CN1050397C - 缝纫机控制装置 - Google Patents

Abstract

一种不在感应电机中设置编码器就能实现闭环控制的缝纫机控制装置。该装置包括用于驱动感应电机12的变换器；控制装置15控制该变换器的输出使缝纫机的实际速度成为速度指示装置指示的期望速度；控制该变换器时，不仅使用来自速度指示装置20的指示速度，还使用来自针位置检测器的检测信号，针位置检测器产生与缝纫机的针棒位置和移动速度相应的检测信号。因此不在感应电机中设置编码器就能执行与使用编码器的闭环控制大致相同的控制。

Description

缝纫机控制装置

本发明涉及控制缝纫机的缝纫机控制装置，该缝纫机包括作为驱动用马达的感应电机。

以前，这种控制装置包括作为感应电机驱动电路的变换器，用于根据来自操作者操作的脚踏板等的指令，控制缝纫机的起动/停止、起动时的缝纫机速度(即缝纫机轴的旋转速度)等。

变换器把例如工业电源变换成直流电压后的电源电压变换成规定频率/规定电压的正弦波交流电，并把该变换后的交换电压作为驱动信号供给感应电机，使相位不同(例如若为3相感应电机，则有120度相位差)的正弦波交流电流流过感应电机的各相绕组，使该感应电机以与驱动信号的电压/频率对应的转矩和速度旋转；在缝纫机控制装置中，根据来自外部的速度指令控制该变换器的输出。

另外，在这样控制变换器的输出及控制感应电机(进而控制缝纫机)的情况下，一般利用如下两种控制方法之一：设定与感应电机的期望速度相对应的变换器的输出频率、根据该设定的输出频率与预定电压—频率特性来设定变换器的输出电压的开环控制；或者在感应电机中设置编码器、检测感应电机的实际旋转速度、根据所检测的实际速度与期望速度的偏差来校正变换器的输出的闭环控制。

但是，在缝纫机中，在用上述开环控制方法且利用经常稳定的电压—频率特性来控制变换器输出时，存在着在低速时转矩不足、不能稳定地缝制加工布的问题。另外为了补偿低速时的转矩不足，在低速时一旦提高变换器的输出电压，就有过电流流过感应电机、引起感应电机发热。

另一方面，在用上述闭环控制方法来控制变换器的输出时，因为能够检测感应电机的期望速度的偏差并控制变换器输出，所以能够比较稳定地驱动感应电机，得到良好的缝制结果；而以前为进行该控制在感应电机中设置了编码器，从而导致部件数增加和费用增多的问题。

美国专利US No.4,627,370教导了一种缝纫机控制装置。它包括感应电机、变换器、速度指示装置、针位置检测器、以及用以根据从针位置检测器产生的检测信号和速度指示信号控制变换器的控制电路。然而这项美国专利没有教导包括偏差计算装置，基本频率设定装置以及输出检测装置的控制单元。

本发明系鉴于上述问题而开发的，其目的在于提供一种在感应电机中不设置变换器就能够实现闭环控制的缝纫机控制装置。

为实现上述目的，有关本发明的第1方面所述的缝纫机控制装置的特征在于包括：用于驱动缝纫机的感应电机；输出用于驱动感应电机的交流驱动信号的变换器；指示缝纫机期望速度的速度指示装置；产生与缝纫机的针棒位置和移动速度相对应的检测信号的针位置检测器；根据来自该针位置检测器的检测信号和上述速度指示装置指示的期望速度控制上述变换器使缝纫机的实际速度成为期望速度的控制单元。

这样，在本发明中，与现有装置相同，具有用于驱动感应电机的变换器，控制单元控制该变换器的输出，以使缝纫机的实际速度达到速度指示装置指示的期望速度，而控制单元在执行该变换器控制时，不只是使用来自速度指示装置的指示速度，还使用产生与缝纫针的位置及移动速度对应的检测信号的针位置检测器的检测信号。因此，如果采用本发明，则在控制装置中，不象先前那样在感应电机中设置编码器，也能够进行和使用了编码器的闭环控制大致相同的控制。

即，在控制缝纫机时，除需要进行感应电机的速度控制外，还需要进行使缝纫机在预定的针位置停止的停止位置控制以及通过只以预定的针数驱动缝纫机、执行预定缝制动作的控制等各种控制，在能执行这样的控制的缝纫机中设有用于检测缝纫针位置的针位置检测器。因此在本发明中，通过利用在这样的电子控制式缝纫机中一般设有的针位置检测器来间接地检测感应电机的旋转速度，在感应电机中不另外设置编码器就能够实现感应电机的闭环控制。

