CN107528503A - 一种高速工业曲折缝缝纫机的控制系统 - Google Patents

Abstract

一种高速工业曲折缝缝纫机的控制系统，采用X、Z双轴联动控制，直流无刷电机带动机针沿Z轴上下往复运动，而步进电机则带动机针沿X轴摆动，两者相互配合进而实现平面上各种图案的缝制。该控制系统利用高性能控制用数字信号处理器作为工业曲折缝缝纫机控制系统的核心，同时结合缝纫机特性使用反射式光电传感器作为x轴横向运动的触发信号，提高了控制系统的响应速度，增加了控制精度。

Description

一种高速工业曲折缝缝纫机的控制系统

所属技术领域

本发明涉及一种高速工业曲折缝缝纫机的控制系统，适用于机械领域。

背景技术

曲折缝是缝制过程中的一道关键的工序，主要实现各种图案花纹的缝制，同时工业曲折缝缝纫机也广泛应用于服装、针织、皮革等行业。与普通平缝机相比，由于需要在高速运行(5000r/min)状态下进行两轴联动控制，对系统响应速度和两轴的配合要求很高，增加了控制的难度。目前，国内的曲折缝缝纫机还未实现电子控制。

发明内容

本发明提出了一种高速工业曲折缝缝纫机的控制系统，利用高性能控制用数字信号处理器作为工业曲折缝缝纫机控制系统的核心，同时结合缝纫机特性使用反射式光电传感器作为x轴横向运动的触发信号，提高了控制系统的响应速度，增加了控制精度。

本发明所采用的技术方案是：

所述缝纫机采用X、Z双轴联动控制，直流无刷电机带动机针沿Z轴上下往复运动，而步进电机则带动机针沿X轴摆动，两者相互配合进而实现平面上各种图案的缝制。控制器分为上下两部分，下位机主控板以TI公司的电机控制用DSP芯片TMS320LF2407A为核心，通过控制直流无刷电机和步进电机进而实现各种图案的缝制。上位机置于缝纫机机头上，实现控制面板的功能，CPU为华邦78E52单片机，负责各种缝制参数的设置与显示。考虑到高速缝纫机对通信实时性的要求，双CPU之间直接利用并行I/0口进行数据交换。

作为控制系统的核心CPU，LF2407A DSP具有40MIPS的执行速度，16位字长。配合专用的PWM脉冲发生器、A/D转换器、数字10接口等用于控制的片上外设，使得它们从硬件机制上可以较好的满足电机控制系统的要求。

由于缝制速度受踏板和上位机速度调节的控制，因此需要对直流无刷电机进行凋速，又机针停止时需停于特定的上停针和下停针位，所以同时也要进行位置伺服控制，二对直流无刷电机的调速采取双闭环结构，它包括一个速度调节环和一个电流调节环。首先，根据电机安装的霍尔传感器检测到的转子位置信号，计算得到当前转速，然后，与速度参考值比较，得到速度误差信号，经过一个PI控制器调节以后，得到相应的电流参考信号；该电流参考信号与从旁路电阻测量到的电机相电流信号进行比较，误差值经PI控制器调节后，将适当的PWM信号施加到MOS.FET管驱动器上，驱动器通过控制MOSFET管的开通关断顺序和时间，进而实现对直流无刷电机转速的控制。当电机处于运行状态时，速度参考值由上位机的设定值和踏板位置共同给出；而当电机停止时，由于有停止位置的要求，此时构成一个三闭环结构，上停针位或下停针位对应的角位置与光电编码器测量的转角位置比较后，经过一个P控制器，并将此控制器的输出作为速度参考值。

为实现直流无刷电机和步进电机的相互配合，在直流无刷电机的定子上同步安装一个反射式光电开关传感器，反射铝箔安装于电机转子带动的转盘所对应上停针的角位置。当电机转到上停针位置时，触发光电传感器产生脉冲信号，该脉冲信号被DSP的捕获单元捕捉到并同时触发DSP的中断，进而在该中断子程序中驱动步进电机沿X轴横向运动。通过这种设汁，保证了在伺服电机高速运转下能够快速实时地并行完成步进电机的动作。

