CN113890431A - 缝纫机的送布电机控制方法、系统、缝纫机及存储介质 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种缝纫机的送布电机控制方法、系统、缝纫机及存储介质，缝纫机的送布电机控制方法包括：获取送布电机的最高速度ω_max和送布电机的最大加速度限值ε_max；根据公式T＝6ω_max/ε_max计算得到送布电机的运动周期T；将运动周期T划分为五段，前两段为加速段，前两段的加速度曲线相切；后两段为减速段，后两段的加速度曲线相切；加速段和减速段之间为恒速段；根据上述五段的加速度曲线控制送布电机运行。

Description

缝纫机的送布电机控制方法、系统、缝纫机及存储介质

技术领域

本发明涉及缝纫设备技术领域，特别涉及一种缝纫机的送布电机控制方法、系统、缝纫机及存储介质。

背景技术

众所周知，针对电脑花样机等缝纫机，在工作时，要求主轴匀速运动，而X轴和Y轴的步进电机快速响应并跟随主轴，在规定时间内完成进给运动。随着主轴转速要求的提高，要求步进电机在极短的时间内快速频繁启停，而不能出现堵转和丢步的现象。

由于花样机的送布框是步进电机通过同步带传送的，在进给距离、主轴速度和负载变化的情况下，要求合理的速度、加速度规划，才能保证进给运动的平稳性、柔顺性和定位精度。

目前常用的加减速算法有直线型加减速算法、指数型加减速算法以及S型加减速算法。直线型加减速算法虽然一定程度上降低启停过程中带来的冲击，但是在加速阶段的终点以及减速阶段的起点均存在速度突变，电机速度变化过程平滑性较差，可能会导致电机失步或者堵转，造成定位不精准，甚至可能造成过冲等损伤机械本体的问题。而指数型加减速算法指数型加减速是使起动或停止时的速度突变变成按指数规律上升或下降的较为圆滑曲线的一种方法，指数型加减速算法解决了步进电机启动期间的平滑性差的问题，同时缩短了加减速的时间，提高了灵敏性，但是在减速阶段的启动依旧存在速度突变处。S型加减速算法的加速度连续变化、平稳性好、运动精度高，然而其变速过程所划分的阶段过多，涉及参数较多，并且根据路径段长度有多种变化，算法计算量大，实际实现太复杂繁冗。

发明内容

本发明的目的是提供一种缝纫机的送布电机控制方法、系统、缝纫机及存储介质，在确保加速度和速度平滑的同时，计算量小，易于实现。

为实现上述目的，本发明提供一种缝纫机的送布电机控制方法，包括：

获取送布电机的最高速度ω_max和送布电机的最大加速度限值ε_max；

根据公式T＝6ω_max/ε_max计算得到送布电机的运动周期T；

将运动周期T划分为五段，前两段为加速段，前两段的加速度曲线相切；后两段为减速段，后两段的加速度曲线相切；加速段和减速段之间为恒速段；

根据上述五段的加速度曲线控制送布电机运行。

可选地，送布电机的最大加速度限值为ε_max的获取方式，包括：

获取缝纫机的针距d₀、缝纫机的主轴速度的最大转速n_{max_d0}和某一针距d对应的送布电机转过角度θ的转换系数k_d2θ，k_d2θ＝θ/d；

根据公式ε_max＝k_d2θ×d₀×n² _{max_d0}/200计算得到送布电机的最大加速度限值为ε_max。

可选地，送布电机的最高速度ω_max的获取方式，包括：

获取送布电机的最大速度的最低限值为ω_{max_L}、送布电机的给定针距θ_step、缝纫机的最小针距对应的送布电机的转角θ_{step_min}、缝纫机的临界针距对应的送布电机的转角θ_{step_th}和送布电机的最大速度限值为ω_{max_limit}；