从而，与进行开环控制的现有缝纫机控制装置相比，根据本发明，不会导致成本大幅度地提高，使解决低速时转矩过低、感应电机发热这样的问题成为可能。

其次，有关本发明的第2方面所述的缝纫机控制装置中，控制单元包括：根据来自针位置检测器的检测信号来求取缝纫机的实际速度、计算该实际速度与上述期望速度之偏差的偏差计算装置；根据来自速度指示装置的期望速度来设定变换器输出的交流驱动信号基本频率的基本频率设定装置；根据由偏差计算装置计算的实际速度与期望速度的偏差校正所计算的基本频率、设定变换器的输出频率的输出频率设定装置；和根据用输出频率设定装置设定的变换器的输出频率、设定变换器的输出电压以便使交流驱动信号的电压—频率特性变成预先设定的预定特性的输出电压设定装置，控制变换器使变换器输出的交流驱动信号成为上述设定的输出频率/输出电压。

本发明的第2方面所述的装置系鉴于下述问题而开发的：在缝纫机中，例如在缝纫针扎入加工布的揿针位置附近和缝纫针从加工布出来的起针位置附近加给感应电机的负荷不同那样，加到感应电机上的负荷随缝纫针的位置而变化，并且该变化量还随加工布的材料性质/厚度等而有很大差别，所以在进行开环控制的现有控制装置中，不能对应这样的负荷变化来控制感应电机的转矩。

而且在本发明中，当进行感应电机的闭环控制时，基本上象进行开环控制的现有装置那样，利用预先设定的电压—频率特性控制交流驱动信号，根据缝纫机的实际速度和期望转速的偏差来校正与采用该控制的缝纫机的期望速度相对应的输出频率，从而按照与该速度偏差对应的值控制变换器的输出频率及输出电压。

因此，如果采用本发明，如上所述，加到感应电机上的负荷随缝纫机针位置的不同而变化，缝纫机的实际速度也变化，即使这样，也能使与该速度变化相对应的变换器的输出变化。因此，能与加工布的缝制状态对应地对感应电机的输出转矩进行适当的控制，不会使感应电机发热，能以与来自速度指令装置的指令对应的恒定速度驱动缝纫机。

而且，由于能够这样以恒速驱动缝纫机，所以在缝制加工布时能够抑制上述负荷变化所引起的缝纫机振动。并且由于能够这样抑制缝纫机振动，能够防止该振动带给操作者的不愉快感，也能够提高缝制质量。

另外，在防止这种由于缝纫针位置引起的负荷变化而导致缝纫机旋转变化时，不一定必须根据来自针位置检测器的检测信号求取缝纫机的实际速度，例如也可以根据用期望速度所求的基本频率和预先设定的电压—频率特性来求变换器的输出基本电压、对应针位置检测器检测的针位置来校正基本频率和基本电压。就是说，因为判断出针位置就能推测加在感应电机上的负荷的大小，所以与针位置相关联，预先设定用于校正与该负荷相对应的基本频率/基本电压的校正值，在驱动缝纫机时，从该校正值数据读出与针位置相对应的校正值并校正基本频率和基本电压也能抑制缝纫机的旋转变化。但是，因为在这种场合下加在感应电机上的负荷随加工布的材料性质和布的厚度等而变化，所以为了实现与本发明的第2方面所述的装置具有同等程度的控制精度，就需要检测这样的加工布信息的传感器。

再其次，在有关本申请的第3方面所述的缝纫机控制装置中，偏差计算装置根据来自针位置检测器的检测信号来计算与缝纫机的实际速度相对应的交流信号的频率、并将该计算的频率与基本频率的频率偏差作为实际速度与期望速度的偏差来计算。而且，输出频率设定装置根据该偏差计算装置计算的频率偏差来校正基本频率并设定变换器的输出频率。

即，如果不考虑控制系统的时滞，那么缝纫机的速度和变换器的输出频率基本上完全对应，可以进行从缝纫机速度向变换器的输出频率或从变换器的输出频率向缝纫机速度的变换。这样，在本发明中，有关本发明的第2方面所记载的装置中，根据针位置检测装置的检测信号来计算缝纫机实际速度的偏差计算装置还根据该检测信号计算变换器的频率，把该计算的频率同与期望速度对应的基本频率的频率偏差设定为表示缝纫机的期望速度与实际速度的速度偏差的值，在输出频率设定装置中，使用频率偏差取代速度偏差来校正基本频率。因此，在本发明的缝纫机控制装置中，也能得到与本发明的第2方面相同的效果。

