一种缝纫机伺服电机驱动及控制系统的制作方法
【专利摘要】本发明提供了一种缝纫机伺服电机驱动及控制系统，属于织造技术领域。它解决了现有技术中转矩控制精度低等问题。本缝纫机伺服电机驱动及控制系统，包括伺服电机和智能控制器，智能控制器包括变换器、数字控制模块和系统外围模块；数字控制模块与变换器相连接，数字控制模块为DSP数字信号处理芯片，DSP数字信号处理芯片包括CPU和片内外设，CPU具有哈佛总线结构，片内外设具有用来捕获平缝机的针位信号的ECAP捕获单元；系统外围模块由控制面板、脚踏控制器、信号检测装置和电磁铁模块组成。本发明具有控制结构简单，有效提高转矩控制精度的优点。
【专利说明】
一种缝纫机伺服电机驱动及控制系统
技术领域
[0001]本发明属于织造技术领域，涉及一种控制控制系统，特别是一种缝纫机伺服电机驱动及控制系统。
【背景技术】
[0002]我国已经成为世界缝纫机生产大国，同时，随着纺织服装行业的发展，电机制造技术、电力电子技术和自动控制技术的发展，缝纫行业对自动化设备的需求也越来越高，这对缝纫设备的自动化控制技术提出了更高的要求，缝纫机伺服控制系统就在这种环境下应运而生。而高档的全自动工业平缝机伺服控制器则被国外公司的产品垄断，其技术先进，缝纫质量高，但价格偏高，造成中小型企业负担加重。且目前国内大部分缝纫设备都是从国外进口，不具备自主知识产权，导致缝纫机制造行业长期处于被动局面，因此研究并开发具有自主知识产权的工业缝纫机伺服控制系统对我国缝纫行业甚至自动控制领域都具有非常重要的意义。
[0003]就国内市场来看，技术含量较低的离合器式平缝机仍在大量销售和使用，造成服装加工业技术普遍落后，能效比低。由于存在上述的问题，经检索，如中国专利文献公开了一种用于缝纫机的伺服电机及缝纫机【专利号:ZL201510761729.5;授权公告号:CN105262304 A】。这种用于缝纫机的伺服电机及缝纫机，伺服电机包括定子组件和转子组件，所述定子组件中的定子铁芯内表面设有轴向延伸的凹槽，所述转子组件中的永磁体内嵌在转子铁芯中，所述转子铁芯穿设在所述定子铁芯内。
[0004]但是，这种用于缝纫机的伺服电机及缝纫机还是存在很多缺陷，整体结构复杂，工作效率低，不能更好的抑制转矩脉动。这种所以，对于本领域内的技术人员，还有待研发出一种控制结构简单，能有效提高工作效率的缝纫机伺服电机驱动及控制系统。
【发明内容】
[0005]本发明的目的是针对现有的技术存在上述问题，提出了一种缝纫机伺服电机驱动及控制系统，本缝纫机伺服电机驱动及控制系统控制结构简单，有效提高转矩控制精度。
[0006]本发明的目的可通过下列技术方案来实现:
[0007]—种缝纫机伺服电机驱动及控制系统，包括伺服电机和智能控制器，其特征在于，所述的智能控制器包括变换器、数字控制模块和系统外围模块；
[0008]所述的数字控制模块与变换器相连接，且数字控制模块为DSP数字信号处理芯片，DSP数字信号处理芯片包括CPU和片内外设，CPU具有哈佛总线结构，片内外设具有用来捕获平缝机的针位信号的ECAP捕获单元；
[0009]所述的系统外围模块由控制面板、脚踏控制器、信号检测装置和电磁铁模块组成，所述的控制面板与数字控制模块相连接，所述的电磁铁模块包括倒缝电磁铁、剪线电磁铁、拔线电磁铁和压脚电磁铁所组成。
[0010]智能控制器能够伺服电机工作，智能控制器中的变换器能够将交流电整流成直流电，变换器的逆变部分主要实现在DSP数字信号处理芯片的控制下产生需要的三相互差120电角度的方波电流，逆变输出驱动无刷直流电机，能有效抑制转矩脉动。