当θ_{step_min}≤θ_step≤θ_{step_th}时，根据公式

ω_max＝ω_{max_L}+k_θ2w×(θ_step-θ_{step_min})计算得到送布电机的最高速度ω_max；

当θ_step≥θ_{step_th}时，送布电机的最高速度ω_max＝ω_{max_limit}；

其中，k_θ2w＝(ω_{max_limit}-ω_{max_L})/(θ_{step_th}-θ_{step_min})。

可选地，送布电机的最大速度限值为ω_{max_limit}的获取方式，包括：

获取缝纫机的送布框的最高空送的速度v_max；

根据公式ω_{max_limit}＝k_d2θ×v_max计算得到送布电机的最大速度限值ω_{max_limit}。

可选地，送布电机的最大速度的最低限值为ω_{max_L}的获取方式，包括：

获取缝纫机的送布框的平稳空送的最低速度v_min；

根据公式ω_{max_L}＝k_d2θ×v_min计算得到送布电机的最大速度的最低限值为ω_{max_L}。

可选地，恒速段的运行时间T_c＝θ_step/ω_max-T/3。

可选地，

第一段的持续时间为T/6，

第一段的加速度随时间t的曲线函数为：

第一段的速度随时间t的曲线函数为：

第一段的位移随时间t的曲线函数为：

第二段的持续时间为T/6，

第二段的加速度随时间t的曲线函数为：

第二段的速度随时间t的曲线函数为：

第二段的位移随时间t的曲线函数为：

第三段的加速度为0；

第三段的速度为ω_max；

第三段的位移为ω_max×T_c，T_c为第三段的持续时间；

第四段的持续时间为T/6，

第四段的加速度随时间t的曲线函数为：

第四段的速度随时间t的曲线函数为：

第四段的位移随时间t的曲线函数为：

第五段的持续时间为T/6，

第五段的加速度随时间t的曲线函数为：

第五段的速度随时间t的曲线函数为：

第五段的位移随时间t的曲线函数为：

本发明还提供一种缝纫机的送布电机控制系统，包括：

获取单元：用于获取送布电机的最高速度ω_max和送布电机的最大加速度限值ε_max；

计算单元：用于根据公式T＝6ω_max/ε_max计算得到送布电机的运动周期T；

控制单元：用于将运动周期T划分为五段，前两段为加速段，前两段的加速度曲线相切；后两段为减速段，后两段的加速度曲线相切；加速段和减速段之间为恒速段；

并用于根据上述五段的加速度曲线控制送布电机运行。

本发明还提供一种缝纫机，包括存储器和处理器，存储器中存储有计算机程序，处理器调用存储器中的计算机程序时实现如上述缝纫机的送布电机控制方法的步骤。

本发明还提供一种存储介质，存储介质中存储有计算机可执行指令，计算机可执行指令被处理器加载并执行时，实现如上述缝纫机的送布电机控制方法的步骤。

相对于上述背景技术，本发明提供的缝纫机的送布电机控制方法，将运动周期T划分为五段，即采用五段式的加减速区间，在确保加速度和速度平滑的同时，仅有五段，计算量小，易于实现。同时，可以根据送布针距调整送布电机(即步进电机)最高允许速度，在高速缝纫时可充分发挥送布电机性能，尽量提前步进送布动作，给同步带留缓冲时间，进而确保高速缝纫时获得良好的缝纫线迹。

进一步地，本发明提供的缝纫机的送布电机控制方法，引入三角函数，由于正弦函数本身具有的特性使得加速度和加加速度曲线连续，相较于直线和指数加减速控制算法，减少了给系统带来的冲击，相较于S型加减速算法，该方法进入恒速前以及停止前加速度和速度更加平滑，开始加速及开始减速的前段更快，加速度平均值更大，而且仅有五段，计算量小，易于实现。

本发明提供的缝纫机的送布电机控制系统、缝纫机及存储介质，具备上述有益效果，此处将不再展开。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据提供的附图获得其他的附图。

图1为本发明实施例所提供的缝纫机的送布电机控制方法的流程图；

图2为本发明实施例所提供的缝纫机的送布电机控制系统的结构框图；

图3为应用本发明实施例所提供的缝纫机的送布电机控制方法时五段区间的加速度和速度的曲线图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

为了使本技术领域的技术人员更好地理解本发明方案，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步的详细说明。

本申请记载的缝纫机的送布电机控制方法，如说明书附图1所示，包括：

S1、获取送布电机的最高速度ω_max和送布电机的最大加速度限值ε_max；

S2、根据公式T＝6ω_max/ε_max计算得到送布电机的运动周期T；

S3、将运动周期T划分为五段，前两段为加速段，前两段的加速度曲线相切；后两段为减速段，后两段的加速度曲线相切；加速段和减速段之间为恒速段；

S4、根据上述五段的加速度曲线控制送布电机运行。

本文记载的缝纫机的送布电机控制方法，缝纫机可具体为花样机等，送布电机通常是指用来驱动花样机的送布框进行运动的步进电机，如背景技术记载，花样机的送布框是步进电机通过同步带传送的，为了优化送布电机(即步进电机)的运动，在进给距离、主轴速度和负载变化的情况下，要求合理的速度、加速度规划，才能保证进给运动的平稳性、柔顺性和定位精度。