另外，在本发明中，本发明的第4方面所述，作为速度指示装置可以使用检测在现有电子控制式缝纫机中一般都设有的脚踏板的蹬踏量并指示与其对应的期望速度的装置。

但是，如果是具有以预先设定的针数和送布量来自动缝制加工布的自动缝制功能的装置，那么把作为控制数据之一而预先设定的速度数据作为速度指令读出的该装置就变成速度指示装置；如果是备有例如手动操作柄来代替脚踏板的缝纫机，那么也可以将检测该操作柄的操作量并指示与其对应的期望速度的装置作为速度装置来使用。

下面参照附图对本发明的实施形态进行说明。

图1是表示实施例的工业用缝缝纫机的概略结构的斜视图。

图2是表示实施例的缝纫机控制系统结构的框图。

图3是表示在实施例的驱动电路中所设的变换器的结构的电路图。

图4是表示在控制变换器时使用的电压—频率特性的图。

图5是表示感应电机的频率—转矩特性的图。

图6是表示在实施例的控制电路中执行的控制处理的流程图。

M-缝纫机(工业用平缝缝纫机)

12-感应电机      13-脚踏板

15-控制箱        18-针位置检测器

20-速度指示装置  21-控制电路

22-驱动电路      21a-输入输出接口

21b-CPU(单片微处理机)

首先，图1是适用于本发明的实施例的工业用平缝缝纫机M的整体结构的斜视图。另外，虽然下面使用图1来说明工业用平缝缝纫机结构，但由于工业用平缝缝纫机和一般工业用缝纫机相同，所以进行该说明就变得简单。

如图1所示，本实施例的工业用平缝缝纫机(以下简称缝纫机)M由在工作台上安装的底板1、从底板1的右端竖设的支柱部2和从支柱部2开始与底板1对置向左延伸的支架3构成。

在底板1上设置有使推布齿条上下动作的推布齿条上下动作机构(图示略)、使推布齿条前后动作的推布齿条前后动作机构(图示略)、缝制结束时同时切断上线和下线的自动切线机构(图示略)和线轮搜索器(图示略)等。另外，在支架3上设置有用于使在其下端可安装缝纫针5的针棒4上下移动的针棒驱动机构和使对针棒4的上下移动进行定时的悬壁9上下移动的悬壁驱动机构(图示略)。而且，推布齿条的上下动作机构及前后动作机构、针棒驱动机构和悬壁驱动机构通过支架3内的缝纫机主轴(图示略)由感应电机12来驱动。

另外，在该支架3的右端设有在手动时使缝纫机主轴旋转的手动轮17，在支柱部2的上部设有产生与针棒4的位置和移动速度相对应的检测信号的针位置检测器18。而且，来自该针位置检测器18的检测信号输出到装有用来驱动控制感应电机12的控制装置的控制箱15。并且，在针棒4后侧的缝纫机机壳F中，可指示压杆7上下移动，在该压杆7的下端安装着压脚8。

另外，针位置检测器18是这样构成的：压针棒4到达最高起针位置或最低揿针位置时分别产生表示其意的针位置检测信号(脉冲)，并且在针棒4上下动作之间，将其位置改变量按规定值等分，每隔一定的位置改变量就产生速度检测信号(脉冲信号)。在控制箱15的一侧，能够根据针位置检测信号检测针位置，且能根据速度检测信号检测缝纫机M的实际速度。

其次，把感应电机12固定在安装于工作台10的正下侧的、用于支持工作台10的支架11上。另外，控制箱15固定在该感应电机12的下方。而且，在支架11的下端有可摇动支持的、用于操作缝纫机的脚踏板13，其下端与该脚踏板13连接并沿上下方向延伸的连接杆14的上端与安装在支架11上的控制箱15内的速度指示装置20(参照图2)相连接。

另外，脚踏板13可在水平的中间位置、相对于中间位置向前踏的前踏位置和相对于中间位置向后踏的后踏位置之间摇动。速度指示装置20在向脚踏板13的前踏位置踏进时输出感应电机的起动信号，进而通过踏进来输出与踏进量相对应的速度指示信号，并且在向中间位置踏进时输出起动停止信号，进而在向后踏位置踏进时输出割线/起动信号。

其次，如图2的框图所示，本实施例的缝纫机M的控制系统由上述脚踏板13、针位置检测器18、感应电机12、设置在控制箱15内与脚踏板13相连的速度指示装置20、控制电路21和驱动感应电机12的驱动电路22构成。

