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(tǒng)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(shù)，使控制系統(tǒng)達到了較高的國際水平。

　　關鍵詞：電子套接機 實時操作系統(tǒng) 永磁伺服電機

　　1 引言

　　我國是服裝生產(chǎn)和加工大國，對縫制設備的需求逐年增加，2002年度生產(chǎn)工業(yè)縫紉機370多萬臺，2004年l～11月份生產(chǎn)工業(yè)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(yè)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(tǒng)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(tǒng)，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(chǎn)的電子套接機采用的是德國提供的伺服系統(tǒng)，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(fā)的永磁伺服電機和驅動器，研制出了具有自主知識產(chǎn)權電子套接機控制系統(tǒng)，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(tǒng)僅采用了一塊TMS320C2407作為控制系統(tǒng)，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(guī)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(tǒng)，為此本文采用了自行設計的實時操作系統(tǒng)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(shù)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(jù)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(jù)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(shù)的設置和縫制狀態(tài)的顯示。

　　3實時操作系統(tǒng)的軟件設計

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

　　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(jù)上述實現(xiàn)功能，劃分的任務如圖2所示。

　　3.2任務優(yōu)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(jù)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(jù)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(tǒng)才進入實時任務的處理之中。

　　優(yōu)先級任務1：優(yōu)先級任務1在時鐘中斷時執(zhí)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(yōu)先級為70μs任務的計時中斷，采用計時器2作為時間優(yōu)先級為15μs任務的計時中斷;其他各任務的優(yōu)先級，如圖2所示。

　　3.3任務的創(chuàng)建和調度

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

　　運行狀態(tài)：在Ready狀態(tài)后，當系統(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)預先確定的優(yōu)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(fā)送運行許可信息，調度跟縫制相關的各任務的執(zhí)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(tài)：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(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軸步進電機在各縫制針數(shù)時的移動方向和步數(shù)，X軸和Y軸的縮放比例，伺服電機的速度等任務，根據(jù)各任務的執(zhí)行時序和預先確定的優(yōu)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(fā)送運行請求信號。OS_Ready_Init( )執(zhí)行完成后，OS_Ready( )將調度和執(zhí)行OS_Ready_State( )程序，由該程序負責根據(jù)外部傳感器的狀態(tài)和鍵盤狀態(tài)，給抬壓腳控制，步進電機方向控制、步進電機脈沖控制、縫制狀態(tài)等任務發(fā)送運行請求信號，完成抬壓腳動作、補針等功能。

　　參數(shù)設置和修改狀態(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，OS_System( )將運行OS_Parame-ter_Set( )程序，由該程序負責根據(jù)鍵盤的狀態(tài)參數(shù)設置的任務為發(fā)送參數(shù)設置請求信號。

　　本設計中的實時操作系統(tǒng)，采用非強占式和強占式的分時操作系統(tǒng)方式，任務優(yōu)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(yōu)先級中斷信號為1時，根據(jù)任務的優(yōu)先級和任務的狀態(tài)進行執(zhí)行，任務優(yōu)先級2～9的任務只能在當前任務執(zhí)行完后，再選擇任務優(yōu)先級較高的任務進行執(zhí)行，為非強占式。這樣做的主要目的是為了減少系統(tǒng)優(yōu)先級調度所需的時間，減少堆棧空間的需求，提高系統(tǒng)執(zhí)行的效率。

　　4 結論

　　由于本控制系統(tǒng)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(tǒng)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(tǒng)方式，為每個不同的任務設置了相應的時鐘優(yōu)先級，時間間隔和任務優(yōu)先級，根據(jù)時間間隔和各優(yōu)先級，以及各任務的狀態(tài)，調度和執(zhí)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(shù)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(wěn)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(tǒng)已完成500h的單機性能實驗和小批量生產(chǎn)的試用工作，正在進行批量化的生產(chǎn)準備，該系統(tǒng)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(tǒng)后，使系統(tǒng)中永磁伺服電機的轉速更加平穩(wěn)，也提高了縫紉的速度，滿足了系統(tǒng)實時性要求較高的需求，簡化了系統(tǒng)和軟件的設計，達到了較高的國際水平。