本文记载的缝纫机的送布电机控制方法，涉及到电机控制的指令规划(位移及速度规划)，是步进驱动器为获得更优动态性能根据主轴发过来的指令(针距及主轴转速)进行解析的算法，以“翻译”成步进驱动器能够识别的最优指令，是电机控制过程中非常关键的一步，再往后就是电机的驱动及控制算法(此专利未涉及)。

由于送布电机(即步进电机)的动态转矩随着步进电机运行转速的提高会减小，不像伺服电机那样在额定转速以下均拥有恒转矩输出能力，因而合理的加减速的运动轨迹规划可提高步进电机动态性能，并改善提升花样机高速缝纫时的线迹。

在上述步骤S1中，可通过上位机下发送布电机的最高速度ω_max和送布电机的最大加速度限值ε_max，以便对送布电机的最高速度ω_max和送布电机的最大加速度限值ε_max进行获取。

在上述步骤S2中，根据公式T＝6ω_max/ε_max计算得到送布电机的运动周期T；运动周期T，是指需要控制送布电机的运动时长。

在上述步骤S3中，将运动周期T划分为五段，前两段为加速段，前两段的加速度曲线相切；后两段为减速段，后两段的加速度曲线相切；加速段和减速段之间为恒速段；

可以看出，针对前两段的加速段和后两段的减速段，分别设置为两两相切的正弦加速度曲线，该方式在步进电机现有加减速规划方法中从未出现。

在上述步骤S4中，根据上述五段的加速度曲线控制送布电机运行。

如此设置的缝纫机的送布电机控制方法，例如在3.0mm针距下，当主轴速度较低时(如中低速缝纫)，直接根据针距，结合针距和送布电机(即步进电机)的最高转速限制，进行加减速规划，送布电机是始终以最大峰值加速度(即正弦加速度曲线的幅值峰峰值相同)，结果就是步进用比较短的时间完成送布框驱动，送布提前完成。

在一种实施方式中，送布电机的最大加速度限值为ε_max的获取方式，包括：

获取缝纫机的针距d₀、缝纫机的主轴速度的最大转速n_{max_d0}和某一针距d对应的送布电机转过角度θ的转换系数k_d2θ，k_d2θ＝θ/d；

根据公式ε_max＝k_d2θ×d₀×n² _{max_d0}/200计算得到送布电机的最大加速度限值为ε_max。

假设：在典型针距d₀(如3.0mm)下，花样机的主轴速度的最大转速(最高缝纫速度)n_{max_d0}(如2800rpm)，k_d2θ为针距d所对应的步进电机转过角度θ的转换系数(θ＝k_d2θ×d)，则ε_max按下式计算：

在一种实施方式中，送布电机的最高速度ω_max的获取方式，包括：

获取送布电机的最大速度的最低限值为ω_{max_L}、送布电机的给定针距θ_step、缝纫机的最小针距对应的送布电机的转角θ_{step_min}、缝纫机的临界针距对应的送布电机的转角θ_{step_th}和送布电机的最大速度限值为ω_{max_limit}；

当θ_{step_min}≤θ_step≤θ_{step_th}时，根据公式

ω_max＝ω_{max_L}+k_θ2w×(θ_step-θ_{step_min})计算得到送布电机的最高速度ω_max；

当θ_step≥θ_{step_th}时，送布电机的最高速度ω_max＝ω_{max_limit}；

其中，k_θ2w＝(ω_{max_limit}-ω_{max_L})/(θ_{step_th}-θ_{step_min})。

即，根据下式计算送布电机的最高速度ω_max，其中，k_θ2w为系数，θ_step为送布距离指令对应的步进转角指令，θ_{step_th}为临界针距(一般略大于上述的标准针距d₀)对应的送布电机的转角，其对应ω_{max_limit}；θ_{step_min}为最小针距对应的送布电机的转角，其对应ω_{max_L}。

