摘 要:針對工業(yè)縫紉機伺服系統(tǒng)的技術(shù)指標:電機轉(zhuǎn)速響應時間、停車性能的測量方法進行研究。對伺服控制系統(tǒng)引出的正交編碼器A，B信號和停針信號進行采樣，再對采集到的數(shù)據(jù)進行處理和分析后獲得相應的技術(shù)指標數(shù)據(jù)。經(jīng)過實踐檢驗，證明了該方法的可行性，達到了不同伺服系統(tǒng)技術(shù)指標的量化比較。

關(guān)鍵詞:工業(yè)縫紉機; 伺服控制系統(tǒng); 轉(zhuǎn)速響應時間; 停車性能

中圖分類號:TP316 文獻標識碼:A

文章編號:1004-373X(2010)11-0208-03

Method to Measure Technical Specifications for Servo Control Stystem of Sewing Machine

YE Wei-min

(Servo Technology Division， Ningbo Yunsheng Co. Ltd.， Ningbo 315040， China)

Abstract: The method to measure the technical specifications (such as motor speed response time， stopping performance) for the servo systems of industrial sewing machines is researched. The A， B signals， the quadrature encoder and stop-pin signal caused by servo control system are sampled， and then the corresponding technical specifications are obtained after the collected data is processed and analyzed. The practical test verified the feasibility of the method， and indicates that the specifications are equal to those of different servo systems.

Keywords: industrial sewing machine; servo control system; rotation-speed response time; stopping performance

0 引 言

隨著服裝行業(yè)的發(fā)展，服裝的制作工藝日趨復雜，制作效率要求越來越高。而傳統(tǒng)的工業(yè)縫紉機一般采用滑差調(diào)速的單相感應電動機作為驅(qū)動部件，系統(tǒng)存在著效率低、體積大、調(diào)速范圍窄和位置控制精度低等缺點，已不能滿足日益發(fā)展的需要。永磁同步電機(PMSM)伺服控制系統(tǒng)憑借其能夠克服上述缺點的優(yōu)勢在工業(yè)縫紉機中正得以廣泛應用。工業(yè)縫紉機伺服系統(tǒng)的主要技術(shù)難點在于啟停的快速響應及快速精確的停針控制，由于目前市場上還沒有專業(yè)設(shè)備用于上述性能的測定，因此，本文介紹一種有效的電機轉(zhuǎn)速響應時間及停車性能的測量和評估方法。

1 工業(yè)縫紉機伺服系統(tǒng)的構(gòu)成

工業(yè)縫紉機伺服控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)如圖1所示。其中，220 V交流電源、整流橋、濾波電容、制動電路、逆變器和PMSM構(gòu)成功率電路;電流檢測、速度位置檢測和DSP控制器構(gòu)成控制回路，鍵盤與顯示和各種功能電磁鐵構(gòu)成外圍電路。交流220 V電壓經(jīng)過整流濾波后得到穩(wěn)定的直流電源供給逆變器，逆變器在SVPWM調(diào)制下產(chǎn)生三相PWM電壓供給PMSM，PMSM驅(qū)動工業(yè)縫紉機的機頭進行縫紉工作?？刂齐娐分校妱訖C的V相、W相電流信號經(jīng)電流傳感器檢測后進入DSP的A/D口，由DSP完成電流的閉環(huán)控制。用于檢測電動機轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)子位置的編碼器采用復合式的光電編碼器，它是一種帶有簡單磁極定位功能的增量式光電編碼器，它輸出兩組信息:一組是三路彼此相差120°且占空比為0.5的三路脈沖信號U，V，W，用于檢測轉(zhuǎn)子磁極位置，帶有絕對信息功能;另一組與增量式光電編碼器相同，輸出正交方波脈沖A，B信號[1-2]。該信號進入DSP，DSP根據(jù)檢測到的A脈沖或B脈沖計算得到零脈沖Z信號，實現(xiàn)電動機的速度和位置閉環(huán)?？p紉機工作時，腳踏板調(diào)速器給定PMSM一個轉(zhuǎn)速信號，機頭針位傳感器給定PMSM運行的轉(zhuǎn)數(shù)，并配合各個功能電磁鐵，完成定長縫、自由縫、加固縫和W縫等縫紉工藝。

