交流永磁同步伺服電機(jī)在工業(yè)縫紉機(jī)中的應(yīng)用

隨著制衣工業(yè)的規(guī)模化發(fā)展, 工業(yè)縫紉機(jī)發(fā)展迅猛, 每年生產(chǎn)工業(yè)用縫紉機(jī)在幾百萬臺(tái), 主要機(jī)型有單針、雙針平縫機(jī)、包縫機(jī)、套結(jié)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)[3]。從現(xiàn)有的情況, 除繡花機(jī)外, 其它種類的縫紉機(jī)仍然屬于機(jī)械類產(chǎn)品為主, 這已遠(yuǎn)遠(yuǎn)不能滿足規(guī)模化發(fā)展的制衣業(yè)的要求。為了提高縫制效率和質(zhì)量, 都希望縫紉機(jī)具備自動(dòng)剪線、自動(dòng)松線、自動(dòng)返縫、自動(dòng)撥線和自動(dòng)抬壓腳等功能, 而傳統(tǒng)的工業(yè)縫紉機(jī), 主軸驅(qū)動(dòng)大多采用離合器電機(jī), 其它功能都靠機(jī)械配合或人工完成, 存在效率低, 體積大, 調(diào)速范圍窄, 位置控制難, 造成縫紉機(jī)的功能單一, 自動(dòng)化程度低。為此, 80年代開始, 國外開始研究工業(yè)縫紉機(jī)用交流伺服電動(dòng)機(jī)系統(tǒng)。在此基礎(chǔ)上完成其它自動(dòng)功能。1986年以來,德國的杜克普/阿德勒（DURKOOP/ALDER）、日本的重機(jī)（JUKI）、日本的三菱（MITSUBISHI）、日本的兄弟（BROTHER）等均已推出了其相應(yīng)產(chǎn)品, 將交流伺服電動(dòng)機(jī)運(yùn)用到各類工業(yè)縫紉機(jī)中, 實(shí)現(xiàn)了工業(yè)縫紉機(jī)的電子化, 并以每年12%的遞增速度替代原有的離合器電機(jī)等傳統(tǒng)電機(jī)。我國目前也有多家單位正在研究機(jī)電一體化、數(shù)字化工業(yè)縫紉機(jī), 還處于樣機(jī)試制和小批量生產(chǎn)階段, 在2003年的工業(yè)縫紉機(jī)展覽會(huì)上, 工業(yè)縫紉機(jī)仍是國外或獨(dú)資、合資產(chǎn)品唱主角, 隨著服裝加工企業(yè)的規(guī)模化經(jīng)營, 服裝產(chǎn)品的檔次提升, 加工企業(yè)對縫紉機(jī)的需求多樣化, 國內(nèi)企業(yè)正在加大力度研制開發(fā), 在2004年的工業(yè)縫紉機(jī)展覽會(huì)上會(huì)有更多的數(shù)字化產(chǎn)品。

1 電氣控制系統(tǒng)

縫紉機(jī)電氣系統(tǒng)包括控制器、驅(qū)動(dòng)器、電機(jī)和電磁鐵, 如圖1所示。
控制器又稱為模式盒控制縫紉機(jī)完成不同的線跡, 它的功能隨縫紉機(jī)的種類不同而不同,主要分為兩類, 一類是控制單臺(tái)電機(jī)即主驅(qū)動(dòng)電機(jī)的運(yùn)動(dòng), 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(jī)有單針、雙針平縫機(jī)、包縫機(jī)、繃縫機(jī)、封包機(jī)。另一類則控制多臺(tái)電機(jī)的協(xié)調(diào)動(dòng)作,如繡花機(jī)、套結(jié)機(jī)、釘扣機(jī)、鎖眼機(jī), 還有控制針桿復(fù)合運(yùn)動(dòng)的曲折縫縫紉機(jī)。雖然這些控制器功能各異, 但硬件構(gòu)成卻基本相同。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(jī)構(gòu)（電機(jī)、電磁鐵）進(jìn)行運(yùn)算、判斷、控制的微控制器組成。硬件通用性強(qiáng), 軟件則隨不同的縫紉機(jī)而異。 驅(qū)動(dòng)器是電氣系統(tǒng)的核心, 它將控制信號轉(zhuǎn)變成執(zhí)行機(jī)構(gòu)的驅(qū)動(dòng)信號,起著橋梁的作用。同樣也由硬件和軟件構(gòu)成。硬件除了微控制器及其它集成電路外, 還有功率器件構(gòu)成, 軟件則取決于不同種類的電機(jī)。與控制器類似, 驅(qū)動(dòng)器的硬件具有可移植性, 相同功率的不同種類的電機(jī)可兼用。用于縫紉機(jī)的電機(jī)主要有感應(yīng)電機(jī)、步進(jìn)電機(jī)和永磁同步伺服電機(jī)。功率范圍從400W到1500W，zui高轉(zhuǎn)速從每分鐘數(shù)百轉(zhuǎn)到9000轉(zhuǎn)[2]。