另外，控制电路21由输入输出接口21a和单片微处理机21b构成，其中在输入输出接口在输入来自速度指示装置20的速度指令和来自针位置检测器18的输入的同时，还向驱动电路22输出用于驱动感应电机12的控制信号，根据从输入输出接口21输入的速度指令和检测信号来计算用于控制感应电机12的控制量、通过输入输入接口21a根据该计算结果向驱动电路22输出控制信号，由CPU、ROMU、RAM等构成单片微处理机(以下简称CPU)。

另外，如图3所示，在用于根据来自控制电路21的控制信号来使相位不同的三极正弦波交流电流分别流向感应电机12的各相(在本实施例中为3相)的驱动电路22中，包括接受例如对工业电源进行全波整流所得的直流电压后产生施加到感应电机12的各端子上的三相交流电压的众所周知的变换器30。

这样，控制电路21根据脉冲调幅信号(PWM信号)来对设置在该变换器30中的各个转换元件(功率晶体管)31～36依次进行通断的众所周知的PWM控制，并从变换器30向导向电机12的各端子输出与速度指示相对应的电压/频率的三相交流电压。

还有，虽然在CPU 21中还装有产生这样的PWM控制所用的PWM信号的PWM信号发生电路，但由于具有该功能的单片微处理机可普遍买到并已广为人知，所以省略了对其详细构成的说明。还有，对用于由变换器30产生期望电压/期望频率的交流电压的PWM控制，因其可从现有技术了解，故也省略了其详细说明。

然后，对在控制电路21中执行的缝纫机控制的控制处理进行详细说明。在以下的说明中，图4是表示在现有缝纫机控制装置(开环控制)中驱动感应电机12时使用的电压—频率特性图，其中横轴表示频率f，纵轴表示电压V。另外，图5是表示感应电机12的频率—转矩特性的图，其中横轴表示频率f，纵轴表示转矩T。

在缝纫机M的控制装置中，在控制该驱动源即感应电机12时，如图4所示，一般是对变换器的输出进行V/f恒定的控制。而且，作为该V/f特性选择图4所示的特性A，如果在根据来自速度指示装置20的速度指令所得的期望速度为na时设定频率f1作为来自变换器30的输出频率，那么电压V1被设定为变换器30的输出电压，且此时感应电机12的频率—转矩曲线为图5中的TA。而且，此时缝纫机M无负载，在无负载下驱动缝纫机所需的缝纫机速度和驱动转矩的关系为图5所示的负载曲线L1。感应电机12的频率—转矩曲线L1和缝纫机M的负载曲线L1在图5所示的P1点平衡，能够使缝纫机M的实际速度Na和指示速度na一致。

但是，此时，缝纫机M的负载增加，负载曲线变为图5的L2，平衡点移动到P2，缝纫机M的旋转速度降到比指示速度na还低的Nb。在开环控制的情况下，由于频率仍为f1不变化，所以速度保持为Nb。

另一方面，为防止这样的速度变化(降低)，作为在控制时使用的v/f特性选择输出电压大的特性B来替代图4所示的特性A，变换器30的输出电压变得比V11还高，感应电机12的频率—转矩曲线从图5的TA变化到TB，平衡点变成P3，可以用与指示速度na相对应的速度Na来驱动缝纫机M。但是，在与这样向缝纫机M施加一定负载时的负载曲线L2一致设定用于控制感应电机的V/f特性时，即使缝纫机M的负载为轻负载曲线L1时，仍然施加V11电压，存在过电流流过感应电机和发热的问题。

因此，在本实施例中，在变换器30的控制中使用图4所示适合缝纫机无负载的V/f特性A并把根据来自针位置检测器18的速度检测信号检测的缝纫机M的速度从期望速度Na(＝na)下降到Nb的情况下，如图5所示，为使速度返回到Na，把频率由f₁校正到f₂并设定变换器30的输出电压来把感应电机12的频率—转矩曲线从TA平移到TA′，与负载曲线在P3点处平衡。也就是说，在本实施例中，通过根据期望速度与缝纫机M实际速度间的偏差来校正由期望速度唯一设定的变换器30的输出频率，不使电压增加到所需电压以上(也就是说抑制图4所示的电压V2)，能够把缝纫机M的速度控制成为与速度指示相对应的期望速度。

下面按照图6所示的流程图说明为了实现这样的控制而在控制电路21(详细说是CPU 21b)中执行的控制处理(变换器电压、频率控制)。

如图6所示，在控制电路21中，首先在S10(S表示步骤)中根据来自速度指示装置的指示信号来计算速度指令(也就是缝纫机M的期望速度)na，然后在S11中把该速度指令值na转换成变换器30的基本频率f1。而且，接着在S12中，根据来自针位置检测器的速度检测信号来计算缝纫机M的实际速度Nb。

