CN103572514A

CN103572514A - 一种工业缝纫机精确定位系统及其工作方法

Info

Publication number: CN103572514A
Application number: CN201310505540.0A
Authority: CN
Inventors: 姜泽; 严伟灿; 廉晨龙; 俞兰英
Original assignee: Wolong Electric Group Co Ltd
Current assignee: Zhejiang Wolong Servo Technology Co ltd; Wolong Electric Drive Group Co Ltd
Priority date: 2013-10-24
Filing date: 2013-10-24
Publication date: 2014-02-12
Anticipated expiration: 2033-10-24
Also published as: CN103572514B

Abstract

一种工业缝纫机精确定位系统及其工作方法，涉及一种缝纫机定位系统及其工作方法。传统的工业平缝机定位方法一般采用位置闭环的调节系统，普遍存在停车精度不高，以及存在反转、抖动、稳定性差等现象。本发明特征在于：所述的控制器包括：反拖快速刹车模块；速度调节模块；前馈力矩模块；三相短接可控停车模块。本技术方案先采用反拖快速刹车模块使伺服电机快速降速，并由速度调节模块将速度稳定在一范围内，缝纫机开始处于剪线点附近，负载突变最大，前馈力矩模块提前给一个前向拖动力矩，克服剪线时的负载突变；当缝纫机机头位于停针点附近时，由三相短接可控停车模块将三相短路进行制动，避免反拖制动所造成的停针不准和停针抖动问题。

Description

一种工业缝纫机精确定位系统及其工作方法

技术领域

本发明涉及一种缝纫机定位系统及其工作方法。

背景技术

传统的工业平缝机定位方法一般采用位置闭环的调节系统。缝纫机停针采用反接制动的方式，电流大，反力大，易出现抖动、停车不准的情况，另由于平缝机在停车定位时负载突变较大，普遍存在停车精度不高，以及存在反转、抖动、稳定性差等现象。

发明内容

本发明要解决的技术问题和提出的技术任务是对现有技术方案进行完善与改进，提供一种工业缝纫机精确定位系统及其工作方法，以达到准确快速定位的目的。为此，本发明采取以下技术方案。

一种工业缝纫机精确定位系统，包括控制器、伺服电机、踏板指令器、上停针位监测器、功率电路，所述的伺服电机上设有用于测速的光电编码器，所述的踏板指令器、上停针位监测器、光电编码器与控制器相连，所述的控制器通过功率电路与伺服电机相连，所述的功率电路包括六个开关管组成的桥堆电路，其中三个开关管组成上桥臂，另三个开关管组成下桥臂，桥臂的输入端与直流电源直接相连，桥臂的三路输出端与伺服电机的三相A、B、C相连，六个开关管的控制端分别与控制器输出的六路PWM控制信号直接相连，其特征在于：所述的控制器包括：

反拖快速刹车模块，用于当踏板指令器发出的信号有效时，且伺服电机在高速运转过程中时，经功率电路给伺服电机一个逐渐增大的反拖力矩；

速度调节模块，用于根据光电编码器获得的伺服电机转速，调节PWM占空比，使电机速度按设定转速稳定运行；

前馈力矩模块，用于当控制器接受到缝纫机处于上停针位信息时，且伺服电机速度在设定范围内，通过功率电路给伺服电机一个前向拖动的前馈力矩；

三相短接可控停车模块：用于当缝纫机位于停针点附近时，经输出模块，关断上桥臂的三个开关管，开通下桥臂的三个开关管，使三相下桥直通，伺服电机的三相A、B、C短路，给伺服电机一个平稳制动力矩。反拖快速刹车模块使伺服电机快速降速，并由速度调节模块将速度稳定在一范围内，缝纫机开始处于剪线点附近，负载突变最大，前馈力矩模块提前给一个前向拖动力矩，克服剪线时的负载突变；当缝纫机机头位于停针点附近时，由三相短接可控停车模块将三相短路进行制动，避免反拖制动所造成的停针不准和停针抖动问题。

作为对上述技术方案的进一步完善和补充，本发明还包括以下附加技术特征。

所述的控制器还包括位置补偿模块，用于在停车时，缝纫机机头未达到或超过目标点时，输出六路为互补耦合式的PWM信号驱动六个开关管，输出正向或反向拖动力矩，使伺服电机正向或反向运转，带动缝纫机机头到停针位附近。。

