CN100379140C - 步进电机控制装置及使用该装置的缝纫机 - Google Patents

Abstract

本发明的课题是在由步进电机驱动缝纫机等的驱动部时能容易地进行其速度模式的调整，以防止失调、振动等。测试驱动时，收集提供给步进电机的驱动脉冲数和此时的电机实际旋转角的时间系列数据，其后以图表形式作出画面显示。各驱动脉冲的输出时间也一并作出显示，可以对其进行变更。

Description

步进电机控制装置及使用该装置的缝纫机

(1)技术领域

本发明涉及一种步进电机控制装置，尤其是涉及在使步进电机按照规定的速度模式进行规定量旋转或直线移动时可容易地调整其基准的速度模式的控制装置及使用该装置的缝纫机。

(2)背景技术

步进电机也可称为脉冲电机，是一种以与控制装置输出的驱动脉冲数呈正比的角度进行旋转或直线移动(以下将旋转和直线移动两者合在一起以移动来表现)的电机。因此，控制装置可在不检测脉冲电机实际移动量的情况下通过开环控制来控制速度和移动量。该开环控制与将实际的移动量反馈给控制装置的反馈控制相比简单，故大多数工业设备采用步进电机作为动力源。

为了使步进电机的移动速度和移动距离的控制能发挥良好的功能，必须使步进电机控制装置输出的驱动脉冲数与步进电机实际的移动步数始终保持一致。将该驱动脉冲数与实际的移动步数不一致的状态称为失调。在采用开环控制进行动作的步进电机中，一旦成为失调状态，则只要不实施特别的修复控制，就会继续驱动脉冲数与实际的移动步数不一致的状态。若出现这种状态，则不可能正确控制移动距离。

这种失调是在步进电机急加速或急减速时发生的。急加速或急减速时，该加速度或减速度越快，就越需要大的驱动扭矩。在步进电机发生的驱动扭矩不能满足负荷所需要的驱动扭矩的场合，步进移动动作不能追踪驱动脉冲而成为失调状态。即使未成为失调状态，在不能发生充足的驱动扭矩的场合，往往也会发生振动而难以进行正常的控制。

用于防止步进电机的驱动中的这种失调和振动的提案目前有若干种。例如，有一种日本国特许申请公开2004年第64932号公报所公开的提案。在该提案中，安装有用于检测步进电机实际的步进移动数的脉冲信号发送式位置检测器。按照对指令步数与由位置检测器检测的步进移动数之差进行运算后使其差值为零的要求来进行反馈控制。这是一种通过对提供给步进电机的驱动脉冲的时间进行调整以使所述差值的大小始终控制在适当的范围内的提案。这种方法对于防止失调和振动具有效果，但必须在采用反馈控制的基础上，再进行将指令值与反馈值之差始终维持在适当的范围内的控制。因此，存在控制电路复杂化的问题，不能说是一种简易的失调、振动防止方法。

在日本国特许申请公开平成6年第38596号公报中还有一种提案。在该提案中，将步进电机负荷的增减变动倾向和相对当时指令位置的实际电机位置的滞后或超前状态作为参数来控制指令脉冲的速度。例如，当相对当时指令位置的实际电机旋转位置的滞后是发生最大扭矩的滞后量时，若负荷处于增加倾向则不能进行增速。反之，若负荷处于减小倾向则进行增速。由此，按照负荷增减变动倾向来进行有效的增速控制，从而可高速运转。但是，在该提案中，不仅需要检测负荷的增减变动倾向，而且还要根据该检测值来进行速度控制，也存在着必须进行复杂控制的问题。

在日本国特许申请公开2004年第32939号公报中还有另一种提案。该提案是关于驱动打印机的托盘的步进电机驱动方法，特别是以实现能适应因长期使用而发生时效变化的驱动稳定性为目的。该方法中，具有对托盘的往复驱动次数进行计数的单元和存储总往复驱动次数的单元，根据总往复驱动次数来调整步进电机的驱动曲线。尤其是其特征在于，通过根据上述总往复驱动次数来调整从加速移行至等速的前1步的励磁时间，从而控制过调振动。但是，在该提案中，需要有根据总往复驱动次数对驱动曲线进行何种程度修正的数据，存在该数据生成不容易的问题。