[0011]DSP数字信号处理芯片具有数字信号处理平台，拥有高效的代码转换功能(C/C++ )。可以同时完成两个16 X 16位的乘法操作，拥有32 X 32位的乘法器，及其拥有的六十四位数据处理能力，使其具有极强的运算能力。CPU具有哈佛总线结构能够快速中断响应和处理能力，统一寻址模式，汇编程序代码与C程序代码效率大幅提高等优点。ECAP捕获单元能够增强型正交编码EQEP模块对光电编码器送来的脉冲进行倍频然后计数，用来测算电机的转速;DSP数字信号处理芯片内的串行外设接口可以完成与键盘控制芯片、EEPROM储存芯片的通信，三十四个通用I/O 口满足各种外设对接口的需求，十六路12bit高速A/D转换器可以达至IJ3.75M的采样速度，4通道的增强型脉宽调制单元可以用于逆变器的控制。
[0012]直流无刷电机控制中，必须保持定子电流产生的磁场与旋转的转子磁钢保持相互垂直，必须不断对定子电流进行换相，因此信号检测装置在直流无刷电机的伺服控制中能够知道转子位置。脚踏板控制器控制着电机的启停和速度，此外还提供一个倒踩信号，用来控制剪线功能与平缝机控制器状态的清零，直接影响着操作员对缝纫机的控制。倒缝电磁铁、剪线电磁铁、拔线电磁铁和压脚电磁铁靠电磁铁驱动连杆机构形成最终执行端根据用户的设定自动完成倒缝、剪线、拨线和抬压脚动作。
[0013]在上述缝纫机伺服电机驱动及控制系统中，所述的DSP数字信号处理芯片中的CPU内核采用1.8V低电压能有效降低功耗，CPU外部I/O 口为3.3V，能够上电复位。DSP数字信号处理芯片是双电源供电，而且价格实惠，自带电压保护并内置512字节EEPROM储存器，通过SPI方式与DSP通信，满足电源上电复位需求，并解决了缝纫机状态储存问题。
[0014]在上述缝纫机伺服电机驱动及控制系统中，所述的DSP数字信号处理芯片中的外部晶体配合内部振荡器，内部振荡器还配有一个20MHz的晶振和两个24pF的补偿电容。在这种情况下，千万要记住Dsrosp数字信号处理芯片中的引脚需要接地，如果没有接地的话，会有问题出现:仿真的时候程序运行正常，而将程序烧写到FLASH中脱机运行的时候，程序是运行不起来的。
[0015]在上述缝纫机伺服电机驱动及控制系统中，所述的脚踏控制器具有脚踏板，对伺服点电机的转速控制在150r/m-5000r/m。
[0016]电机转速在150r/m-5000r/m之间连续可调;若将脚踏板松开使其在弹簧的作用下回到自然状态时，缝纫机则停止运转;在停机状态下倒踩脚踏板则必须给出一个倒踩信号，DSP数字信号处理芯片将控制平缝机针头至上针位，并完成剪线拨线动作。转速的给定信号是一组连续的模拟信号，基本原理是利用线性霍尔器件检测磁场的变化，反映脚踏控制器中磁铁的位置状况。再通过运算放大器对信号放大(0-3.3V)，并提供到DSP数字信号处理芯片进行A/D转换，从而实现运用脚踏板控制转速的功能。此外脚踏控制器还需要给出启动和后踩两个信号，这是通过控制器中安放两个光电二极管，并在合适的位置用档板遮挡，从而得到反映脚踏板的两个开关信号。
[0017]在上述缝纫机伺服电机驱动及控制系统中，所述的信号检测装置包括换相信号检测器、增量式光电编码器和机头针位信号检测器，且换相信号检测器、增量式光电编码器和机头针位信号检测器均通过线路与DSP数字信号处理芯片相连接。机换相信号的检测器是通过三个安装在伺服电机内部的光电传感器实现的，随着伺服电机转子的旋转三个光电传感器都能送出180°电角度的方波信号，并且互差120°;增量式光电编码器通过光电转换将输出轴上的机械几何位移量转换成脉冲或数字量的传感器，通过计算后两组脉冲的个数就能反映当前伺服电机位置，还可以判别电机旋转方向。
