CN101560720A - 新型直驱式平缝机电脑控制系统 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种新型直驱式平缝机电脑控制系统，该系统包括主控制器、脚踏速度调节器、操作面板、电磁阀、电源模块、电机、电机驱动控制器、光电耦合隔离模块；其特征在于：主控制器由微处理器CPU、通讯模块、电磁阀驱动模块、速度控制模块和电流控制模块组成，微处理器CPU通过通讯模块电路实现与操作面板间的双向数据通讯，通过电磁阀驱动电路实现对缝纫机各个电磁阀的动作控制与保护，通过速度控制模块，电流控制模块实现对电机的变频控制；主控制器分别与脚踏速度调节器、操作面板、电磁阀、光电耦合隔离模块连接。电机驱动控制器由专用伺服驱动模块和电流检测模块组成。

Description

新型直驱式平缝机电脑控制系统

一.技术领域

本发明涉及一种控制工业平缝机运行的控制系统，具体涉及一种新型直驱式平缝机电脑控制系统。

二.背景技术

中国缝纫机工业经过建国近六十年，尤其是改革开放这些年来的发展，取得了举世瞩目的成就，目前已经具备相当规模，产量居全球之首。但是，在提升缝纫机高科技水平的电脑控制系统研究实现方面，一直处于落后的状态。直至上世纪90年代末，我国企业才开始皮带轮三自动平缝机电脑控制系统的研发。而在本世纪之初，日本为了继续保持产品技术领先地位，推出电机与机壳一体化的直驱式无油化新型工业缝纫机，使工业缝纫机再上一个新台阶。目前我国缝纫机生产企业也已认识到开发高质量、高附加值产品的重要性，开始开发、生产直驱式电脑平缝机，并对其电脑控制器提出了新的要求。从2005年起，有十数家大中型缝纫机企业及众多电机控制企业相继斥资研发直驱平缝机电脑控制系统，如标准、中捷、飞跃、宝石、杰克等缝机制造厂、安徽“精工”，浙江“韵升”、“卧龙”，上海“富山”以及江苏南通、张家港和广东汕头、东莞、深圳等多家电机控制企业。然而，由于缝纫机电脑控制系统涵盖了伺服电机、自动控制、电力电子、缝制机械等多个领域的专业知识，门槛很高、迈入困难，故至今能形成质量稳定、大批量生产的成功者为数极少，使直驱式电脑控制系统研究一直保持为最近几年的热点。

三.发明内容

本发明的目的在于，基于当前的直驱平缝机控制系统的高可靠性和低成本要求，提供一种新型直驱式平缝机电脑控制系统，本发明采用强、弱电之间的隔离耦合，防止强电对弱电信号的窜扰，提高系统的可靠性；采用模块化设计思想，在硬件设计上，将与软件控制相关功能放置在主控板上，与电机控制功能相关布放于电机驱动控制器上，与操作、显示相关布放于面板上，与速度调节相关布放于脚踏控制板上，从而便于产品的生产、安装、维修、更换；在软件设计上，采用功能化、模块化、层次化设计，可重用性强，使程序结构清晰，易于编写、维护。

本发明的实现方案：一种新型直驱式平缝机电脑控制系统，该系统包括主控制器1、脚踏速度调节器2、操作面板3、电磁阀4、电源模块5、电机6、电机驱动控制器7、光电耦合隔离模块8；其特征为：所述的主控制器1由微处理器CPU、通讯模块A2、电磁阀驱动保护模块A6、速度控制模块A3和电流控制模块A4组成，微处理器CPU通过通讯模块电路A2实现与操作面板3间的双向数据通讯，通过电磁阀驱动电路A6实现对缝纫机各个电磁阀的动作控制与保护，通过速度控制模块A3和电流控制模块A4实现对电机6的变频控制；主控制器1分别与脚踏速度调节器2、操作面板3、电磁阀4、光电耦合隔离模块8连接。

所述电机驱动控制器7由专用伺服驱动模块B6和电流检测模块B4组成，专用伺服驱动模块B6的输入端与主控制器1的电流控制模块A4通过光电耦合隔离模块8连接，输出经过电流检测模块B4连接到电机6驱动输入端；电动机转轴同轴安装有位置传感器，其输出端与主控制器1的速度控制模块A4的反馈采样端连接。

所述电源模块5由滤波模块、整流模块、保护模块和开关电源模块组成。

所述的操作面板3由按键、发光二极管、LCD、速度调节器、参数设置器组成；用于实现缝纫模式选择、缝纫状态显示、按键状态提示、缝纫参数设置存储，并实现缝纫模式、参数、故障信息与微处理器CPU的双向传输。

