電腦縫紉機的“芯”——電控系統(tǒng)之技術(shù)

1、電腦縫紉機的“芯”電控系統(tǒng)之技術(shù)中國縫紉機網(wǎng)現(xiàn)在開始多談機電一體化縫紉機了，它能夠完成機械縫紉機無法完成的功能，比如縫紉機中的自動停針位、自動剪線、自動撥線、自動計數(shù)、自動加固縫等功能，繡花中的自動縫繡、自動換色線、慢速啟動、鏡像變換、花樣縮放、花樣旋轉(zhuǎn)等功能;先進的機電一體化縫紉機可以根據(jù)縫制過程中條件的變化，再檢測和反饋后自動進行設(shè)定的縫制工作，實現(xiàn)激光或紅外衣片定位、自動縫邊、厚薄縫料縫線張力自動調(diào)整、自動變速、自動變轉(zhuǎn)矩、自動補針、人機對話用戶編程、縫紉過程實時跟蹤等等;它還可以在一臺機電一體化縫紉機上完成若干臺機械式縫紉機才能完成的工作;它能夠在電腦控制環(huán)境下，省下原來需要由機械機構(gòu)

2、實施控制的許多零部件;它的自動化程度高，可以大大減少工人操作。人們已經(jīng)開始越發(fā)深入地了解和認(rèn)識機電一體化縫紉機，它的刺布、挑線、勾線、送料等執(zhí)行部件仍沿用原機械機構(gòu)，而控制方面則采用電子或微電腦系統(tǒng)。電子和微電腦系統(tǒng)的一般的區(qū)分是：含有編程和CPU處理的控制系統(tǒng)稱為微機控制或電腦控制系統(tǒng)，無編程和CPU處理的稱為電子控制系統(tǒng)，其中電子控制技術(shù)較為簡單。從控制內(nèi)容的廣度來區(qū)分又可分為單機電腦控制和縫制單元(縫紉組合)電腦控制兩大類，后者智能化、自動化程度更高。1.電控系統(tǒng)構(gòu)成控制系統(tǒng)是帶電控裝置縫紉機的關(guān)鍵部位。它一般由控制主體、控制客體以及傳感部位等組成，具體包括控制箱(控制器、驅(qū)動器)、電機

3、和電磁鐵、傳感器以及一些輔助元件。這些部分與縫紉機機械部件的配合、連動促成了縫紉機的自動化作業(yè)。如同強勁計算機的“芯”一樣，縫紉機電控系統(tǒng)開發(fā)商們通過不斷地努力強勁縫紉機的“芯”，增強機械的自動化能力。電控系統(tǒng)的控制部分主要控制電機、電磁鐵等兩個部件的驅(qū)動運行。首先來看控制器，其作用在于控制縫紉機完成不同的線跡。它的功能隨縫紉機的種類不同而不同，主要分為兩類：一類控制單臺電機即主驅(qū)動電機的運動，借助電磁鐵完成其它的輔助功能，如撥線、剪線、松線、前后加固、抬壓腳，對應(yīng)的縫紉機有單針、雙針平縫機，包縫機，繃縫機;另一類控制多臺電機的協(xié)調(diào)動作，如繡花機、套結(jié)機、釘扣機、鎖眼機、花樣機，還有控制針桿擺

4、動的曲折縫縫紉機，等等。各類控制器的硬件主要由操作者輸入?yún)?shù)的旋鈕、按鍵，顯示工作參數(shù)的數(shù)碼管、液晶顯示器，對操作命令、傳感器信號、執(zhí)行機構(gòu)(電機、電磁鐵)進行運算、判斷、控制的微控制器組成，硬件通用性強;控制器的軟件則隨不同的縫紉機而異。然后再看驅(qū)動器，它是電控系統(tǒng)的核心，其硬件由功率電子器件和集成電路等構(gòu)成。它將控制信號轉(zhuǎn)變成執(zhí)行機構(gòu)的驅(qū)動信號，起著橋梁作用。驅(qū)動器在整個控制環(huán)節(jié)中，正好處于“主控制箱-驅(qū)動器-馬達”的中間環(huán)節(jié)，主要任務(wù)是接收來自主控制箱的信號，然后對信號進行處理再轉(zhuǎn)移至馬達以及和馬達有關(guān)的感應(yīng)器，并且將馬達的工作情況反饋至主控制箱。驅(qū)動器的功能是接收電動機的啟動、停止、制