其中k_θ2w由下式计算：

在一种实施方式中，送布电机的最大速度限值为ω_{max_limit}的获取方式为：

获取缝纫机的送布框的最高空送的速度v_max；

根据公式ω_{max_limit}＝k_d2θ×v_max计算得到送布电机的最大速度限值ω_{max_limit}。

送布电机的最大速度的最低限值为ω_{max_L}的获取方式为：

获取所述缝纫机的送布框的平稳空送的最低速度v_min；

根据公式ω_{max_L}＝k_d2θ×v_min计算得到所述送布电机的最大速度的最低限值为ω_{max_L}。

其中，送布电机的最大加速度限值ε_max、送布电机的最大速度限值ω_{max_limit}和送布电机的最大速度的最低限值为ω_{max_L}三者可通过上述公式由系统计算得到，送布电机的给定针距θ_step则由上位机发送至系统。

恒速段的运行时间可具体为T_c＝θ_step/ω_max-T/3。

假设t为进入每一段曲线的时间(刚进入时的时刻为0时刻)则第I至V段曲线的函数如下，其中涉及的参考均可参考上文；

第一段：

则第一段的结束时刻有：

第二段：

则第二段的结束时刻有：

ε₂＝ε₂(t₂)＝0

第三段：

ε₃(t)＝0

则第三段的结束时刻有：

ε₃＝ε₃(t₃)＝0

第四段：

则第四段的结束时刻有：

第五段：

则第五段的结束时刻有：

ε₅＝ε₅(t₅)＝0

可参考说明书附图3所示，位于上方的a曲线为加速度曲线，位于下方的b曲线为速度曲线，加速度曲线和速度曲线两者均从0开始，被分割为Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ和Ⅴ段，分别对应上文的第一段至第五段，每一段的加速度曲线和速度曲线符合上述的公式。

其中，0至1的时间间隔为t₁，1至2的时间间隔为t₂，2至3的时间间隔为t₃，3至4的时间间隔为t₄，4至5的时间间隔为t₅，I与II两段的加速度是两段相切的正弦曲线，IV与V两段的加速度是两段相切的正弦曲线。四段加速度正弦曲线的周期及幅值均相同。T为加速度正弦信号的周期。送布电机的最大加速度限值ε_max为加速度正弦信号的幅值。k时刻(1、2、3、4、5)时刻的加速度、速度及位移分别为ε_k、ω_k及θ_k。第k段的加速度函数、速度函数及位移函数分别为ε_k(t)、ω_k(t)和θ_k(t)。

采用上述缝纫机的送布电机控制方法，加速段(前两段)和减速段(后两段)分别引入两段相切的正弦加速度曲线，即四段正弦曲线，并在加速段和减速段之间插入恒速段，共五段。四段正弦曲线的持续时间、周期和幅值均相等。

该方法在进入恒速前以及停止前加速度和速度更加平滑，开始加速及开始减速的前段更快，加速度平均值更大，而且仅有五段，计算量小，易于实现。本申请根据步进送布针距调整步进电机最高允许速度，在高速缝纫时可充分发挥步进电机性能，尽量提前步进送布动作，给同步带留缓冲时间，进而确保高速缝纫时获得良好的缝纫线迹。

本申请实施例提供的一种缝纫机的送布电机控制系统，可应用于上文记载的缝纫机的送布电机控制方法，且缝纫机的送布电机控制系统的工作原理和运行过程可参考上文的缝纫机的送布电机控制方法，缝纫机的送布电机控制系统的结构框图如附图2所示，包括：

获取单元101：用于获取送布电机的最高速度ω_max和送布电机的最大加速度限值ε_max；

计算单元102：用于根据公式T＝6ω_max/ε_max计算得到送布电机的运动周期T；

控制单元103：用于将运动周期T划分为五段，前两段为加速段，前两段的加速度曲线相切；后两段为减速段，后两段的加速度曲线相切；加速段和减速段之间为恒速段；

并用于根据上述五段的加速度曲线控制送布电机运行。

本申请还记载一种缝纫机，包括存储器和处理器，所述存储器中存储有计算机程序，所述处理器调用所述存储器中的计算机程序时实现如上述的缝纫机的送布电机控制方法的步骤。缝纫机的其他部件均可参考现有技术，此处不再展开。

本申请还记载一种存储介质，所述存储介质中存储有计算机可执行指令，所述计算机可执行指令被处理器加载并执行时，实现如上述缝纫机的送布电机控制方法的步骤。

需要说明的是，在本说明书中，诸如第一和第二之类的关系术语仅仅用来将一个实体与另外几个实体区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体之间存在任何这种实际的关系或者顺序。