上述的新型直驱式平缝机电脑控制系统，其中，所述的主控制器1由微处理器CPU、位置脉冲信号四倍频鉴相电路A7、放大滤波电路A1、电流AD转换电路A8、操作面板通讯电路A2、电磁阀驱动保护电路A6、PWM信号处理电路A5组成。脚踏速度调节器2输出脚踏速度信号，通过放大滤波电路A1连接到微处理器CPU；微处理器CPU通过操作面板通讯电路A2向操作面板3发出控制信号；微控制器CPU通过电磁阀驱动保护电路A6来对电磁阀4进行控制。

上述的新型直驱式平缝机电脑控制系统，其中，所述的电机驱动控制器7有为专用伺服驱动模块B6提供的各种保护电路，包括低电源电压保护电路B1，短路保护电路B2，限流保护电路B3，温度保护电路B5。低电源电压保护电路B1与电源模块5输出的15V电源和专用伺服驱动模块B6连接；限流保护电路B3与专用伺服驱动模块B6和电流检测模块B4连接；短路保护电路B2、温度保护电路B5与专用伺服驱动模块B6连接。电流检测模块B4的输入端与专用伺服驱动模块B6的输出端连接，电流检测模块B4的输出端与电机6连接。

上述的新型直驱式平缝机电脑控制系统，其中，所述的电源模块5为整个系统提供电源。它的输入端与交流220V电压连接；其输出的24V电压与电磁阀4连接；5V电压与主控制器1连接；15V电压和300V电压与电机驱动控制器7连接。

上述的新型直驱式平缝机电脑控制系统，其中，所述的脚踏速度调节器2独立于主控制器1和电机驱动控制器7，而安装在脚踏板的连接轴上。

上述的新型直驱式平缝机电脑控制系统，其中，所述的光电耦合隔离模块8分别于主控制器1和电机驱动控制器7连接，并将它们隔离。

本发明与现有技术相比，具有以下的优点：

1.层次分明的软件程序架构及实现方式

本发明的软件实现基于实时操作系统，将程序分成底层及逻辑层两大层次。底层核心控制部分采用先进的算法实现，独立性强。逻辑层以模块化方式实现，从而使整体软件构架清晰，鲁棒性好，维护更加方便。

2.可靠性的进一步提高。

在硬件上，由于本发明采用了独特先进的隔离技术，使得整个系统抗干扰能力更强，可靠性更高。另外，在电源部分和电机驱动部分，充分设计了各种保护电路及迅速散热结构，使得控制系统更加可靠、安全。另外，在软件上，采用冗余设计技术、防死循环、多级复合保护技术，使软件的稳定性更好。

3.操作面板更加易用方便

本发明的操作面板采用独特设计，符合人体功能学。操作界面更加人性化、易操作化。操作面板上有加速和减速快捷按钮，使操作者更加方便地控制缝纫速度。

4.关键缝纫技术指标的提升

本发明的技术指标提升表现在以下几个方面：低速时转速非常平稳；启动加速过程迅速，无超调；停止过程无振荡，高速度精准位置停针；倒缝针数准确，针迹重合度很高；电源纹波系数小，整体电路耗电低。

四.附图说明

图1是本发明新型直驱式平缝机电脑控制系统电路框图。

图2是本发明新型直驱式平缝机电脑控制系统主控制器电路框图。

图3是本发明新型直驱式平缝机电脑控制系统电机驱动控制器内部框图。

图4是本发明新型直驱式平缝机电脑控制系统供电电源电路框图。

图5是本发明新型直驱式平缝机电脑控制系统各电路板关系图。

图6是本发明新型直驱式平缝机电脑控制系统操作面板内部框图。

图7是本发明新型直驱式平缝机电脑控制系统电机驱动控制器基本原理图。

图8是本发明新型直驱式平缝机电脑控制系统电磁阀驱动电路图。

图9是本发明新型直驱式平缝机电脑控制系统开关电源原理图。

图10是本发明新型直驱式平缝机电脑控制系统基本工作流程图。

图11是本发明新型直驱式平缝机电脑控制系统操作面板主程序流程图。

图12是本发明新型直驱式平缝机电脑控制系统电机控制流程图。

五.具体实施方式

请参见图1所示，请配合参见图5，本发明新型直驱式平缝机电脑控制系统，包括主控制器1、脚踏速度调节器2、操作面板3、电磁阀4、电源模块5、电机6、电机驱动控制器7、光电耦合隔离模块8。