[0018]在上述缝纫机伺服电机驱动及控制系统中，所述的控制面板包括了按键和液晶显示器，按键和液晶均通过线路与DSP数字信号处理芯片相连接，所述的按键采用矩阵式触摸按键，所述的液晶显示器采用段式液晶显示器。从而实现人机交互，通过试验和参数调整，实现了预期的缝制功能。
[0019]在上述缝纫机伺服电机驱动及控制系统中，所述的变换器具有压频转换芯片。压频转换芯片使用Firachi Id公司的KA331压频转换芯片，由于市电存在一定的波动，经过整流后的直流母线电压也可能会波动，对伺服电机电机控制会有一定影响，所以必须测出直流母线电压以供DSP控制模块在控制上进行补偿，这里采用压频转换(V/F)电路进行测量。压频转换即电压到频率的转换，输出信号频率与输入电压成正比，DSP通过测量输出信号的频率就能计算出直流母线电压，控制输出频率在1-3KHz之间。
[0020]在上述缝纫机伺服电机驱动及控制系统中，所述的倒缝电磁铁、剪线电磁铁、拔线电磁铁和压脚电磁铁均由线圈，铁芯及衔铁三部分组成。当电磁铁线圈通电后，铁芯、衔铁被磁化，成为极性相反的两块磁铁，它们之间产生电磁吸力。当吸力大于弹簧的反作用力时，衔铁被吸合。当线圈中电流小于某一值或中断供电时，电磁吸力小于弹簧的反作用力，衔铁将返回初始位置，从而根据用户的设定自动完成倒缝、剪线、拨线。
[0021 ]与现有技术相比，本缝纫机伺服电机驱动及控制系统具有以下优点:
[0022]1、本发明通过变换器能够将交流电整流成直流电，变换器的逆变部分主要实现在DSP数字信号处理芯片的控制下产生需要的三相互差120°电角度的方波电流，逆变输出驱动无刷直流电机，能有效抑制转矩脉动。
[0023]2、本发明中的DSP数字信号处理芯片中的数字信号处理平台，具有极强的运算能力，CPU能够快速中断响应和处理能力，统一寻址模式，汇编程序代码与C程序代码效率大幅提高等优点，且ECAP捕获单元能够增强型正交编码EQEP模块对光电编码器送来的脉冲进行倍频然后计数，用来测算电机的转速。
[0024]3、本发明中的信号检测装置在直流无刷电机的伺服控制中能够知道转子位置，脚踏板控制器控制着电机的启停和速度，此外还提供一个倒踩信号，用来控制剪线功能与平缝机控制器状态的清零，倒缝电磁铁、剪线电磁铁、拔线电磁铁和压脚电磁铁靠电磁铁驱动连杆机构形成最终执行端根据用户的设定自动完成倒缝、剪线、拨线和抬压脚动作。
【附图说明】
[0025]图1是本发明的系统结构框图。
【具体实施方式】
[0026]以下是本发明的具体实施例并结合附图，对本发明的技术方案作进一步的描述，但本发明并不限于这些实施例。
[0027]如图1所示，一种缝纫机伺服电机驱动及控制系统，包括伺服电机和智能控制器。智能控制器包括变换器、数字控制模块和系统外围模块;数字控制模块与变换器相连接，且数字控制模块为DSP数字信号处理芯片，DSP数字信号处理芯片包括CPU和片内外设，CPU具有哈佛总线结构，片内外设具有用来捕获平缝机的针位信号的ECAP捕获单元;系统外围模块由控制面板、脚踏控制器、信号检测装置和电磁铁模块组成，控制面板与数字控制模块相连接，电磁铁模块包括倒缝电磁铁、剪线电磁铁、拔线电磁铁和压脚电磁铁所组成。倒缝电磁铁、剪线电磁铁、拔线电磁铁和压脚电磁铁均由线圈，铁芯及衔铁三部分组成。当电磁铁线圈通电后，铁芯、衔铁被磁化，成为极性相反的两块磁铁，它们之间产生电磁吸力。当吸力大于弹簧的反作用力时，衔铁被吸合。当线圈中电流小于某一值或中断供电时，电磁吸力小于弹簧的反作用力，衔铁将返回初始位置，从而根据用户的设定自动完成倒缝、剪线、拨线。
[0028]智能控制器能够伺服电机工作，智能控制器中的变换器能够将交流电整流成直流电，变换器的逆变部分主要实现在DSP数字信号处理芯片的控制下产生需要的三相互差120电角度的方波电流，逆变输出驱动无刷直流电机，能有效抑制转矩脉动。