所述步进电机直接使用两相微步进电机驱动器，脉冲序列由DSP的PWM发生器产生。DSP利用SN74LVC4245A(电平转换加总线驱动)与上位机进行通信，握手信号触发DSP的外部中断，然后在外部中断子程序中读取上位机的数据，并进行预处理，以简化运行时的计算负荷，通信在运行过程时关闭。倒缝、切线、挑线、拨线电磁铁均为直流电磁铁，这里直接用MOSFET管驱动，通过控制各电磁铁的开关时间进而实现自动倒缝和自动切线的功能。

所述上位机硬件结构，主要完成十余个键和将近70个参数的输入和存储的工作。这些输入参数经过归一化后，部分参数存储在本地，其余参数发送给下位机，与下位机的通讯直接由单片机的并行I/0实现。调速变阻器的信号经过A/D转换后送给78E52，然后通过通讯程序发给下位机。反过来，下位机将相应的状态信号和底线计数值发给上位机以锁定键盘和进行数据显示。

本发明的有益效果是：整个系统设计简洁，大幅提高了曲折缝的缝制效率，同时还可推广应用到其它两轴联动的缝纫机、绣花机和雕刻机上，具有很好的经济前景。

附图说明

图1是本发明的主控板硬件结构图。

图2是本发明的上位机硬件结构图。

图3是本发明的有限状态机模型图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明。

如图1，缝纫机采用X、Z双轴联动控制，直流无刷电机带动机针沿z轴上下往复运动，而步进电机则带动机针沿X轴摆动，两者相互配合进而实现平面上各种图案的缝制。控制器分为上下两部分，下位机主控板以TI公司的电机控制用DSP芯片TMS320LF2407A为核心，通过控制直流无刷电机和步进电机进而实现各种图案的缝制。上位机置于缝纫机机头上，实现控制面板的功能，CPU为华邦78E52单片机，负责各种缝制参数的设置与显示。考虑到高速缝纫机对通信实时性的要求，双CPU之间直接利用并行I/0口进行数据交换。

作为控制系统的核心CPU，LF2407A DSP具有40MIPS的执行速度，16位字长。配合专用的PWM脉冲发生器、A/D转换器、数字10接口等用于控制的片上外设，使得它们从硬件机制上可以较好的满足电机控制系统的要求。

由于缝制速度受踏板和上位机速度调节的控制，因此需要对直流无刷电机进行凋速，又机针停止时需停于特定的上停针和下停针位，所以同时也要进行位置伺服控制，二对直流无刷电机的调速采取双闭环结构，它包括一个速度调节环和一个电流调节环。首先，根据电机安装的霍尔传感器检测到的转子位置信号，计算得到当前转速，然后，与速度参考值比较，得到速度误差信号，经过一个PI控制器调节以后，得到相应的电流参考信号；该电流参考信号与从旁路电阻测量到的电机相电流信号进行比较，误差值经PI控制器调节后，将适当的PWM信号施加到MOS.FET管驱动器上，驱动器通过控制MOSFET管的开通关断顺序和时间，进而实现对直流无刷电机转速的控制。当电机处于运行状态时，速度参考值由上位机的设定值和踏板位置共同给出；而当电机停止时，由于有停止位置的要求，此时构成一个三闭环结构，上停针位或下停针位对应的角位置与光电编码器测量的转角位置比较后，经过一个P控制器，并将此控制器的输出作为速度参考值。

如图2，为实现直流无刷电机和步进电机的相互配合，在直流无刷电机的定子上同步安装一个反射式光电开关传感器，反射铝箔安装于电机转子带动的转盘所对应上停针的角位置。当电机转到上停针位置时，触发光电传感器产生脉冲信号，该脉冲信号被DSP的捕获单元捕捉到并同时触发DSP的中断，进而在该中断子程序中驱动步进电机沿X轴横向运动。通过这种设汁，保证了在伺服电机高速运转下能够快速实时地并行完成步进电机的动作。