(3)发明内容

本发明的目的在于提供一种在使步进电机按照规定的加减速模式进行规定量移动的步进电机控制装置中、可容易地调整作为基准的加减速模式的控制装置及使用该控制装置的缝纫机。

本发明涉及按照规定的速度模式来驱动控制步进电机的步进电机控制装置。本发明的步进电机控制装置，其特征在于，具有：能够显示文字和图形的显示部；检测步进电机输出轴的实际旋转角的检测部；在每一规定时间将按照速度模式提供给步进电机的旋转指令值和由检测部检测的实际旋转角读入的数值读入部；根据该数值读入部读入的实际旋转角和旋转指令值、在显示部中显示实际旋转角的时间经过曲线、旋转指令值的时间经过曲线和提供给所述步进电机的驱动脉冲的各输出时间的显示控制部；接受用户看着显示部显示的数据进行的驱动脉冲输出时间的变更指示、变更速度模式中记载的驱动脉冲输出时间的速度模式变更部。

若采用上述结构，用户能在显示部中确认步进电机的实际旋转角的时间经过，可容易地确认是否发生了失调和振动。并且，当确认已发生了异常时，可在显示画面上确认有问题的输出时间，从而变更该输出时间。可在不采用复杂的控制装置、控制方法的情况下容易地将速度模式变更成不发生失调和振动的模式。即使未发生失调和振动的场合，当判断为加速、减速的模式不合适时，也能指示输出时间的变更，容易地将速度模式变更成最佳的模式。

在显示部中，为了看清旋转指令值的时间经过曲线、相邻驱动脉冲间的时间间隔，还可以显示出表示各驱动脉冲输出时间的标记、旋转指令值与实际旋转角之差的最大值等。这样，就可进一步容易地进行速度模式的修正。

本发明的步进电机控制装置，可以用作对使缝纫机的驱动机构动作的步进电机进行驱动控制的控制装置。在采用了本发明的步进电机控制装置的缝纫机中，用户能容易地将缝制动作中的驱动机构的加速、减速动作调整到最佳状态。由此，具有能顺利且正确地进行缝制作业的优点。

(4)附图说明

图1为本发明一实施例的电子圆头锁眼缝纫机1的外观图。

图2为图1所示的缝纫机1的本体部的侧视图。

图3为缝纫机1的控制系统的方框图。

图4为规定驱动脉冲输出时间的速度模式数据的例子。

图5为速度模式的例子。

图6为变更速度模式用的控制流程图。

图7为驱动脉冲数合计值与计数器计数值的时间系列数据的例子。

图8为将图7的时间系列数据以图表形式进行画面显示的例子。

图9为将图8中的一部分输出时间变更后的显示画面的例子。

图10为将一部分输出时间变更后的、与图4相当的图。

(5)具体实施方式

下面以将本发明适用于电子圆头锁眼缝纫机1的场合为例，参照附图说明该实施例。图1是表示本实施例的电子圆头锁眼缝纫机(以下简称为缝纫机)1的整体外观的立体图。图2为缝纫机1的本体部1a的侧视图。

缝纫机1具有缝纫机本体部1a、控制装置(相当于步进电机控制装置)10、缝纫机电机7。控制装置10由控制装置本体10a和操作面板8构成。缝纫机本体部1a和操作面板8安装在作业台6上，控制装置本体10a和缝纫机电机7安装在作业台6的下侧。

缝纫机本体部1a具有：大致矩状的呈箱体形的机座部2；安装在该机座部2的后上面的柱部2a；从柱部2a的上端与机座部2相对地向前方延伸的机臂部3。在机臂部3的前方头部，可上下左右移动地安装着下端部具有缝针5的针杆4。在利用缝纫机电机7的驱动力使主轴11旋转时，该旋转力传向凸轮机构，利用该凸轮机构使针杆4在上下运动的同时进行左右摆动。在主轴11旋转1圈期间，针杆4在左侧摆动位置(内针位置)和右侧摆动位置(外针位置)进行上下2次运动。