主控制器1与操作面板3双向连接，主控制器1的输入端与脚踏速度调节器2的输出端连接，主控制器1的输出端与电磁阀4的输入端和光电耦合隔离模块8连接；脚踏速度调节器2输出控制缝纫机的速度及各执行机构的操作信息；电磁阀4用来执行倒缝、切线、扫线、抬压脚动作；光电耦合隔离模块8隔离主控制器1和电机驱动控制器7。

光电耦合隔离模块8的输入端与主控制器1的输出端连接，光电耦合隔离模块8的输出端与电机驱动控制器7的输入端连接；主控制器1输出PWM(脉宽调制Pulse Width Modulation，简称PWM)信号经过光电耦合隔离模块8处理后输入电机驱动控制器7。

电机驱动控制器7与电机6连接，电机6的位置传感器将位置信号传回给主控制器1；电机驱动控制器7将电流信号传回给主控制器1。

电源模块5的输入端连接交流220V电压，电源模块5的输出端分别与电磁阀4、主控制器1、电机驱动控制器7连接；电源模块5为电磁阀4提供24V直流电压，电源模块5为主控制器1提供5V电压，电源模块5为电机驱动控制器7提供直流15V和直流300V电压。

请参见图2所示，配合参见图3，新型直驱式平缝机电脑控制系统主控制器电路包括放大滤波电路A1、通讯模块A2、微处理器CPU、速度控制模块A3、电流控制模块A4、PWM信号生成电路A5、电磁阀驱动保护电路A6、位置信号四倍频鉴相电路A7、AD转换电路A8。

脚踏速度信号进入主控制器1，经放大滤波电路A1后进入微控制器CPU，微控制器CPU经过相应处理，再将处理过的信号送给主控器1内相应的电路。PWM信号生成电路A5生成6路PWM、PWM1、PWM2、PWM3、PWM4、PWM5、PWM6。这6路信号经过光电耦合隔离模块8后进入电机驱动控制器7。微控制器CPU和操作面板3之间通过双向通讯模块A2进行信号传递。微控制器CPU经过电磁阀驱动保护电路A6对各电磁阀进行控制。从电机6的位置传感器发出的位置反馈信号通过位置信号四倍频鉴相电路A7反馈到速度控制模块A3，从电机驱动控制器7发出的电流反馈信号经AD转换电路A8后进入电流控制模块A4，经过速度控制模块A3和电流控制模块A4的处理来调整PWM的占空比，从而达到精确控制电机6的目的。

请参见图3所示，配合参见图7，新型直驱式平缝机电脑控制系统电机驱动控制器内部框图包括专用伺服驱动模块B6、电流检测模块B4、低电源电压保护电路B1、短路保护电路B2、限流保护电路B3、温度保护电路B5。

从主控制器1输出的6路PWM经过光电耦合隔离模块8后输出6路PWM′：PWM1′、PWM2′、PWM3′、PWM4′、PWM5′、PWM6′。这6路PWM′进入专用伺服驱动模块B6后驱动电机6转动。电机驱动控制器7内部有多种保护电路：低电源电压保护电路B1，短路保护电路B2，限流保护电路B3，温度保护电路B5。当电压很低时低电压保护电路B1会使得专用伺服驱动模块B6终止输入，直到电压恢复正常为止；当内部电流超过安全值或发生短路时，限流保护电路B3或短路保护电路B2会使得专用伺服驱动模块B6终止输入，直到电流恢复正常位置；当温度超过安全工作温度后，温度保护电路B5会使得专用伺服驱动模块B6终止输入，直到温度恢复正常为止。

在专用伺服驱动模块B6内部有驱动管T1、T2、T3、T4、T5、T6；二极管D1、D2、D3、D4、D5、D6。T1、T4在一相；T2、T5在一相；T3、T6在一相。T1、T2、T3、T4、T5、T6的栅极分别接经过光电耦合隔离模块8输出的6路PWM′，这6路PWM′控制T1、T2、T3、T4、T5、T6的导通和关闭。同一相的两个驱动管不能同时导通。每一相均与电机6连接，控制电机6的转动。位置传感器I3由安装于电机6轴上的光栅片与安装在电机6定子上的光电元件组成，位置传感器I3的输出信号反馈到主控制器1。电流传感器I1、I2分别接在电机6的两相上，电流传感器I1、I2的输出信号反馈到主控制器1。