在工業(yè)縫紉機伺服控制系統(tǒng)中，電機起動與制動的快速響應和快速精確的停車是最關(guān)鍵的性能。第一個性能對應技術(shù)參數(shù)是階躍輸入的轉(zhuǎn)速響應時間[3]，它直接關(guān)系到工作效率，在某些特殊的縫紉工藝中顯得更為突出。例如:在反復執(zhí)行縫制5~6針停一下的工藝中，曾經(jīng)做過實驗:由一個熟練縫紉工分別操作兩款電控，期間測量整個操作過程中電機平均轉(zhuǎn)速，結(jié)果性能好的電控平均轉(zhuǎn)速為2 500 r/min，性能差的電控平均轉(zhuǎn)速為1 800 r/min。第二個性能對應技術(shù)參數(shù)是停車響應時間、停車超調(diào)角度及主軸停止位置偏差，它直接影響到工作效率、針跡質(zhì)量、整機噪聲及機頭壽命等。

圖1 工業(yè)縫紉機伺服控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)

2 伺服控制系統(tǒng)技術(shù)指標的測量

在工業(yè)縫紉機交流伺服系統(tǒng)中，DSP通過測量正交方波脈沖A，B信號，并經(jīng)計算獲得電機的轉(zhuǎn)速[4]及電機軸的位置;DSP通過針位傳感器方波脈沖的邊沿信號，獲得機頭上/下停針的絕對位置。因此，從電控的外接接口處把A，B信號和停針信號引出到另一塊DSP測量處理板，這樣在DSP測量處理板就可以獲得電機軸位置、電機轉(zhuǎn)速及上/下停針絕對位置的信號，再對采集到的一系列數(shù)據(jù)經(jīng)過分析處理，就可以得到相應的技術(shù)指標數(shù)據(jù)。下面舉例說明伺服控制系統(tǒng)技術(shù)指標的測定方法。

2.1 正階躍輸入的轉(zhuǎn)速響應時間的測量

正階躍輸入的轉(zhuǎn)速響應時間[3]:伺服系統(tǒng)輸入由零到對應nN的正階躍信號，從階躍信號開始至轉(zhuǎn)速第一次達到0.9nN的時間。為便于比較采用兩款電控作為測試對象，電機聯(lián)接平縫機的機頭，控制電機轉(zhuǎn)速由停止跳躍到4 500 r/min，為便于說明問題，DSP測量處理板采用M法測速[1](通過測量一段固定時間內(nèi)編碼器A，B脈沖數(shù)來確定轉(zhuǎn)速)。光電編碼器每轉(zhuǎn)脈沖數(shù)為P，設(shè)在固定時間T內(nèi)測得的編碼器脈沖數(shù)為M，則轉(zhuǎn)速為:N=60MPT。實際測量參數(shù):P=1 440，T=2 ms。當前后兩次測得的M數(shù)值變化時，就開始連續(xù)采樣一系列M數(shù)值，再經(jīng)計算得到電機轉(zhuǎn)速的變化過程，實際測得的轉(zhuǎn)速變化曲線如圖2所示。

從測得的數(shù)據(jù)得出兩種電控的正階躍輸入的轉(zhuǎn)速響應時間:電控A為88 ms，電控B為120 ms?？梢?，電控A的正階躍輸入的轉(zhuǎn)速響應明顯優(yōu)于電控B。

圖2 兩種電控的加速響應曲線

2.2 停車性能的測量

工業(yè)縫紉機按上/下針位停車，對停車的響應時間、停車超調(diào)角度及主軸停止位置偏差都有比較嚴格的要求，只有這樣才能保證工業(yè)縫紉機高效率正常地運行。

2.2.1 停車響應時間的測量

停車響應時間參照負階躍輸入的轉(zhuǎn)速響應時間[3]來標定，由于工業(yè)縫紉機的最終停車位置固定(上/下針位)，因此停車響應時間還與發(fā)出停車信號的相對位置相關(guān)。在實測中采用測量10次數(shù)據(jù)，把停車響應時間最短的數(shù)據(jù)作為最終的數(shù)據(jù)。測試條件和方法同2.1，電機轉(zhuǎn)速穩(wěn)定在3 500 r/min時發(fā)出停車信號，實際測得的轉(zhuǎn)速變化曲線如圖3所示。

