Zusammenfassung: Dieser Artikel beschreibt die Anwendung eines eigens entwickelten Echtzeitbetriebssystems, das präemptives und nicht-präemptives Arbeiten in einer elektronischen Nähmaschine kombiniert. Dadurch wurden die Nähgeschwindigkeit und die Schrittzahl des Schrittmotors der Nähmaschine verbessert und das Steuerungssystem auf ein hohes internationales Niveau gebracht. Schlüsselwörter: Elektronische Nähmaschine, Echtzeitbetriebssystem, Permanentmagnet-Servomotor. 1 Einleitung. Mein Land ist ein bedeutendes Land in der Bekleidungsproduktion und -verarbeitung, und die Nachfrage nach Nähmaschinen steigt jährlich. Im Jahr 2002 wurden mehr als 3,7 Millionen Industrienähmaschinen produziert, und von Januar bis November 2004 waren es 4,69 Millionen. Zu den wichtigsten Maschinentypen gehören Ein- und Zweinadel-Flachbettnähmaschinen, Overlock-Nähmaschinen, Nähmaschinen, Knopfannähmaschinen, Knopflochmaschinen, Zickzack-Nähmaschinen, Coverlock-Nähmaschinen, Beutelverschließmaschinen und Stickmaschinen. Flachbettnähmaschinen machen über 90 % des Marktes für Industrienähmaschinen aus, der Rest entfällt auf Spezialmaschinen. Die Steuerungssysteme der meisten elektronischen Spleißmaschinen basieren auf ausländischer Technologie. Beispielsweise verwendet die HLK-03 der Shanghai Huigong Sewing Machine Factory ein Computersteuerungssystem der japanischen Mitsubishi Corporation, das von einem hochpräzisen Schrittmotor angetrieben wird und 16 Spleißmodi im Speicher ablegt. Die von der Dalian Garment Machinery Factory für die deutsche Marke Dürkopp Adler hergestellten elektronischen Spleißmaschinen nutzen ein Servosystem aus Deutschland, während die im Inland vertriebenen Maschinen mit Panasonic-Motoren ausgestattet sind. Dieser Beitrag präsentiert einen selbstentwickelten Permanentmagnet-Servomotor mit Treiber, der zu einem Steuerungssystem für eine elektronische Spleißmaschine mit eigenen Schutzrechten führt. Diese elektronische Spleißmaschine erreicht oder nähert sich den Leistungsspezifikationen ausländischer Prototypen an. Da das selbstentwickelte Servomotor-Steuerungssystem nur einen TMS320C2407 als Steuerungssystem verwendet, muss es den Servomotor, die Schrittmotoren der X- und Y-Achse sowie das externe Bedienfeld mit Display und Tastatur steuern. Herkömmliche Programmiermethoden reichen nicht aus, um diese Vielzahl von Aufgaben in Echtzeit zu bewältigen. Aufgrund der spezifischen Anforderungen an die Echtzeitfähigkeit lassen sich eingebettete Echtzeitbetriebssysteme wie UC/OS-II nicht portieren. Daher wird in dieser Arbeit ein eigens entwickeltes Echtzeitbetriebssystem zur Steuerung vorgestellt, das es der elektronischen Nähmaschine ermöglicht, verschiedene Muster mit einer Nähgeschwindigkeit von 200 bis 3000 Stichen zu nähen. 2. Hardware-Design: Der Steuerkern der elektronischen Nähmaschine basiert auf dem TI TMS320C2407 mit einer Taktfrequenz von 40 MHz. Ein externer 8-KB-EEPROM dient zum Speichern von Benutzerparametern und neu hinzugefügten Nähmustern. Das zugehörige Hardware-Blockdiagramm ist in Abbildung 1 dargestellt. Der TMS320C2407 positioniert den Permanentmagnet-Servomotor anhand des Nadelstangenpositionssensors und der anfänglichen Magnetfeldposition des Servomotors. Anschließend steuert er die Bewegung der Schrittmotoren der X- und Y-Achse entsprechend dem eingestellten Nähmuster und der Servomotorposition und regelt so die Funktion des Nähfuß-Elektromagneten und des Fadenabschneider-Elektromagneten. In Abbildung 1 werden das Encoder-Impulssignal und das Stromsensorsignal des Permanentmagnet-Servomotors hauptsächlich zur Steuerung der Magnetfeldausrichtung des Permanentmagnet-Servomotors verwendet. Die Display- und Tastatureinstellungen am Bedienfeld dienen der Parametereinstellung und der Anzeige des Nähstatus. 