请参见图4所示，请配合参见图9，新型直驱式平缝机电脑控制系统供电电源部分电路框图包括电源滤波模块、电源保护模块、整流模块和开关电源模块。

交流220V电压输入到电源滤波模块滤波，然后进入电源保护模块和整流模块后输出300V直流电压，这个300V直流电为专用伺服驱动模块B6供电。经过整流后的直流电压进入开关电源模块，经过处理之后分别输出5V，15V，24V电压。在开关电源模块中采用了先进的光偶隔离技术，U2为隔离电路部分。U1采用先进的电源芯片能保证稳定的输出所需电压。

请参见图6所示，新型直驱式平缝机电脑控制系统操作面板3由28个按键，15个LED灯，1个LCD和CPU及其外围电路组成。每个按键和LED灯对应一个相应的功能。操作面板CPU U3控制驱动电路U4，驱动电路U4使LCD U5显示相应信息。操作面板3和主控制器1连接进行数据、指令、故障信号的双向传输。

请参见图8所示，新型直驱式平缝机电脑控制系统共有4个电磁阀，分别为切线电磁阀、扫线电磁阀、倒缝电磁阀、脚踏电磁阀。电磁阀驱动电路由cmos反相器、功率管Q1、功率管Q2、功率管Q3、功率管Q4、电阻R1、电阻R2、电阻R3、电阻R4等器件组成。

主控板1微处理器CPU输出信号通过cmos反相器取反后分别串联1个保护电阻R1、电阻R2、电阻R3、电阻R4连接到功率管Q1、功率管Q2、功率管Q3、功率管Q4的栅极，当微处理器CPU向功率管Q1(或功率管Q2、功率管Q3、功率管Q4)发送信号时，功率管导通，相应的电磁阀吸合；功率管关断时，相应的电磁阀释放。

本发明的电路作用原理是，本发明的主控制器1和电机驱动控制驱动器7分别采用微处理器CPU和专用伺服驱动模块B6，设在主控制器1中的微处理器CPU，用于与操作人员可接触的部件：操作面板3、脚踏速度调节器2和电磁阀4等电路的连接，该微处理器CPU接收控制命令及反馈信号，在设计的缝纫机应用程式下完成诸如变速、位置控制以及自动缝纫等功能。设在电机驱动控制驱动器7的专用伺服驱动模块B6，用来专门实现电动机的驱动控制策略。

分别设在主控制器1和电机驱动控制驱动器7中的微处理器CPU和专用伺服驱动模块B6之间通过光电耦合隔离模块8实现隔离连接，既可以双向传输信息，又可将高压电路中的干扰信号隔离。设计的开关电源，能使主控制器1和电机驱动控制驱动器7之间隔离了强电的干扰。是冷热电路之间的隔离耦合变得非常简单而且更合理。在这种配置下，不仅进一步降低了制造成本，而且电路的设计和制造将大大简化，可靠性进一步提高。

新型直驱式平缝机电脑控制系统软件主要有以下模块组成：

操作面板模块：可以设置工作模式，工作参数，并且实时显示工作状态，如报警故障显示，针数显示等。

控制算法模块：如PID算法，可以将系统形成闭环，如速度闭环，电流闭环等。

通讯模块：可使得微处理器CPU和操作面板3之间实现双向的数据和指令传输。

自动剪线模块：当自动扫线、自动剪线有效时，可以实现自动扫线、自动剪线的操作。

电机启动模块：实现电机从静止到恒定速度的快速启动，有需要时需要慢速启动。

电机制动模块：在不同速度下，实现设定的停针位，并且电机停止迅速准确无误。

缝纫模式辨别模块：根据用户缝纫模式变量，进入相应的缝纫模式；缝纫模式包括自由缝、定长缝、折返缝等。

电磁阀功能实现模块：控制切线、扫线、倒缝、抬压脚电磁阀与机械结构配合完成相应操作。

请参见图10所示，本发明新型直驱式平缝机电脑控制系统基本工作流程图。上电之后，系统初始化，此时查询操作面板3的按键状态，在查询脚踏是否踩下，如果踩下了则去执行电机转动或者是电磁阀的吸和，如果没踩下则返回到系统初始化。结束当前状态的缝纫控制，电机停止转动释放电磁阀，重新查询操作面板3的按键状态。

请参见图11所示，新型直驱式平缝机电脑控制系统操作面板主程序流程图。系统上电后，主控制器1若发送正常工作状态信号，则初始化系统；操作面板3的初始化主要是对断电前的状态进行恢复，向主控制器1发送参数，进入循环查询有效键盘按键对按键进行相应处理。