圖3 兩種電控的停車響應曲線

從圖3中可以看出，電控A的轉(zhuǎn)速變化比較平滑，停車所需的時間較短，因此，與電控A配合的縫紉機機頭運行平穩(wěn)、噪音小、壽命長，而且停車響應快。從測得的數(shù)據(jù)得出兩種電控的停車響應時間:電控A為68 ms，電控B為94 ms?？梢?，電控A的停車響應明顯優(yōu)于電控B。

2.2.2 停車超調(diào)角度的測量

縫紉機在停車過程中，主軸停車最后一圈往往在越過停車位置(上/下針位)后，被反向拉回到停車位置停下。因此，停車超調(diào)角度是指主軸停車最后一圈越過停車位置的最大角度。測試條件同2.1，電機轉(zhuǎn)速穩(wěn)定在4 500 r/min時發(fā)出停車信號，當轉(zhuǎn)速下降到較低時，開始連續(xù)采樣一系列POSCNT[5]數(shù)值，實際測得的POSCNT變化曲線如圖4所示。電控A、電控B電機采用分辨率為1 440的光電編碼器，POSCNT為正交方波脈沖A，B信號的計數(shù)值，圖4中ΔPOSCNT為正值說明電機正轉(zhuǎn)，為負值說明電機反轉(zhuǎn)。計算POSCNT連續(xù)為負值的最大累計數(shù)，再經(jīng)轉(zhuǎn)換即可得到停車超調(diào)角度。從測得的數(shù)據(jù)得出兩種電控的停車超調(diào)角度:

電控A為:7×360°/1 440=1.75°。

電控B為:17×360°/1 440=4.25°。

圖4 兩種電控的停車超調(diào)曲線

可見，電控A的停車超調(diào)角度較小，也就是行業(yè)里說的“停車反拉”較小。

2.2.3 主軸停止位置偏差的測量

主軸停止位置偏差是指電控系統(tǒng)在正常運行情況下停車，針桿停止位置的偏差角度。該指標測量時除檢測正交編碼器輸出的A，B信號外，還要檢測機頭上/下停針信號的邊沿位置。在實際測量時，以停針信號的邊沿位置作為基準，測量與針桿停止位置之間的偏差角度。對于實測數(shù)據(jù)及分析這里不再列舉。

3 結(jié) 語

在工業(yè)縫紉機伺服控制系統(tǒng)中，對電機的快速啟停響應和快速精確的停車要求較高。本文提出了這些技術(shù)指標的測量方法，經(jīng)過實踐檢驗，證明了該方法的可行性，實現(xiàn)對技術(shù)指標的有效測定，達到不同電控技術(shù)指標的量化比較。

參考文獻

[1]李為民，姜漫.基于光電編碼器的速度反饋與控制計數(shù)[J].現(xiàn)代電子技術(shù)，2004，27(23):84-85.

[2]姜建奎，劉建成.高速工業(yè)平縫機轉(zhuǎn)速測量方法研究[J].現(xiàn)代電子技術(shù)，2009，32(5):105-107.

[3]國家技術(shù)監(jiān)督局.GB/T 16439-1996交流伺服系統(tǒng)通用技術(shù)條件[S].北京:中國標準出版社，1996.

[4]姜慶明，楊旭，甘永梅，等.一種基于光電編碼器的高精度測速和測加速度方法[J].微計算機信息，2004，20(6):48-49.

[5]Microchip Technology Inc..dsPIC30F reference handbook[M]. : Microchip Technology Inc.， 2005.

[6]唐一萌，唐永哲，王明亮，等.基于DSP的工業(yè)縫紉機用電機控制系統(tǒng)[J].電機與控制應用，2008，35(2):29-32.

[7]王小明，王玲.電動機的DSP控制[M].北京:北京航空航天大學出版社，2004.

[8]張琛.直流無刷電動機原理及應用[M].2版.北京:機械工業(yè)出版社，2004.

[9]葛永明，顏建軍.DSP在工業(yè)縫紉機控制中的應用[J].機電工程，2007，24(11):37-39.

[10]唐文秀，許強，杜佳星，等. 交流伺服系統(tǒng)在工業(yè)縫紉機中的應用[J].微電機，2007，40(3):75-77.