言

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

　　本文采用了自主開發的永磁伺服電機和驅動器，研制出了具有自主知識產權電子套接機控制系統，該電子套接機達到或接近國外樣機的性能指標。由于采用自行設計的伺服電機控制系統僅采用了一塊TMS320C2407作為控制系統，其需要完成伺服電機的控制，X，Y軸步進電動機控制，以及外部操作面板的顯示和鍵盤接口，采用常規的編程方式難以實時完成如此多的任務，并且由于實時性要求較強的特定，不能移植像UC/OSⅡ這樣的嵌入式實時操作系統，為此本文采用了自行設計的實時操作系統的控制方式，達到了電子套接機可在200～3000針的縫紉速度下縫制出多種花樣。

　　2.硬件設計

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

　　TMS320C2407需要根據針桿位置傳感器對永磁伺服電動機的初始磁場位置和針桿傳感器進行定位，根據設置的縫制圖案和伺服電動機的位置控制X軸、Y軸步進電機的移動，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的電流傳感器信號主要用于對永磁伺服電機的磁場定向控制。控制面板上的顯示和鍵盤設置用于參數的設置和縫制狀態的顯示。

　　3實時操作系統的軟件設計

　　根據電子套接機的實現功能和硬件的結構特點，采用了自行設計的實時操作系統，對所需完成的任務進行了分割，確定了各個任務的優先級，編制了特定的軟件系統。

　　3.1任務的分割

　　電子套接機需要完成如下任務，①伺服電動機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伺服電機磁場定向控制;⑤伺服電機的加、減速和速度控制;⑥步進電機的方向控制;⑦步進電機的步進脈沖;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。

　　根據上述實現功能，劃分的任務如圖2所示。

　　3.2任務優先級的確定

　　初始任務：電子套接機中，初始上電時，套接機需要根據針桿位置的傳感器，確定針桿的停針位置，永磁伺服電機也根據針桿位置傳感器確定其初始磁場位置，故將任務①和任務②確定為初始任務，在初始任務完成后，系統才進入實時任務的處理之中。

　　優先級任務1：優先級任務1在時鐘中斷時執行，其包括永磁伺服電機控制矢量控制，時鐘中斷標志，本設計中采用計時器1用于伺服電機矢量的控制和時間優先級為70μs任務的計時中斷，采用計時器2作為時間優先級為15μs任務的計時中斷;其他各任務的優先級，如圖2所示。

　　3.3任務的創建和調度

　　電子套接機的狀態可以分為運行狀態、Ready狀態、參數設置和修改狀態，由OS_Sys-tem( )任務創建、刪除和調度各任務。

　　運行狀態：在Ready狀態后，當系統檢測到縫制開始信號后，禁止OS_Ready( )程序，許可OS_Make_Up( )，由該程序根據預先確定的優先級和時鐘脈沖，給步進電機方向控制、X/Y軸步進電機脈沖控制、伺服電機起動和停止、伺服電機加減速任務、抬壓腳電磁鐵動作、剪線電磁鐵動作等任務，發送運行許可信息，調度跟縫制相關的各任務的執行。當縫制完成后，OS_Make_up( )將返回1，OS_System( )將禁止 OS_Make_Up( )程序運行，許可OS_Ready( )程序運行。

　　Ready狀態：在Ready按鍵處理后，OS_Sys-tern將許可OS_Ready( )程序，該程序將首先調度和執行OS- Ready_Init( )程序，完成讀取縫制圖案的數據，如圖案的針數、X軸和Y軸步進電機在各縫制針數時的移動方向和步數，X軸和Y軸的縮放比例，伺服電機的速度等任務，根據各任務的執行時序和預先確定的優先級、時鐘脈沖等，為步進電機方向控制、步進電機脈沖控制和步進電機細分設置任務等發送運行請求信號。OS_Ready_Init( )執行完成后，OS_Ready( )將調度和執行OS_Ready_State( )程序，由該程序負責根據外部傳感器的狀態和鍵盤狀態，給抬壓腳控制，步進電機方向控制、步進電機脈沖控制、縫制狀態等任務發送運行請求信號，完成抬壓腳動作、補針等功能。

　　參數設置和修改狀態：在OS_Ready_Request(系統Ready請求狀態)、OS_Ready_State(系統Ready狀態)和 OS_Makeup_Run_State(縫制狀態)都為0時，OS_System( )將運行OS_Parame-ter_Set( )程序，由該程序負責根據鍵盤的狀態參數設置的任務為發送參數設置請求信號。

　　本設計中的實時操作系統，采用非強占式和強占式的分時操作系統方式，任務優先級為1的任務在時鐘中斷時調用，為強占式方式，其他各任務都是在相應的時鐘優先級中斷信號為1時，根據任務的優先級和任務的狀態進行執行，任務優先級2～9的任務只能在當前任務執行完后，再選擇任務優先級較高的任務進行執行，為非強占式。這樣做的主要目的是為了減少系統優先級調度所需的時間，減少堆棧空間的需求，提高系統執行的效率。

　　4 結論

　　由于本控制系統中，步進電機的控制和剪線電磁鐵的動作，以及永磁伺服電機的矢量控制等，都要求較高的實時性，為此采用了兩個時鐘中斷的實時操作系統設計方式，在仔細分析了所需完成的任務和功能的基礎上，采用了強占式和非強占式相結合的實時操作系統方式，為每個不同的任務設置了相應的時鐘優先級，時間間隔和任務優先級，根據時間間隔和各優先級，以及各任務的狀態，調度和執行各任務，使所設計的電子套接機達到了如下性能指標：①縫紉速度 200～3000r/min，任意設置;②步進電機最大步進步數為50步;③縫制的X軸、y軸比例可任意設定;④直接永磁伺服電機驅動，縫制速度穩定;⑤ 具有自動剪線功能，上電自動復位;⑥多種保護功能：停止位置保護，永磁伺服電機過電流/過電壓保護，永磁伺服電機失步保護，比例設置超限保護等;⑦縫紉結束，可靠地停止在設定的停針位置(可任意修改);⑧多種縫制花樣和縫制模式。

　　目前，該控制系統已完成500h的單機性能實驗和小批量生產的試用工作，正在進行批量化的生產準備，該系統的進一步設計和修改，可用到程序控制的電腦繡花機上。

　　總之，采用了自行設計的強占式和非強占式的實時操作系統后，使系統中永磁伺服電機的轉速更加平穩，也提高了縫紉的速度，滿足了系統實時性要求較高的需求，簡化了系統和軟件的設計，達到了較高的國際水平。