请参见图12所示，新型直驱式平缝机电脑控制系统电机控制流程图。上电之后，检测脚踏是否踩下，如果没踩下则返回开始处重新检测，如果踩下了则检测电机的实际转速，对速度信号PID调节，采样电机定子电流Ia、Ib，经一系列的变化，SVPWM输出，形成闭环。

综上所述，本发明新型直驱式平缝机电脑控制系统采用冷热电路之间隔离耦合，能提高通信的安全可靠性；各部分采用模块化设计思想，功能分割清楚并且便于产品的维修、更换，简化了程序编写；使用安全方便。整机小巧，操作空间大，安装快捷，运输方便。各方面性能都较原来的缝纫机控制系统有所提高，而整个系统的成本却降低了。

Claims (7)

1.一种新型直驱式平缝机电脑控制系统，该系统包括主控制器1、脚踏速度调节器2、操作面板3、电磁阀4、电源模块5、电机6、电机驱动控制器7、光电耦合隔离模块8；其特征在于：所述的主控制器1由微处理器CPU、通讯模块A2、电磁阀驱动模块A6、速度控制模块A3和电流控制模块A4组成，微处理器CPU通过通讯模块A2电路实现与操作面板3间的双向数据通讯，通过电磁阀驱动电路A6实现对缝纫机各个电磁阀的动作控制与保护，通过速度控制模块A3，电流控制模块A4实现对电机6的变频控制；主控制器1分别与脚踏速度调节器2、操作面板3、电磁阀4、光电耦合隔离模块8连接。

所述电机驱动控制器7由专用伺服驱动模块B6和电流检测模块B4组成，专用伺服驱动模块B6的输入端与主控制器1的电流控制模块A4通过光电耦合隔离模块8连接，输出经过电流检测模块B4连接到电机6驱动输入端；电动机转轴同轴安装有位置传感器，其输出端与主控制器1的速度控制模块A3的反馈采样端连接。

所述电源模块5由滤波模块、整流模块、保护模块和开关电源模块组成。

2.如权利要求1所述的新型直驱式平缝机电脑控制系统，其特征在于，所述的操作面板3由按键、发光二极管、LCD、速度调节器、参数设置器组成；用于实现缝纫模式选择、缝纫状态显示、按键状态提示、缝纫参数设置存储，并实现缝纫模式、参数、故障信息与微处理器CPU的双向传输。

3.如权利要求1所述的新型直驱式平缝机电脑控制系统，其特征在于，所述的主控制器1由微处理器CPU、位置脉冲信号四倍频鉴相电路A7、放大滤波电路A1、电流AD转换电路A8、操作面板通讯电路A2、电磁阀驱动保护电路A6、PWM信号生成电路A5组成。脚踏速度调节器2输出脚踏速度信号，通过放大滤波电路A1连接到微处理器CPU；微处理器CPU通过操作面板3的通讯电路A2向操作面板3发出控制信号；微控制器CPU通过电磁阀驱动保护电路A6来对电磁阀4进行控制。

4.如权利要求1所述的新型直驱式平缝机电脑控制系统，其特征在于，所述的电机驱动控制器7有为专用伺服驱动模块B6提供的各种保护电路，包括低电源电压保护电路B1，短路保护电路B2，限流保护电路B3，温度保护电路B5。低电源电压保护电路B1的输入端与电源模块5输出的15V电源连接，其输出端与专用伺服驱动模块B6连接；限流保护电路B3与专用伺服驱动模块B6和电流检测模块B4连接；短路保护电路B2、温度保护电路B5与专用伺服驱动模块B6连接。电流检测模块B4的输入端与专用伺服驱动模块B6的输出端连接，电流检测模块B4的输出端与电机6连接。

5.如权利要求1所述的新型直驱式平缝机电脑控制系统，其特征在于，所述的电源模块5为整个系统提供电源。它的输入端与交流220V电压连接；其输出的24V电压与电磁阀4连接；5V电压与主控制器1连接；15V电压和300V电压与电机驱动控制器7连接。

6.如权利要求1所述的新型直驱式平缝机电脑控制系统，其特征在于，所述的脚踏速度调节器2独立于主控制器1和电机驱动控制器7，而安装在脚踏板的连接轴上。

7.如权利要求1所述的新型直驱式平缝机电脑控制系统，其特征在于，所述的光电耦合隔离模块8分别于主控制器1和电机驱动控制器7连接，并将它们隔离。

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