然后，通过在接着的S13中求取该计算的实际速度Nb与速度指示值(期望速度)na间的偏差(na-Nb)，并将该偏差乘以校正系数K2所得的值K2(na-Nb)加到上述计算的基本频率f1上来设定用于控制变换器30的输出频率f2。也就是说，在S13中根据预先设定的计算式[f2＝K2(na-Nb)+f1]来设定变换器30的输出频率f2。

接着，这样设定变换器30的输出频率f2后，此次在S14中根据图4所示的v/f特性A求出与该频率f2相对应的输出电压V2；在接下去的S15中，通过将在S13和S14中求得的频率f2和电压V2输出给图示的PWM信号发生电路，从而从PWM信号发生电路输出用于从变换器30输出频率f2/电压V2的交流信号的控制信号(PWM信号)，并再次转移到S10。

如上所述，在本实施例中，在进行开环控制的现有缝纫装置中，由于根据来自针位置检测器18的速度检测信号进行检测的缝纫机的实际速度Nb与期望速度na的偏差来校正由外部的速度指令唯一设定的变换器30的输出频率和输出电压，所以能够最优地控制不发热的感应电机12的输出转矩并能够以期望速度na来驱动缝纫机。

而且，如果采用本实施例，则能使用设在现有缝纫机中的针位置检测器来检测缝纫机M的实际速度，不需要在感应电机12中另外设置编码器，所以能够廉价实现。

而且特别是如果采用本实施例，即使缝纫机M的转矩发生变化也能够用上述控制来把缝纫机M控制到期望速度，所以能够很好地抑制先前在缝制时所产生的、伴随旋转变化的振动。另外，由于能够这样抑制缝纫机M的振动，所以能够防止该振动带给操作者的不愉快感，还能够提高缝制质量。

上面是对于本发明的一个实施例的说明，但本发明不局限于上述实施例，而可以是各种形态。例如，在上述实施例中虽然是对应用本发明的工业用平缝缝纫机进行于说明，但本发明也适用于包括作为驱动用马达的感应电机、使用变换器对其控制的缝纫机。

Claims (4)

1.一种缝纫机控制装置，包括：

用于驱动缝纫机的感应电机，所述缝纫机的针棒可移动地配置在某一位置上，且以某一移动速度移动；

用于驱动感应电机的的变换器，所述变换器输出具有电压和频率的交流驱动信号；

用于输出指示所述感应电机的期望速度的速度指示信号的速度指示装置；

产生表示针棒位置和移动速度的检测信号的针位置检测器，所述针棒的移动速度与所述缝纫机的实际速度相关；和

根据从该针位置检测器产生的检测信号和上述速度指示装置输出的速度指示信号控制上述变换器，使所述感应电机的实际速度与所述缝纫机的期望速度一致的控制单元；

其特征在于，所述控制单元包括：

用于根据由所述针位置检测器产生的检测信号计算缝纫机的实际速度，以及计算缝纫机的实际速度和缝纫机的期望速度之间的偏差的偏差计算装置；

用于根据缝纫机的期望速度设定从所述变换器输出的交流驱动信号的基本频率的基本频率设定装置；以及

用于根据由所述偏转计算装置计算的缝纫机的实际速度和缝纫机的的期望速度在校正基本频率时设定所述变换器的输出频率的输出频率设定装置。

2.根据权利要求1所述的缝纫机控制装置，其特征在于，上述控制单元包括：

根据用所述输出频率设定装置设定的变换器的输出频率、设定变换器的输出电压，以便使所述变换器的输出频率和输出电压符合所述交流驱动信号的电压和频率之间预定的关系的输出电压设定装置；

所述控制单元控制上述变换器，使上述变换器输出的交流驱动信号具有上述的输出频率和输出电压。

3.根据权利要求2记载的缝纫机控制装置，其特征在于：

上述偏差计算装置根据来自针位置检测器的检测信号来计算与缝纫机的实际速度相对应的交流信号的频率、并将该计算的频率与基本频率的频率偏差作为实际速度与期望速度的偏差来计算；

上述输出频率设定装置根据该偏差计算装置计算的频率偏差来校正基本频率并设定上述变换器的输出频率。

4.根据权利要求1～3中任一项记载的缝纫机控制装置，其特征在于：上述速度指示装置根据在缝纫机中设置的脚踏板的踏踩量指示上述期望速度。

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