3. Softwareentwicklung des Echtzeitbetriebssystems: Basierend auf den Funktionalitäten und Hardware-Strukturmerkmalen der elektronischen Nähmaschine wurde ein eigens entwickeltes Echtzeitbetriebssystem implementiert. Die zu erledigenden Aufgaben wurden aufgeteilt, die Priorität jeder Aufgabe festgelegt und ein spezifisches Softwaresystem entwickelt. 3.1 Aufgabenaufteilung Die elektronische Nähmaschine muss die folgenden Aufgaben erfüllen: ① Bestimmung der anfänglichen Magnetfeldposition des Servomotors; ② Bestimmung der anfänglichen Position der Nadelstange; ③ Initialisierung des Nähmusters; ④ Steuerung der Magnetfeldausrichtung des Servomotors; ⑤ Steuerung von Beschleunigung, Verzögerung und Geschwindigkeit des Servomotors; ⑥ Steuerung der Schrittmotorrichtung; ⑦ Schrittmotorimpuls; ⑧ Einlesen der externen Tastatur; ⑨ Verarbeitung der externen Tastatur. ⑩ Aktualisierung des externen Displays; ⑪ Auslesen des Nähfußsensorsignals, des Nähfußsteuersignals und des Nähstartsignals; ⑫ Verarbeitung des Nähstartsignals; ⑫ Steuerung des Nähfußes; ⑫ Steuerung des Fadenabschneiders; ⑫ Fehlerdiagnose. Basierend auf den oben genannten Funktionen sind die Aufgaben wie in Abbildung 2 dargestellt unterteilt. 3.2 Festlegung der Aufgabenpriorität: Initialaufgaben: Beim Einschalten der elektronischen Spleißmaschine muss die Stoppposition der Nadelstange anhand des Nadelstangenpositionssensors ermittelt werden. Der Permanentmagnet-Servomotor ermittelt ebenfalls seine anfängliche Magnetfeldposition anhand des Nadelstangenpositionssensors. Daher werden die Aufgaben ① und ② als Initialaufgaben festgelegt. Erst nach Abschluss der Initialaufgaben beginnt das System mit der Verarbeitung der Echtzeitaufgaben. Prioritätsaufgabe 1: Prioritätsaufgabe 1 wird während einer Taktunterbrechung ausgeführt. Sie umfasst die Vektorsteuerung des Permanentmagnet-Servomotors und ein Taktunterbrechungsflag. In dieser Konstruktion dient Timer 1 der Vektorsteuerung des Servomotors und der zeitgesteuerten Unterbrechung einer Aufgabe mit einer Zeitpriorität von 70 µs. Timer 2 dient der zeitgesteuerten Unterbrechung einer Aufgabe mit einer Zeitpriorität von 15 µs. Die Prioritäten der übrigen Aufgaben sind in Abbildung 2 dargestellt. 3.3 Aufgabenerstellung und -planung Der Zustand der elektronischen Nähmaschine lässt sich in die Zustände „Laufend“, „Bereit“, „Parametereinstellung“ und „Änderung“ unterteilen. Die Aufgabe OS_Sys_tem() erstellt, löscht und plant die Ausführung jeder Aufgabe. Laufzustand: Nach dem Zustand „Bereit“ wird, sobald das System das Nähstartsignal erkennt, das Programm OS_Ready() deaktiviert und OS_Make_Up() aktiviert. Dieses Programm sendet Ausführungsberechtigungen an Aufgaben wie die Richtungssteuerung des Schrittmotors, die Impulssteuerung der X/Y-Achse des Schrittmotors, das Starten und Stoppen des Servomotors, das Beschleunigen und Verzögern des Servomotors, die Elektromagnetaktion des Nähfußes und die Elektromagnetaktion des Fadenabschneiders gemäß der vordefinierten Priorität und dem Taktimpuls und plant die Ausführung jeder nähbezogenen Aufgabe. Sobald der Nähvorgang abgeschlossen ist, gibt OS_Make_up() den Wert 1 zurück, woraufhin OS_System() das Programm OS_Make_Up() deaktiviert und das Programm OS_Ready() aktiviert. Bereitschaftszustand: Nach dem Drücken der Schaltfläche „Bereit“ aktiviert OS_System das Programm OS_Ready(). Dieses Programm plant und führt zunächst das Programm OS-Ready_Init() aus, um die Nähmusterdaten zu lesen, z. B. die Anzahl der Stiche, die Bewegungsrichtung und die Schrittzahl der X- und Y-Achsen-Schrittmotoren pro Stich, das Skalierungsverhältnis der X- und Y-Achse, die Drehzahl der Servomotoren usw. Basierend auf der Ausführungsreihenfolge der einzelnen Aufgaben und der vordefinierten Priorität, Taktimpulsen usw. sendet es Ausführungsanforderungen für Aufgaben wie die Steuerung der Schrittmotorrichtung, die Schrittmotorimpulssteuerung und die