在所述机座部2上安装着在针杆4的正下方位置具有2个弯针(未图示)的弯针座(未图示)。该弯针座，通过安装在机座部2内的由θ方向步进电机24(参照图3)和齿轮机构构成的水平旋转机构，围绕铅直轴与针杆4一体地进行旋转。2个弯针与针杆4的上下运动及摆动运动同步地进行动作，由此，通过与针杆4的互动，在放置于送料台12的加工布上形成线迹。驱动弯针的动力由缝纫机电机7供给。

在机座部2的上面安装着放置加工布的送料台12。该送料台12整体呈薄的矩形箱状体，通过具有2个步进电机的送料装置的驱动在相互正交的X方向(左右方向)和Y方向(前后方向)上进行移动。该送料台12使加工布移动，以使放置的加工布上形成的圆头孔的切开缘部来到缝针5的正下方位置。

当送料台12使加工布的实施锁边缝的位置移动到缝针5的正下方时，水平旋转机构使弯针座和针杆4围绕铅直轴旋转所需角度。接着，针杆4与2个弯针同步地进行上下运动和摆动运动以形成线迹。通过这种反复动作，缝纫机1在加工布的圆头孔的切开缘部实施锁边缝。

下面说明控制装置(步进电机控制装置)10的结构。图3是表示缝纫机1的控制系统的方框图。作为控制系统中心的控制装置(步进电机控制装置)10由控制装置本体10a和操作面板8构成，控制装置本体10a由运算电路13和驱动电路组13a构成。

运算电路13是使用微型计算机的运算电路，具有众所周知的CPU15、ROM16、RAM17、非易失性存储器17a、输入接口19、输出接口20。这些构件通过公用总线18相互连接。

在ROM16中存储有：具有多种圆头线迹的锁眼线迹的线迹数据、各种的锁眼线迹数据、根据这些线迹数据驱动电机及电磁阀用的驱动控制程序、在操作面板8上显示各种图像的显示控制程序、后述的变更驱动脉冲输出时间用的控制程序等。

RAM17用于作业区域。非易失性存储器17a是可电气性改写的ROM，存储有控制步进电机的旋转速度用的多种速度模式数据。

操作面板8由显示部8a和开关部8b构成。显示部8a例如由液晶显示装置构成。开关部8b具有变更处理开始键、测试驱动键、脉冲数设定键、输出时间变更键、变更处理结束键、指示器移动键、0～9数字键等。操作面板8的控制是由CPU15通过输入接口19和输出接口20来进行的。

在输入接口19上连接着启动·停止开关9、安装在压布机构上的压布开关21、时间信号发生器22。时间信号发生器22发生同步信号脉冲，用于检测缝纫机电机7驱动的主轴11的旋转相位。该同步信号脉冲是为了在进行圆头锁眼缝时使各种动作同步而使用的。

在输出接口20上连接着驱动电路组13a。驱动电路组13a由驱动缝纫机电机7的驱动电路23、驱动θ方向步进电机24的驱动电路25、驱动电磁切换阀26的驱动电路27、驱动X方向步进电机30的驱动电路31、驱动Y方向步进电机32的驱动电路33构成。

缝纫机电机7供给的是对针杆4和弯针进行同步驱动的驱动力。θ方向步进电机24供给的是使针杆4与弯针座进行一体的水平旋转的驱动力。电磁切换阀26对向驱动冲裁用锤子29的气缸28供给的压缩空气进行切换。X方向步进电机30和Y方向步进电机32供给的是使送料台12沿X方向(左右方向)、Y方向(前后方向)移动的驱动力。θ方向步进电机24、X方向步进电机30、Y方向步进电机32都是以400步进行1圈旋转的步进电机，1步旋转0.9度。

X方向步进电机30和Y方向步进电机32上，机械性地连接着编码器X34、编码器Y35。编码器X34、编码器Y35都是可正反转检测的双相式的增量式编码器。在旋转1圈期间发生400个脉冲。1脉冲相当于旋转0.9度，该0.9度等于X方向步进电机30、Y方向步进电机32的每1步的旋转角(步进角)。

编码器X34、编码器Y35的输出脉冲由CPU15通过输入接口19读入。CPU15通过软件式双向计数器(UP/DOWN COUNTER)对读入的脉冲进行加减计数，检测X方向步进电机30、Y方向步进电机32的实际旋转移动量。