[0029]DSP数字信号处理芯片具有数字信号处理平台，拥有高效的代码转换功能(C/C++ )，DSP数字信号处理芯片需要采集的信号主要包括:转速采样、脚踏板A/D采样、针位信号检测、电机转子位置检测、故障信号检测。可以同时完成两个16X16位的乘法操作，拥有32X32位的乘法器，及其拥有的六十四位数据处理能力，使其具有极强的运算能力。CPU具有哈佛总线结构能够快速中断响应和处理能力，统一寻址模式，汇编程序代码与C程序代码效率大幅提尚等优点。
[0030]ECAP捕获单元能够增强型正交编码EQEP模块对光电编码器送来的脉冲进行倍频然后计数，用来测算电机的转速;DSP数字信号处理芯片内的串行外设接口 SPI可以完成与键盘控制芯片、EEPROM储存芯片的通信，三十四个通用I/O 口满足各种外设对接口的需求，十六路12bit高速A/D转换器可以达到3.75M的采样速度，4通道的增强型脉宽调制单元可以用于逆变器的控制，捕获单元可以记录捕获引脚上的跳变，还能使用相应的定时器来测定捕获信号的脉宽。这里我们就用到捕获功能，以检测针位信号，当捕获到上针位或者下针位信号时，产生相应中断。
[0031]直流无刷电机控制中，必须保持定子电流产生的磁场与旋转的转子磁钢保持相互垂直，必须不断对定子电流进行换相，因此信号检测装置在直流无刷电机的伺服控制中能够知道转子位置。脚踏板控制器控制着电机的启停和速度，此外还提供一个倒踩信号，用来控制剪线功能与平缝机控制器状态的清零，直接影响着操作员对缝纫机的控制。倒缝电磁铁、剪线电磁铁、拔线电磁铁和压脚电磁铁靠电磁铁驱动连杆机构形成最终执行端根据用户的设定自动完成倒缝、剪线、拨线和抬压脚动作。
[0032]具体来说，DSP数字信号处理芯片中的CPU内核采用1.8V低电压能有效降低功耗，CPU外部I/O口为3.3V，能够上电复位。DSP数字信号处理芯片是双电源供电，而且价格实惠，自带电压保护并内置512字节EEPROM储存器，通过SPI方式与DSP通信，满足电源上电复位需求，并解决了缝纫机状态储存问题。DSP数字信号处理芯片中的外部晶体配合内部振荡器，内部振荡器还配有一个20MHz的晶振和两个24pF的补偿电容。在这种情况下，千万要记住Dsrosp数字信号处理芯片中的引脚需要接地，如果没有接地的话，会有问题出现:仿真的时候程序运行正常，而将程序烧写到FLASH中脱机运行的时候，程序是运行不起来的。
[0033]脚踏控制器具有脚踏板，对伺服点电机的转速控制在150r/m-5000r/m。电机转速在150r/m-5000r/m之间连续可调；若将脚踏板松开使其在弹簧的作用下回到自然状态时，缝纫机则停止运转;在停机状态下倒踩脚踏板则必须给出一个倒踩信号，DSP数字信号处理芯片将控制平缝机针头至上针位，并完成剪线拨线动作。转速的给定信号是一组连续的模拟信号，基本原理是利用线性霍尔器件检测磁场的变化，反映脚踏控制器中磁铁的位置状况。再通过运算放大器对信号放大(0-3.3V)，并提供到DSP数字信号处理芯片进行A/D转换，从而实现运用脚踏板控制转速的功能。此外脚踏控制器还需要给出启动和后踩两个信号，这是通过控制器中安放两个光电二极管，并在合适的位置用档板遮挡，从而得到反映脚踏板的两个开关信号。
[0034]信号检测装置包括换相信号检测器、增量式光电编码器和机头针位信号检测器，且换相信号检测器、增量式光电编码器和机头针位信号检测器均通过线路与DSP数字信号处理芯片相连接。机换相信号的检测器是通过三个安装在伺服电机内部的光电传感器实现的，随着伺服电机转子的旋转三个光电传感器都能送出180°电角度的方波信号，并且互差120° ;增量式光电编码器通过光电转换将输出轴上的机械几何位移量转换成脉冲或数字量的传感器，通过计算后两组脉冲的个数就能反映当前伺服电机位置，还可以判别电机旋转方向。