Mikroschritteinstellungen der Schrittmotoren. Nach der Ausführung von OS_Ready_Init() plant und führt OS_Ready() das Programm OS_Ready_State() aus. Dieses Programm sendet Ausführungsanforderungen an Aufgaben wie die Steuerung des Nähfußes, die Ansteuerung der Schrittmotorrichtung, die Schrittmotorimpulssteuerung und den Nähstatus, basierend auf dem Status externer Sensoren und der Tastatur. Dadurch werden Funktionen wie das Anheben des Nähfußes und der Stichwechsel ausgeführt. Parametereinstellung und -änderung: Wenn OS_Ready_Request (Systembereitschaftsanforderung), OS_Ready_State (Systembereitschaftsstatus) und OS_Makeup_Run_State (Nähstatus) alle 0 sind, führt OS_System() das Programm OS_Parameter_Set() aus. Dieses Programm sendet Anforderungssignale für die Parametereinstellung an Aufgaben, basierend auf den Parametereinstellungen über die Tastatur. Das Echtzeitbetriebssystem dieses Designs verwendet ein Time-Sharing-Verfahren, das präemptive und nicht-präemptive Methoden kombiniert. Aufgaben mit Priorität 1 werden während Taktunterbrechungen aufgerufen (präemptiver Modus). Andere Aufgaben werden prioritäts- und statusabhängig ausgeführt, sobald das entsprechende Taktprioritäts-Interruptsignal den Wert 1 erreicht. Aufgaben mit den Prioritäten 2–9 können erst nach Abschluss der aktuellen Aufgabe ausgeführt werden, wobei eine Aufgabe mit höherer Priorität zur Ausführung ausgewählt wird (nicht-präemptiver Modus). Ziel dieses Ansatzes ist es, den Zeitaufwand für die Prioritätsplanung im System zu reduzieren, den Speicherplatzbedarf im Stack zu senken und die Systemausführungseffizienz zu verbessern. 4. Fazit: Da die Steuerung des Schrittmotors, die Bewegung des Drahtschneid-Elektromagneten und die Vektorsteuerung des Permanentmagnet-Servomotors in diesem Steuerungssystem hohe Echtzeitfähigkeit erfordern, wurde ein Echtzeitbetriebssystem mit zwei Taktinterrupts entwickelt. Nach sorgfältiger Analyse der auszuführenden Aufgaben und Funktionen wurde ein Echtzeitbetriebssystem eingesetzt, das präemptive und nicht-präemptive Methoden kombiniert. Für jede Aufgabe wurden entsprechende Taktprioritäten, Zeitintervalle und Aufgabenprioritäten festgelegt. Basierend auf Zeitintervallen, Prioritäten und Aufgabenstatus werden Aufgaben geplant und ausgeführt, wodurch die entwickelte elektronische Steckverbindungsmaschine folgende Leistungsmerkmale erreicht: ① Nähgeschwindigkeit von 200–3000 U/min, frei einstellbar; ② Maximale Schrittgeschwindigkeit von 50 Schritten für den Schrittmotor; ③ Frei einstellbare X- und Y-Achsenverhältnisse für das Nähen; ④ Direkter Permanentmagnet-Servomotorantrieb für eine stabile Nähgeschwindigkeit; ⑤ Automatische Fadenabschneidefunktion mit automatischer Rückstellung beim Einschalten; ⑥ Umfassende Schutzfunktionen: Schutz vor Positionsstopp, Überstrom-/Überspannungsschutz des Permanentmagnet-Servomotors, Schutz vor Schrittverlust des Permanentmagnet-Servomotors und Schutz vor Überschreitung der eingestellten Verhältnisgrenzen; ⑦ Zuverlässiger Stopp an der eingestellten Nadelstoppposition nach Abschluss des Nähvorgangs (frei veränderbar); ⑧ Mehrere Nähmuster und Nähmodi. Das Steuerungssystem hat derzeit 500 Stunden Einzelmaschinentests und Kleinserienversuche erfolgreich absolviert und wird für die Serienproduktion vorbereitet. Die Weiterentwicklung und Modifizierung dieses Systems ermöglicht dessen Einsatz auf programmgesteuerten, computergesteuerten Stickmaschinen. Zusammenfassend lässt sich sagen, dass die Verwendung eines eigens entwickelten präemptiven und nicht-präemptiven Echtzeitbetriebssystems zu stabileren Drehzahlen der Permanentmagnet-Servomotoren, einer höheren Nähgeschwindigkeit, der Erfüllung der hohen Echtzeitanforderungen des Systems, einer vereinfachten System- und Softwareentwicklung sowie zur Erreichung eines hohen internationalen Standards geführt hat.