5、動信號，以控制電動機的啟動、停止和制動;接收位置傳感器信號和正反轉(zhuǎn)信號，用來控制逆變橋各功率管的通斷，產(chǎn)生連續(xù)轉(zhuǎn)矩;接收速度指令和速度反饋信號，用來控制和調(diào)整轉(zhuǎn)速;提供保護和顯示等。驅(qū)動器的軟件則取決于不同種類的電機。與控制器類似，驅(qū)動器的硬件具有可移植性，相同功率的不同種類的電機可兼用。用于帶電控裝置縫紉機的馬達(電機)主要有電子馬達、調(diào)頻馬達(變頻馬達)、直流無刷電機和永磁同步伺服電機等等。此外，電磁鐵作為執(zhí)行元件可以完成縫紉機的輔助功能，其功能參數(shù)、響應(yīng)過程對剪線速度、前后加固速度及線跡的美觀至關(guān)重要。2.電控系統(tǒng)中的電機特點伺服電機是在伺服系統(tǒng)中控制機械元件運轉(zhuǎn)的發(fā)動機，是一種輔助馬達

6、間接變速裝置。伺服電機是可以連續(xù)旋轉(zhuǎn)的“電-機械”轉(zhuǎn)換器，它可準(zhǔn)確控制速度、位置、精度。就縫紉機電控系統(tǒng)控制技術(shù)來看，其技術(shù)的發(fā)展往往圍繞馬達(電機)技術(shù)的發(fā)展而變，不同的電控箱，應(yīng)該配備對應(yīng)的馬達，比如適合于電子馬達的電控箱就不能用于伺服馬達。這也提醒縫紉機使用者在打算更換電腦控制系統(tǒng)時，要考慮能否與該機器的馬達搭配的系統(tǒng)。一般伺服電機，分為直流伺服電機和交流伺服電機。由于交流和直流可以用英文標(biāo)識為AC、DC，因此交流伺服即AC伺服，DC就是直流伺服。直流伺服電機分為有刷和無刷電機。有刷電機成本低，結(jié)構(gòu)簡單，啟動轉(zhuǎn)矩大，調(diào)速范圍寬，控制容易，需要維護但維護方便(換碳刷)，它會產(chǎn)生電磁干擾，對

7、環(huán)境有要求，因此它可以用于對成本敏感的普通工業(yè)和民用場合。無刷電機體積小，重量輕，出力大，響應(yīng)快，速度高，慣量小，轉(zhuǎn)動平滑，力矩穩(wěn)定?？刂茝?fù)雜，容易實現(xiàn)智能化，其電子換相方式靈活，可以方波換相或正弦波換相，其電機效率高，運行溫度低，電磁輻射很小，長壽命，可適用各種環(huán)境。進一步看，無刷直流電動機是以自控式運行的，它要求將方波電流直入定子繞組，所以不會像變頻調(diào)速下重載啟動的同步電機那樣在轉(zhuǎn)子上另加啟動繞組，也不會在負(fù)載突變時產(chǎn)生振蕩和失步。無刷直流電機具有直流有刷電機的特性，同時也是頻率變化的裝置，所以又名直流變頻，國際通用名詞為BLDC。直流電機伺服系統(tǒng)以其優(yōu)良的性能被廣泛地應(yīng)用于位置隨動系統(tǒng)中

8、，但結(jié)構(gòu)復(fù)雜，在超低速時死區(qū)矛盾突出，并且換向刷會帶來噪聲和維護保養(yǎng)問題。交流伺服電機也是無刷電機，分為同步和異步電機，目前運動控制中一般都用同步電機，它的功率范圍大，可以做到很大的功率。大慣量，最高轉(zhuǎn)動速度低，且隨著功率增大而快速降低，因而同步電機適合低速平穩(wěn)運行的應(yīng)用。交流伺服電機和無刷直流伺服電機相比，交流伺服要好一些，因為是正弦波控制，轉(zhuǎn)矩脈動小，而直流伺服是梯形波，比較簡單，便宜。在交流同步伺服驅(qū)動系統(tǒng)中，普通應(yīng)用有三相永磁同步電動機。新型的永磁交流伺服電機發(fā)展迅速，尤其是從方波控制發(fā)展到正弦波控制后，系統(tǒng)性能更好，它調(diào)速范圍寬，尤其是低速性能優(yōu)越。到目前為止，高性能的電控伺服系統(tǒng)大