電磁鐵作為電氣系統(tǒng)的一部分, 也應(yīng)充分重視。 諸如上述提及的輔助功能, 都由電磁鐵作為執(zhí)行元件完成的。電磁鐵的力能參數(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 電氣系統(tǒng)的開發(fā)

目前我國市場上還沒有自己生產(chǎn)的成熟伺服產(chǎn)品, 進(jìn)口的伺服產(chǎn)品價(jià)格高昂, 無法形成配套能力, 必須自主開發(fā)。構(gòu)成電氣系統(tǒng)的三部分依研制開發(fā)的技術(shù)難度從低到高依次為:控制器、電機(jī)和驅(qū)動(dòng)器。

（1） 控制器

三部分中、技術(shù)zui成熟、實(shí)現(xiàn)zui容易、見效zui快。其構(gòu)成與市場上存在多年的單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)相似, 具有借鑒作用。

（2） 電機(jī)

以上種類的電機(jī)中, 感應(yīng)電機(jī)技術(shù)zui成熟, 但目前產(chǎn)品中仍沿用傳統(tǒng)的電磁滑差調(diào)速方法。電機(jī)經(jīng)過改進(jìn)和優(yōu)化設(shè)計(jì),可用變頻器替代機(jī)械離合器調(diào)速。步進(jìn)電機(jī)經(jīng)過十多年的發(fā)展已趨成熟, 用在高速而且頻繁起停的情況下, 動(dòng)態(tài)響應(yīng)性能需提高。永磁同步伺服電機(jī)已進(jìn)入發(fā)展期, 愈來愈引起工業(yè)界的重視。單從電機(jī)本身來看, 國內(nèi)廠家*具備與國外廠家競爭的能力, 如設(shè)計(jì)能力、價(jià)格水平、制造工藝等。

（3） 驅(qū)動(dòng)器

驅(qū)動(dòng)器是制約電氣系統(tǒng)產(chǎn)業(yè)化的瓶頸, 主要技術(shù)原因有兩部分:

一是復(fù)雜準(zhǔn)確的電機(jī)模型難以在傳統(tǒng)的單片機(jī)上實(shí)現(xiàn);

二是功率電子器件的可靠性及系統(tǒng)設(shè)計(jì)水平低下, 由于近年數(shù)字信號處理器（DSP）和智能功率模塊（ASIPM）的發(fā)展, 難度大大降低。

從縫紉機(jī)的性能要求和市場發(fā)展方向來看, 永磁同步伺服電機(jī)及驅(qū)動(dòng)器起著至關(guān)重要的作用, 是電氣系統(tǒng)中技術(shù)難度zui高的部分, 是開發(fā)縫紉機(jī)電氣系統(tǒng)的突破口, 它的成功開發(fā)可將其技術(shù)演化到其它種類的電機(jī)和驅(qū)動(dòng)器上, 起到事半功倍的效果。

3 開發(fā)實(shí)例

上工集團(tuán)近來分別開發(fā)了平縫機(jī)和套結(jié)機(jī)兩種電氣系統(tǒng), 兩種系統(tǒng)的控制器框圖分別如圖2和圖3所示。
（1） 平縫機(jī)

圖2中, DSP接收鍵盤輸入的命令, 如縫紉模式、輔助功能。腳踏板位置決定縫紉速度及剪線、抬壓腳等功能, 信號由4位數(shù)字編碼形成。針桿位置傳感器為安裝在伺服電機(jī)軸端的編碼器, DSP對編碼器的A、B、Z脈沖計(jì)數(shù),決定上、下針位，并在特定位置觸發(fā)相應(yīng)電磁鐵動(dòng)作。DSP輸出脈沖和電平信號控制伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)器，脈沖個(gè)數(shù)控制針桿的位置，脈沖頻率決定針桿的速度，電平信號控制針桿的旋轉(zhuǎn)方向。