一种工业缝纫机精确定位系统的工作方法，它包括以下步骤：

a、在伺服电机高速运转过程中，当踏板信号提供的停车信号有效时，控制器输出六路PWM控制信号分别给功率电路的六个开关管，采用反拖制动的方式降低伺服电机的转速，控制器通过光电编码器采集伺服电机转速，根据测得的转速值，通过输出PWM占空比值从0逐渐增加到一定值，控制六路开关管，给伺服电机一个逐渐增大的反拖力矩；

b、控制器经过光电编码器不断对伺服电机的转速采样，根据转速不断调整PWM的占空比，使伺服电机速度稳定在设定的范围；

c、当电机获得上停针位监测器信号时，控制器从收到停针位信号开始到剪线结束的过程中，通过给伺服电机一个较大的前向拖动的前馈力矩，实现对于缝纫机负载突变的抑制；

d、当缝纫机机头位于停针点附近，采用三相短路进行制动，控制器输出六路PWM驱动六个开关管，关断上桥臂的三个开关管，开通下桥臂的三个开关管，使三相下桥直通，伺服电机的三相A、B、C短路，给伺服电机一个平稳制动力矩；

e、当缝纫机机头未达到或超过目标点时，输出六路为互补耦合式的PWM信号驱动六个开关管（Q1、Q2、Q3、Q4、Q5、Q6），输出正向或反向拖动力矩，使伺服电机（PMSM）正向或反向运转，带动缝纫机机头到停针位附近。

伺服电机转速分段调节采用PI调节，控制器将转速分为多段，计算出PWM的占空比，PI调速公式为：

Figure 2013105055400100002DEST_PATH_IMAGE002

；其中M(K) :控制器输出信号，Kp为控制系统比例增益，Ki为控制系统积分增益，e(K)为当前误差，e(K-1)为上一次的误差，在不同速度段对应相应的Kp和Ki。

有益效果：本技术方案先采用反接快速制动，然后再使用短接慢速制动，提高停针位置准确性，且停车速度较快，停车时间较短，有效提高缝制效率，且能够保持伺服电机PMSM输出电流在系统能够承受的范围之内，不仅保证整个系统输出的安全，而且能够保证整个系统元器件的安全，不会由于过压而损坏。

附图说明

图1是本发明功率电路图。

图2是本发明结构原理图。

图3是本发明流程图。

图中DSP-控制器， PMSM-伺服电机，Q1-第一开关管、Q2-第二开关管、Q3-第三开关管、Q4-第四开关管、Q5-第五开关管、Q6-第六开关管开关管、Q7-第七开关管，R-伺服电机内阻，L-伺服电机电感， R1-第一电阻。

具体实施方式

以下结合说明书附图对本发明的技术方案做进一步的详细说明。

如图2所示，本发明包含控制器DSP、伺服电机PMSM、功率电路。伺服电机为PMSM磁同步伺服电机；功率电路主要包含六个IGBT开关管构成的桥堆电路，如图1所示第一开关管Q1、第三开关管Q3、第五开关管Q5组成上桥臂，第二开关管Q2、第四开关管Q4、第六开关管Q6组成上桥臂，本实例中的第一、第二、第三、第四、第五、第六开关管Q1~Q6采用IGBT开关管，第一、第三、第五开关管Q1、Q3、Q5的漏极并接到直流电源，第二、第四、第六开关管Q2、Q4、Q6的源极并接到直流电源地。桥臂的三路输出端与伺服电机PMSM的三相A、B、C相连，具体为：第一开关管 Q1的源极与第二开关管Q2的漏极相连并与PMSM永磁同步伺服电机的A相绕组相连，第三开关管 Q3的源极与Q4的漏极相连并与PMSM永磁同步伺服电机的B相绕组相连，第五开关管 Q5的源极与第六开关管Q6的漏极相连并与PMSM永磁同步伺服电机的C相绕组相连。图1中R为伺服电机PMSM的每相内阻，L为伺服电机PMSM2的每相电感，e_a、e_b、e_c为伺服电机PMSM的每相反电势，V_DC为直流母线电压。每个开关管内部自带续流二极管。六个开关管Q1～Q6的控制端分别与控制器DSP的六路PWM控制信号相连。控制器DSP还与光电编码器４、上停针位监测器、踏板指令器、刹车电路、电磁铁驱动电路相连。电磁铁驱动电路发送电磁铁信号控制工业缝纫机。