9、多采用永磁同步型交流伺服電動機，控制驅(qū)動器多采用快速、準(zhǔn)確定位的全數(shù)字位置伺服系統(tǒng)。永磁交流伺服電動機同直流伺服電動機比較，主要優(yōu)點有：無電刷和換向器，因此工作可靠，對維護和保養(yǎng)要求低;定子繞組散熱比較方便;慣量小，易于提高系統(tǒng)的快速性;適應(yīng)于高速大力矩工作狀態(tài);同功率下有較小的體積和重量。電控式縫紉機大多配備交流伺服系統(tǒng)。早在20世紀(jì)70年代，小慣量的直流伺服電機已經(jīng)實用化了。到了20世紀(jì)70年代末期交流伺服系統(tǒng)開始發(fā)展并逐步實用化，AC伺服電機的應(yīng)用越來越廣，并且還有取代DC伺服系統(tǒng)的趨勢成為電氣伺服系統(tǒng)的主流?，F(xiàn)在，投身永磁同步伺服電機及驅(qū)動器開發(fā)的專業(yè)制造企業(yè)增多，這是縫紉機電控系統(tǒng)裝

10、置開發(fā)的突破點之一。3.電控系統(tǒng)有關(guān)補充按照研制開發(fā)的技術(shù)難度來看，電控系統(tǒng)中難度從低到高依次為：控制器、馬達(電機)和驅(qū)動器?？刂破鞯膬r格最低、技術(shù)最成熟，其構(gòu)成與市場的單片機應(yīng)用系統(tǒng)相似;馬達(電機)從電子馬達發(fā)展到變頻馬達，再發(fā)展到現(xiàn)在作為主流趨勢的伺服馬達;驅(qū)動器技術(shù)難度最大，一則在于復(fù)雜的電機模型難以在傳統(tǒng)的單片機上實現(xiàn)，二是功率電子器件的可靠性及系統(tǒng)設(shè)計水平要求高，隨著數(shù)字信號處理器(DSP)和專用智能功率模塊(ASIPM)的發(fā)展，其難度開始降低。從縫紉機電控系統(tǒng)來說，伺服控制系統(tǒng)代表著先進方向。談到電腦平縫機等機電一體化縫紉機時，有兩個詞的出現(xiàn)頻率很高：直驅(qū)、伺服。直驅(qū)對應(yīng)非直驅(qū)

11、，是一種傳動方式，主要區(qū)別于過去的皮帶傳動方式。不管是直驅(qū)還是非直驅(qū)都可以使用同一種電控系統(tǒng)裝置。從外觀來看，直驅(qū)馬達置于機頭內(nèi)部，通過直驅(qū)技術(shù)完成作業(yè)。直驅(qū)是新型電機直接與運動執(zhí)行部件結(jié)合，電機直接驅(qū)動機器運轉(zhuǎn)，沒有中間的機械傳動環(huán)節(jié)。直驅(qū)技術(shù)具有傳統(tǒng)傳動技術(shù)無法比的優(yōu)越性。從速度上看，傳統(tǒng)運動可實現(xiàn)15m/min的直線運動速度和每分鐘十幾到幾十轉(zhuǎn)的分度速度。直驅(qū)技術(shù)應(yīng)用后的直線運動速度可以提升到150m/min以上，轉(zhuǎn)臺轉(zhuǎn)速可以達到每分鐘幾百轉(zhuǎn);從精度上看，傳統(tǒng)傳動大多只能實現(xiàn)幾百分之一毫米或角分級的靈敏度，而直驅(qū)技術(shù)可以在設(shè)備上輕松地實現(xiàn)幾千分之一毫米或角秒級的靈敏度，直驅(qū)可以提升設(shè)備的

12、綜合精度;從設(shè)備使用壽命方面看，直驅(qū)技術(shù)減少機械傳動零件，節(jié)約零件的原材料和制造成本。伺服系統(tǒng)是使物體的位置、方位、狀態(tài)等輸出被控量能夠跟隨輸入目標(biāo)(或給定值)的任意變化的自動控制系統(tǒng)，主要任務(wù)是按控制命令輸入目標(biāo)的要求，對功率進行放大、變換與調(diào)控等處理，使驅(qū)動裝置輸出的力矩、速度和位置控制靈活方便?，F(xiàn)在的縫紉機用伺服變速系統(tǒng)使用的是閉環(huán)伺服控制方式，使用伺服電動機做執(zhí)行動力源，即轉(zhuǎn)子的機械運動受輸入電信控制做快速反應(yīng)的電動機，伺服閉環(huán)組合控制的特點在于反應(yīng)快、定位準(zhǔn)確、可控性強。實現(xiàn)方法即是控制電路與執(zhí)行機構(gòu)中存在反饋回路，控制電路將根據(jù)輸入反饋信號的實時狀態(tài)進行相應(yīng)的操作。只有滿足預(yù)先設(shè)定的條件后，控制電路才發(fā)送相應(yīng)的操作指令