（2） 套結(jié)機(jī)

圖3與圖2不同的是需要控制X、Y方向的步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器, 步進(jìn)電機(jī)的控制信號與伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)器相同, 控制器根據(jù)伺服電機(jī)的位置和速度控制步進(jìn)電機(jī)的起停。X、Y方向的傳感器決定縫紉不同花樣時(shí)套結(jié)機(jī)的機(jī)械原點(diǎn)。（3） 兩種縫紉機(jī)的主驅(qū)動(dòng)電機(jī)—永磁同步伺服電機(jī)

兩種縫紉機(jī)的主驅(qū)動(dòng)電機(jī)都采用永磁同步伺服電機(jī), 如圖4（a）所示, 輸入電壓190V到240V, 額定功率375W, 恒轉(zhuǎn)矩運(yùn)行到6000r/min。面裝式磁鋼結(jié)構(gòu)保證電機(jī)能以高的功率因數(shù)運(yùn)行。分?jǐn)?shù)槽繞組有效地抑制了齒諧波, 減小了振動(dòng)和噪聲。較低的轉(zhuǎn)矩波動(dòng), 使縫紉機(jī)有寬廣的速度調(diào)節(jié)范圍, 并能快速準(zhǔn)確停車。安裝該電機(jī)的縫紉機(jī)實(shí)物照片如圖4（b）所示。圖4（c）為平縫機(jī)的控制器。
（4） 驅(qū)動(dòng)器
驅(qū)動(dòng)器如圖5所示, 由DSP和ASIPM組成, 對永磁同步電機(jī)實(shí)行磁場定向控制。功率變換由ASIPM完成, 內(nèi)部集成了整流、逆變、前置驅(qū)動(dòng)、多種保護(hù)等功能, 與DSP電平兼容。DSP的正交編碼器和捕獲單元電路對位置信號進(jìn)行處理,與控制器發(fā)出的命令信號比較, PI調(diào)節(jié)后得到轉(zhuǎn)矩電流分量iq*。DSP內(nèi)部的模數(shù)轉(zhuǎn)換器將來自電流傳感器的模擬信號轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號, 經(jīng)靜止的Clark變換和旋轉(zhuǎn)的Park變換, 得到實(shí)際的轉(zhuǎn)矩電流分量iq和磁場電流分量id, 經(jīng)電流PI調(diào)節(jié)得到旋轉(zhuǎn)的電壓分量ud和uq, Park逆變換將它們變換成靜止坐標(biāo)系中的電壓分量uα和uβ,空間矢量PWM算法對uα和uβ運(yùn)算后得到PWM開關(guān)信號, 控制ASIPM的逆變部分。DSP的快速運(yùn)算能力（指令周期25ns），的指令功能, 以及專為控制而集成的傳感器接口電路和PWM輸出電路, *地提高了系統(tǒng)的控制性能。

根據(jù)這些理論分析, 我們在平縫機(jī)和套結(jié)機(jī)進(jìn)行了實(shí)際開發(fā), 取得了良好的效果, 現(xiàn)正在進(jìn)行長時(shí)間的壽命實(shí)驗(yàn)。圖6為套結(jié)機(jī)樣機(jī)縫制的部分圖案。
4 結(jié)束語

對工業(yè)縫紉機(jī)電氣系統(tǒng)的特點(diǎn)和分類進(jìn)行了探討，概述了控制器、驅(qū)動(dòng)器、電機(jī)和電磁鐵的功能, 闡述了開發(fā)電氣系統(tǒng)的技術(shù)路線及開發(fā)重點(diǎn), 通過兩個(gè)開發(fā)實(shí)例, 討論了兩種控制器的異同點(diǎn), 重點(diǎn)介紹了基于DSP的永磁同步伺服電機(jī)磁場定向控制方法, 從實(shí)驗(yàn)的結(jié)果看, 取得了預(yù)期的效果, 準(zhǔn)備進(jìn)入小批量生產(chǎn)。