下面说明θ方向步进电机24、X方向步进电机30、Y方向步进电机32的速度控制。这些步进电机的控制方法均相同，在此以X方向步进电机30为例来说明该控制方法。

为了使缝纫机1进行圆头锁眼缝，必须在针杆4处于上升位置期间让送料台12移动所需距离。在缝纫机1正在高速缝制的场合，能让其移动的时间约为20msec。将能让送料台12移动的该时间称为驱动容许时间。

送料台12在该驱动容许时间内在X方向移动的距离被预先存储在ROM16内的线迹数据中。以步进电机的驱动脉冲数为“14”脉冲的场合为例来说明向X方向的移动距离。步进电机在移动该“14”脉冲部分距离的期间中的旋转速度，通常控制成图5所示的梯形的速度模式。

从移动开始至时间T1以一定的加速度进行增速。该期间是加速期间。接着，从时间T1至时间T2的期间，加速度为零，以等速度进行旋转。该期间是等速期间。再接着是从时间T2至时间T3的期间，以一定的加速度进行减速。该期间是减速期间。

为了以这种速度模式来驱动步进电机，而在非易失性存储器17a内预先存储有图4所示的速度模式数据，该速度模式数据规定了输出14个各驱动脉冲的时间。图4所示的表中的左栏是从移动开始起的驱动脉冲的编号，右栏是2个驱动脉冲间的时间间隔(驱动脉冲输出间隔)。

在驱动X方向步进电机30时，CPU15从非易失性存储器17a读出与该移动距离(驱动脉冲数)对应的图4所示的速度模式数据。并且，在该表中所规定的输出时间中向驱动电路31发送输出驱动脉冲的指令信号。接受到指令的驱动电路31生成驱动X方向步进电机30的驱动脉冲后输出。重复这一过程，从而X方向步进电机30按照图5所示的速度模式进行旋转。

但是在实际按照预先存储在非易失性存储器17a中的速度模式进行缝制作业时，则会经常发生该速度模式与实际的缝制作业不相符合的情况。例如，有时会发生加速期间上升的加速度过大、从加速期间变到等速期间时的加速度变化过大、从等速期间变到减速期间时的加速度变化过大等的不良情况。

当出现了这种不良情况时，最好是能够用简单的操作来变更速度模式，以修正成进行正常动作的速度模式。本发明中，为了能够用简单的操作来变更该速度模式而作了研究。下面说明需要变更该速度模式时的操作及控制。

速度模式的变更是通过变更图4中例示的速度模式数据中的2个驱动脉冲间的时间间隔(驱动脉冲输出间隔)来进行的。图6为变更速度模式用的流程图。图中的符号Si(i＝11、12、……)表示步进号。

该流程图表示运算电路13进行的控制顺序及控制内容，从用户按下安装在操作面板8上的变更处理开始键之时开始。运算电路13确保最初在RAM17内存储与移动距离相当的总驱动脉冲数的作业区域，作为总驱动脉冲数存储初期值。该初期值因在其后变更，故假设预先设定成使用频度高的数值(S11)。接着，运算电路13处于待机状态直至用户按下某1个键(S12：否)。

想要变更速度模式的用户，首先按下安装在操作面板8上的驱动脉冲数设定键。运算电路13对用户按下驱动脉冲数设定键进行确认(S14：是)，执行驱动脉冲数设定处理(S21)。在驱动脉冲数设定处理过程中，运算电路13在操作面板8的显示部8a中显示电机的选择(选择X方向步进电机30、Y方向步进电机32、θ方向步进电机24中的任1个)以及与该移动距离(步进电机的旋转角度)相当的总驱动脉冲数的输入项目，督促用户进行输入。

当用户考虑想要变更X方向步进电机30的与总驱动脉冲数“14”对应的速度模式时，选择X方向步进电机30，使用操作面板8的0～9数字键输入“14”作为总驱动脉冲数。运算电路13将关于被用户选择的X方向步进电机30的、与用户输入的总驱动脉冲数“14”对应的图4所示的速度模式从非易失性存储器17a读出，临时存储在RAM17中。待临时存储后结束驱动脉冲数设定处理，返回步骤S12。