伺服电机PMSM端部安装有光电编码器4，光电编码器4、和上停针位监测器5为控制器DSP提供伺服电机PMSM的位置和速度信号。踏板指令信号６为控制器DSP提供速度指令和停车信号。控制器DSP发出六路PWM信号，送给功率电路，然后伺服电机PMSM运转，从而带动工业缝纫机主轴进行缝纫。在刹车过程中，控制器DSP检测母线电压信号，然后根据电压高低不断开通第七开关管Q7，使电流经第一电阻R1到直流母线中，以保护系统中的器件不被损坏，本方案开关管为高压MOS管。工业缝纫机在运转过程中，不断检测踏板的速度指令和停机信号，根据测得的速度和位置信号，不断调整PWM的占空比，工业缝纫机在不同的运转模式下，控制器DSP发出不同的占空比控制六路PWM信号，以达到速度和位置控制。与工业缝纫机相连的还有上停针位监测器信号以及电磁铁。上停针位监测器信号给控制器DSP以提供准确的缝纫机针杆位置，控制器DSP通过控制伺服电机PMSM的前馈、减速、停车，可以保证缝纫机能否抵抗剪线时的负载突变，保证缝纫机针杆按照要求精确定位，满足缝制设备工艺的需要。控制器DSP根据用户需要和缝制模式，不断开通缝纫机切线机构、拨线机构、倒缝机构以及抬压脚机构，在缝纫过程中完成自动剪线、自动拨线、自动倒缝、自动抬压脚等功能。

工业缝纫机准确停车方法，如图3所示，包含以下步骤：

a、工业缝纫机高速运转时，当踏板信号提供的停车信号有效时，DSP经过运算分析和处理，输出六路PWM控制信号分别给功率电路的六个开关管Q1～Q6，采用反拖制动降低伺服电机PMSM的转速，然后控制器DSP通过光电编码器采集伺服电机PMSM转速，根据测得的转速值，通过输出PWM占空比值从0逐渐增加到某一特定值，再以这个占空比值输出到六路开关管Q1～Q6，给伺服电机PMSM一个逐渐增大的反拖力矩，以达到刹车减速的目的，当检测到母线电压高于某一特定值时，控制器DSP通过导通第七开关管Q7，使电流流经第一电阻R1，从而保护系统器件不被损坏；

b、控制器DSP不断测量伺服电机PMSM的转速，根据光电编码器信号不断获得伺服电机PMSM的位置，根据转速采用分段式PI不断调整PWM的占空比，使电机速度稳定在一个特定的范围：分段式数字PI算法为：；其中M(K) :控制器输出信号，Kp为控制系统比例增益，Ki为控制系统积分增益，e(K)为当前误差，e(K-1)为上一次的误差。上述公式采用增量式PI方式。在分段时不同的输入时，对应不同的Kp和Ki。本方案中速度分为三档，高速、中速、低速分别对应不同的Kp和Ki;

c、当电机获得上停针位监测器信号时，此时电机速度也在给定的范围，此位置缝纫机开始处于剪线点附近，负载突变最大，为了克服剪线时的负载突变，DSP从收到停针位信号开始到剪线结束的过程中，控制器DSP通过给伺服电机PMSM一个较大的前向拖动的前馈力矩，实现对于缝纫机负载突变的抑制；

d、当缝纫机位于停针点附近，采用三相短路进行制动，控制器DSP输出六路PWM驱动六个开关管Q1～Q6，其中第一、第三、第五开关管Q1、Q3、Q5无效；第二、第四、第六开关管Q2、Q4、Q6有效，使三相下桥直通，给伺服电机PMSM一个平稳制动力矩，此种方法可以避免反拖制动所造成的停针不准和停针抖动问题；

e、当缝纫机机头未达到或超过目标点时，输出六路为互补耦合式的PWM信号驱动六个开关管Q1、Q2、Q3、Q4、Q5、Q6，输出正向或反向拖动力矩，使伺服电机PMSM正向或反向运转，带动缝纫机机头到停针位附近。

以上图1-3所示的一种工业缝纫机精确定位系统及其工作方法是本发明的具体实施例，已经体现出本发明实质性特点和进步，可根据实际的使用需要，在本发明的启示下，对其进行形状、结构等方面的等同修改，均在本方案的保护范围之列。