[0035]控制面板包括了按键和液晶显示器，按键和液晶均通过线路与DSP数字信号处理芯片相连接，按键采用矩阵式触摸按键，液晶显示器采用段式液晶显示器。从而实现人机交互，通过试验和参数调整，实现了预期的缝制功能。
[0036]变换器具有压频转换芯片，压频转换芯片使用Firachild公司的KA331压频转换芯片，由于市电存在一定的波动，经过整流后的直流母线电压也可能会波动，对伺服电机电机控制会有一定影响，所以必须测出直流母线电压以供DSP控制模块在控制上进行补偿，这里采用压频转换(V/F)电路进行测量。压频转换即电压到频率的转换，输出信号频率与输入电压成正比，DSP通过测量输出信号的频率就能计算出直流母线电压，控制输出频率在1-3KHz之间。
[0037]本文中所描述的具体实施例仅仅是对本发明精神作举例说明。本发明所属技术领域的技术人员可以对所描述的具体实施例做各种各样的修改或补充或采用类似的方式替代，但并不会偏离本发明的精神或者超越所附权利要求书所定义的范围。
[0038]尽管本文较多地使用了一些术语，但并不排除使用其它术语的可能性。使用这些术语仅仅是为了更方便地描述和解释本发明的本质;把它们解释成任何一种附加的限制都是与本发明精神相违背的。
【主权项】
1.一种缝纫机伺服电机驱动及控制系统，包括伺服电机和智能控制器，其特征在于，所述的智能控制器包括变换器、数字控制模块和系统外围模块； 所述的数字控制模块与变换器相连接，且数字控制模块为DSP数字信号处理芯片，DSP数字信号处理芯片包括CPU和片内外设，CPU具有哈佛总线结构，片内外设具有用来捕获平缝机的针位信号的ECAP捕获单元； 所述的系统外围模块由控制面板、脚踏控制器、信号检测装置和电磁铁模块组成，所述的控制面板与数字控制模块相连接，所述的电磁铁模块包括倒缝电磁铁、剪线电磁铁、拔线电磁铁和压脚电磁铁所组成。2.根据权利要求1所述的缝纫机伺服电机驱动及控制系统，其特征在于，所述的DSP数字信号处理芯片中的CPU内核采用1.8V低电压能有效降低功耗，CPU外部I/O 口为3.3V，能够上电复位。3.根据权利要求1所述的缝纫机伺服电机驱动及控制系统，其特征在于，所述的DSP数字信号处理芯片中的外部晶体配合内部振荡器，内部振荡器还配有一个20MHz的晶振和两个24pF的补偿电容。4.根据权利要求1所述的缝纫机伺服电机驱动及控制系统，其特征在于，所述的脚踏控制器具有脚踏板，对伺服点电机的转速控制在150r/m-5000r/m。5.根据权利要求1所述的缝纫机伺服电机驱动及控制系统，其特征在于，所述的信号检测装置包括换相信号检测器、增量式光电编码器和机头针位信号检测器，且换相信号检测器、增量式光电编码器和机头针位信号检测器均通过线路与DSP数字信号处理芯片相连接。6.根据权利要求1所述的缝纫机伺服电机驱动及控制系统，其特征在于，所述的控制面板包括了按键和液晶显示器，按键和液晶均通过线路与DSP数字信号处理芯片相连接，所述的按键采用矩阵式触摸按键，所述的液晶显示器采用段式液晶显示器。7.根据权利要求1所述的缝纫机伺服电机驱动及控制系统，其特征在于，所述的变换器具有压频转换芯片。8.根据权利要求7所述的缝纫机伺服电机驱动及控制系统，其特征在于，所述的倒缝电磁铁、剪线电磁铁、拔线电磁铁和压脚电磁铁均由线圈，铁芯及衔铁三部分组成。
【文档编号】H02P6/17GK105871268SQ201610351723
【公开日】2016年8月17日
【申请日】2016年5月24日
【发明人】黄晓刚, 刘丽娜, 刘婷娜, 范伟, 周天龙, 黄承平
【申请人】衢州学院