其次，为了确认被选择的电机(X方向步进电机30)移动所设定的总驱动脉冲数(“14”)时的移动状态，用户按下安装在操作面板8上的测试驱动键。运算电路13对用户按下了测试驱动键作出确认(S16：是)，开始步骤S17的处理。在步骤S17的处理过程中，运算电路13按照在步骤S22中临时存储于RAM17的X方向步进电机30的与总驱动脉冲数“14”对应的图4所示的速度模式来驱动X方向步进电机30。为此，运算电路13以图4的驱动脉冲输出间隔向驱动X方向步进电机30的驱动电路31发出指令，输出驱动脉冲。

这样，在驱动X方向步进电机30期间，运算电路13以微小的时间间隔(例如0.2msec的间隔)计算从向驱动电路31输出指令的移动开始起的驱动脉冲数合计值(与旋转指令值相当)，并以时间系列形式进行记录。在驱动X方向步进电机30期间，运算电路13用软件式双向计数器(UP/DOWN COUNTER)对安装在X方向步进电机30上的编码器X34输出的脉冲进行加减计数。并且，与记录驱动脉冲数合计值的时间相符合地读入该计数值，并以时间系列形式进行记录。

当X方向步进电机30的驱动结束后，将以时间系列形式记录的驱动脉冲数和计数器的计数值汇总在图7所示的表中(S18)。此时，也对驱动脉冲数合计值与计数器计数值之差进行计算并予以预先追加。然后，送料台12返回X方向的原点位置(S19)。

接着移至步骤S20的处理。运算电路13将在步骤S18汇总的图7的表变换成图8所示的图表，在显示部8a中作出显示。图8的横轴表示从移动开始起的时间，纵轴表示移动量。沿横轴画出的14根短的竖线表示14个驱动脉冲输出的时间。将该竖线称为脉冲标记36。

图中的曲线(1)表示X方向步进电机30的移动量指令值的时间经过。移动量指令值是在该时间之前向驱动电路31指令的驱动脉冲数的合计值乘以步进电机的步进角得到的值，与旋转指令值相当。曲线(2)表示关于X方向步进电机30的实际旋转移动量(实际旋转角)的时间经过。实际的旋转移动量是在该时间之前编码器X34输出的脉冲数合计值(双向计数器的计数值)乘以1脉冲的旋转角得到的值。

图中的小的方框37中记载的总驱动脉冲数是与整体移动量相当的驱动脉冲数。驱动容许时间是能让送料台12移动的时间。最大差是驱动脉冲数合计值与计数器计数值之差的最大值。运算电路13在进行这一显示后返回步骤S12。

用户根据运算电路13所显示的表示图8的移动量的2条曲线来考虑应让哪一部分的速度模式变更。速度模式的变更是通过变更2个驱动脉冲间的时间间隔(脉冲输出间隔)来进行的。图中显示有小的三角标记的指示器38。该指示器38可以通过操作安装在操作面板8上的指示器移动键来移动。图中的指示器38位于表示第11号和第12号的驱动脉冲的脉冲标记之间。该场合，运算电路13在方框37中作为脉冲输出间隔显示第11号与第12号的驱动脉冲的时间间隔。图例中，该时间间隔是1.7msec。用户可以通过使指示器38移动到所希望的2个驱动脉冲之间来核对其时间间隔。

当考虑想要变更某1个驱动脉冲的输出时间时，用户按下操作面板8上的输出时间变更键。运算电路13对用户按下了输出时间变更键作出确认(S15：是)，转移至步骤S22的驱动脉冲输出时间变更处理。

用户使指示器38移动到表示变更时间间隔的2个驱动脉冲的脉冲标记36之间。于是，会出现当前存储的时间间隔的显示，故输入新的时间间隔。例如，若将时间间隔从1.7msec变更成1.8msec，则图8变化成图9的形态，方框37中的脉冲间隔数值变成了变更后的1.8msec。

用户反复这一操作，以修正需要变更的所有的驱动脉冲的时间间隔。当用户如此变更了时间间隔的场合，运算电路13以变更后的时间间隔数值将变更加入图4所示的速度模式数据中。当将第11号和第12号的驱动脉冲的时间间隔变更成1.8msec后，图4的表改写成了图10的形态。