步进电机直接使用两相微步进电机驱动器，脉冲序列由DSP的PWM发生器产生。DSP利用SN74LVC4245A(电平转换加总线驱动)与上位机进行通信，握手信号触发DSP的外部中断，然后在外部中断子程序中读取上位机的数据，并进行预处理，以简化运行时的计算负荷，通信在运行过程时关闭。倒缝、切线、挑线、拨线电磁铁均为直流电磁铁，这里直接用MOSFET管驱动，通过控制各电磁铁的开关时间进而实现自动倒缝和自动切线的功能。

上位机硬件结构，主要完成十余个键和将近70个参数的输入和存储的工作。这些输入参数经过归一化后，部分参数存储在本地，其余参数发送给下位机，与下位机的通讯直接由单片机的并行I/0实现。调速变阻器的信号经过A/D转换后送给78E52，然后通过通讯程序发给下位机。反过来，下位机将相应的状态信号和底线计数值发给上位机以锁定键盘和进行数据显示。

如图3，缝纫机的状态变迁过程是由各种事件如踩踏板、设置状态标志进行触发的；因为步进电机的运动属于并发进程，无法在有限状态机上体现，但由于该进程只有一个状态，即根据设置的摆动宽度带动机针左右运动，所以可将其作为有限状态机模型的一个从属进程来处理。整个控制软件即根据有限状态机模型进行设计。开机后，首先进人初始化状态，即进行CPU初始化和通讯初始化，读入上位机数据并计算运行时参数，放入堆栈，随即进入停止状态。DSP定时对踏板电位器进行采样，在定时器中断子程序中结合上位机设置的状态参数决定进入何种状态。直流无刷电机驱动程序自成一个子程序，由各个程序调用。同时，将DSP捕获单元中断优先级设为最高，在捕获单元中断程序中调用步进驱动程序带动机针横向移动相应的距离。

Claims (6)

1.一种高速工业曲折缝缝纫机的控制系统，其特征是：所述缝纫机采用X、Z双轴联动控制，直流无刷电机带动机针沿Z轴上下往复运动，而步进电机则带动机针沿X轴摆动，两者相互配合进而实现平面上各种图案的缝制。

2.根据权利要求1所述的一种高速工业曲折缝缝纫机的控制系统，其特征是：所述控制器分为上下两部分，下位机主控板以TI公司的电机控制用DSP芯片TMS320LF2407A为核心，通过控制直流无刷电机和步进电机进而实现各种图案的缝制。

3.根据权利要求1所述的一种高速工业曲折缝缝纫机的控制系统，其特征是：所述上位机置于缝纫机机头上，实现控制面板的功能，CPU为华邦78E52单片机，负责各种缝制参数的设置与显示，考虑到高速缝纫机对通信实时性的要求，双CPU之间直接利用并行I/0口进行数据交换。

4.根据权利要求1所述的一种高速工业曲折缝缝纫机的控制系统，其特征是：作为控制系统的核心CPU，LF2407A DSP具有40MIPS的执行速度，16位字长，配合专用的PWM脉冲发生器、A/D转换器、数字10接口等用于控制的片上外设，使得它们从硬件机制上可以较好的满足电机控制系统的要求。

5.根据权利要求1所述的一种高速工业曲折缝缝纫机的控制系统，其特征是：所述步进电机直接使用两相微步进电机驱动器，脉冲序列由DSP的PWM发生器产生，DSP利用SN74LVC4245A(电平转换加总线驱动)与上位机进行通信，握手信号触发DSP的外部中断，然后在外部中断子程序中读取上位机的数据，并进行预处理，以简化运行时的计算负荷，通信在运行过程时关闭。

6.根据权利要求1所述的一种高速工业曲折缝缝纫机的控制系统，其特征是：所述上位机硬件结构，主要完成十余个键和将近70个参数的输入和存储的工作，这些输入参数经过归一化后，部分参数存储在本地，其余参数发送给下位机，与下位机的通讯直接由单片机的并行I/0实现。