Claims

1.一种工业缝纫机精确定位系统，包括控制器（DSP）、伺服电机（PMSM）、踏板指令器、上停针位监测器、功率电路，所述的伺服电机（PMSM）上设有用于测速的光电编码器，所述的踏板指令器、上停针位监测器、光电编码器与控制器（DSP）相连，所述的控制器（DSP）通过功率电路与伺服电机（PMSM）相连，所述的功率电路包括六个开关管（Q1、Q2、Q3、Q4、Q5、Q6）组成的桥堆电路，其中三个开关管（Q1、Q3、Q5）组成上桥臂，另三个开关管（Q2、Q4、Q6）组成下桥臂，桥臂的输入端与直流电源直接相连，桥臂的三路输出端与伺服电机（PMSM）的三相A、B、C相连，六个开关管（Q1、Q2、Q3、Q4、Q5、Q6）的控制端分别与控制器（DSP）输出的六路PWM控制信号直接相连，其特征在于：所述的控制器（DSP）包括：

反拖快速刹车模块，用于当踏板指令器发出的信号有效时，且伺服电机（PMSM）在高速运转过程中时，经功率电路给伺服电机（PMSM）一个逐渐增大的反拖力矩；

速度调节模块，用于根据光电编码器获得的伺服电机（PMSM）转速，调节PWM占空比，使电机速度按设定转速稳定运行；

前馈力矩模块，用于当控制器（DSP）接受到缝纫机处于上停针位信息时，且伺服电机（PMSM）速度在设定范围内，通过功率电路给伺服电机（PMSM）一个前向拖动的前馈力矩；

三相短接可控停车模块：用于当缝纫机位于停针点附近时，经输出模块，关断上桥臂的三个开关管（Q1、Q3、Q5），开通下桥臂的三个开关管（Q2、Q4、Q6），使三相下桥直通，伺服电机（PMSM）的三相A、B、C短路，给伺服电机（PMSM）一个平稳制动力矩。

2.根据权利要求1所述的一种工业缝纫机精确定位系统，其特征在于：所述的控制器（DSP）还包括位置补偿模块，用于在停车时，缝纫机机头未达到或超过目标点时，输出六路为互补耦合式的PWM信号驱动六个开关管（Q1、Q2、Q3、Q4、Q5、Q6），输出正向或反向拖动力矩，使伺服电机（PMSM）正向或反向运转，带动缝纫机机头到停针位附近。

3.采用权利要求1或2所述的一种工业缝纫机精确定位系统的工作方法，其特征在于它包括以下步骤：

a、在伺服电机（PMSM）高速运转过程中，当踏板信号提供的停车信号有效时，控制器（DSP）输出六路PWM控制信号分别给功率电路的六个开关管（Q1、Q2、Q3、Q4、Q5、Q6），采用反拖制动的方式降低伺服电机（PMSM）的转速，控制器（DSP）通过光电编码器采集伺服电机（PMSM）转速，根据测得的转速值，通过输出PWM占空比值从0逐渐增加到一定值，控制六路开关管（Q1、Q2、Q3、Q4、Q5、Q6），给伺服电机（PMSM）一个逐渐增大的反拖力矩；

b、控制器（DSP）经过光电编码器不断对伺服电机（PMSM）的转速采样，根据转速不断调整PWM的占空比，使伺服电机（PMSM）速度稳定在设定的范围；

c、当电机获得上停针位监测器信号时，控制器（DSP）从收到停针位信号开始到剪线结束的过程中，通过给伺服电机（PMSM）一个较大的前向拖动的前馈力矩，实现对于缝纫机负载突变的抑制；

d、当缝纫机机头位于停针点附近，采用三相短路进行制动，控制器（DSP）输出六路PWM驱动六个开关管（Q1、Q2、Q3、Q4、Q5、Q6），关断上桥臂的三个开关管（Q1、Q2、Q3、Q4、Q5、Q6），开通下桥臂的三个开关管（Q1、Q2、Q3、Q4、Q5、Q6），使三相下桥直通，伺服电机（PMSM）的三相A、B、C短路，给伺服电机（PMSM）一个平稳制动力矩；

4.根据权利要求3所述的一种工业缝纫机精确定位系统的工作方法，其特征在于：伺服电机（PMSM）转速分段调节采用PI调节，控制器（DSP）将转速分为多段，计算出PWM的占空比，PI调速公式为：；其中M(K) :控制器（DSP）输出信号，Kp为控制系统比例增益，Ki为控制系统积分增益，e(K)为当前误差，e(K-1)为上一次的误差，在不同速度段对应相应的Kp和Ki。