这样，变更输出时间后，用户通常要进行变更后的动作确认。确认时，用户再次按下操作面板8上的测试驱动键。运算电路13对用户按下了测试驱动键作出确认(S16：是)，再次执行步骤S17～S20的处理。运算电路13根据图10所示的变更后的速度模式数据来驱动X方向步进电机30。并且，与前面所述一样地作成图7的表，根据该表显示出图8所示的画面。

用户观察运算电路13作出新的显示的图8，对变更后的速度模式是否合适进行验证。当需要进一步作出变更时，再次按下输出时间变更键，与前面所述一样地将变更加入所需的输出时间中。如此反复地进行测试驱动、动作结果确认、输出时间变更的操作，用户使速度模式接近于最佳的模式。

若采用本实施例的步进电机控制装置10，由于将测试驱动时的向步进电机输出的移动量指令值的时间经过和电机实际的旋转移动量的时间经过以图表形式显示在同一画面中，故用户能容易地找到速度模式出现不良情况的部位。可一边观察同一画面一边容易地变更出现不良情况的驱动脉冲的输出时间。因此，可容易地作成不发生失调、振动等的速度模式。

权利要求书中记载的显示部，在上述实施例中相当于显示部8a。同样，检测部在上述实施例中相当于编码器X34、编码器Y35、运算电路13、对编码器的输出进行计数的程序。数值读入部在上述实施例中相当于运算电路13和数值读入程序。显示控制部在上述实施例中相当于运算电路13和显示控制程序。速度模式变更部在上述实施例中相当于运算电路13、操作面板8、模式变更程序。

本发明不限定于上述的实施例，例如也可作出如下的变形来实施。

1.在通过变更2个驱动脉冲的时间间隔来变更输出时间时，也可通过指示器38使画面上的脉冲标记36左右移动来变更时间间隔，以取代用0～9数字键输入新的时间间隔的方法。如此也能变更输出时间。

2.在图8、图9的画面中，在同一画面中显示了表示移动量指令值的时间经过和实际的旋转移动量的时间经过的两条曲线，但这两条曲线也可在不同的画面中显示。如此也能找到速度模式出现不良情况的部位。

3.在上述实施例中，以对驱动缝纫机驱动机构的步进电机进行驱动控制的场合为例作了说明，但本发明的步进电机控制装置除了缝纫机，也能适用于机床、打印机等使用步进电机的工业设备。若在这些工业设备中采用了本发明的步进电机控制装置，则可容易地调整这些驱动机构的速度模式，能进行圆滑的动作。

Claims (5)

1.一种步进电机控制装置，按照规定的速度模式来进行步进电机的驱动控制，其特征在于，具有：

能够显示文字和图形的显示部；

检测所述步进电机输出轴的实际旋转角的检测部；

在每一规定时间将按照所述速度模式提供给步进电机的旋转指令值和由所述检测部检测的实际旋转角读入的数值读入部；

根据该数值读入部读入的所述实际旋转角和所述旋转指令值、在所述显示部中显示实际旋转角的时间经过曲线、旋转指令值的时间经过曲线和提供给所述步进电机的驱动脉冲的各输出时间的显示控制部；

接受用户看着所述显示部显示的数据进行的所述驱动脉冲输出时间的变更指示、变更所述速度模式中记载的驱动脉冲输出时间的速度模式变更部。

2.如权利要求1所述的步进电机控制装置，其特征在于，所述显示控制部还在所述显示部中使用标记来显示所述各驱动脉冲的输出时间，以知晓相邻驱动脉冲间的时间间隔，

所述速度模式变更部还通过所述显示控制部在所述显示部中显示用户可移动操作的指示器，按照用户的指示来变更与用户操作该指示器而作出指示的所述标记相对应的驱动脉冲的输出时间。

3.如权利要求1所述的步进电机控制装置，其特征在于，所述显示控制部还根据所述数值读入部读入的所述旋转指令值与实际旋转角算出两者之差的最大值，将算出的值以数值方式显示在所述显示部中。

4.如权利要求2所述的步进电机控制装置，其特征在于，所述显示控制部还根据所述数值读入部读入的所述旋转指令值与实际旋转角算出两者之差的最大值，将算出的值以数值方式显示在所述显示部中。

5.一种缝纫机，其特征在于，使用权利要求1至4任一项所述的步进电机控制装置，对使驱动机构动作的步进电机进行驱动控制。

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