以上对本发明所提供的缝纫机的送布电机控制方法、系统、缝纫机及存储介质进行了详细介绍。本文中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想。应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以对本发明进行若干改进和修饰，这些改进和修饰也落入本发明权利要求的保护范围内。

Claims (10)

1.一种缝纫机的送布电机控制方法，其特征在于，包括：

获取所述送布电机的最高速度ω_max和所述送布电机的最大加速度限值ε_max；

根据公式T＝6ω_max/ε_max计算得到所述送布电机的运动周期T；

将所述运动周期T划分为五段，前两段为加速段，前两段的加速度曲线相切；后两段为减速段，后两段的加速度曲线相切；所述加速段和所述减速段之间为恒速段；

根据上述五段的加速度曲线控制所述送布电机运行。

2.根据权利要求1所述的缝纫机的送布电机控制方法，其特征在于，所述送布电机的最大加速度限值为ε_max的获取方式，包括：

获取所述缝纫机的针距d₀、所述缝纫机的主轴速度的最大转速n_{max_d0}和某一针距d对应的所述送布电机转过角度θ的转换系数k_d2θ，k_d2θ＝θ/d；

根据公式ε_max＝k_d2θ×d₀×n² _{max_d0}/200计算得到所述送布电机的最大加速度限值为ε_max。

3.根据权利要求2所述的缝纫机的送布电机控制方法，其特征在于，所述送布电机的最高速度ω_max的获取方式，包括：

获取所述送布电机的最大速度的最低限值为ω_{max_L}、所述送布电机的给定针距θ_step、所述缝纫机的最小针距对应的所述送布电机的转角θ_{step_min}、所述缝纫机的临界针距对应的所述送布电机的转角θ_{step_th}和所述送布电机的最大速度限值为ω_{max_limit}；

当θ_{step_min}≤θ_step≤θ_{step_th}时，根据公式

ω_max＝ω_{max_L}+k_θ2w×(θ_step-θ_{step_min})计算得到送布电机的最高速度ω_max；

当θ_step≥θ_{step_th}时，送布电机的最高速度ω_max＝ω_{max_limit}；

其中，k_θ2w＝(ω_{max_limit}-ω_{max_L})/(θ_{step_th}-θ_{step_min})。

4.根据权利要求3所述的缝纫机的送布电机控制方法，其特征在于，所述送布电机的最大速度限值为ω_{max_limit}的获取方式，包括：

获取所述缝纫机的送布框的最高空送的速度v_max；

根据公式ω_{max_limit}＝k_d2θ×v_max计算得到所述送布电机的最大速度限值ω_{max_limit}。

5.根据权利要求4所述的缝纫机的送布电机控制方法，其特征在于，所述送布电机的最大速度的最低限值为ω_{max_L}的获取方式，包括：

获取所述缝纫机的送布框的平稳空送的最低速度v_min；

根据公式ω_{max_L}＝k_d2θ×v_min计算得到所述送布电机的最大速度的最低限值为ω_{max_L}。

6.根据权利要求5所述的缝纫机的送布电机控制方法，其特征在于，所述恒速段的运行时间T_c＝θ_step/ω_max-T/3。

7.根据权利要求6所述的缝纫机的送布电机控制方法，其特征在于，

所述第一段的持续时间为T/6，

所述第一段的加速度随时间t的曲线函数为：

所述第一段的速度随时间t的曲线函数为：

所述第一段的位移随时间t的曲线函数为：

所述第二段的持续时间为T/6，

所述第二段的加速度随时间t的曲线函数为：

所述第二段的速度随时间t的曲线函数为：

所述第二段的位移随时间t的曲线函数为：

所述第三段的加速度为0；

所述第三段的速度为ω_max；

所述第三段的位移为ω_max×T_c，T_c为所述第三段的持续时间；

所述第四段的持续时间为T/6，

所述第四段的加速度随时间t的曲线函数为：

所述第四段的速度随时间t的曲线函数为：

所述第四段的位移随时间t的曲线函数为：

所述第五段的持续时间为T/6，

所述第五段的加速度随时间t的曲线函数为：

所述第五段的速度随时间t的曲线函数为：

所述第五段的位移随时间t的曲线函数为：

8.一种缝纫机的送布电机控制系统，其特征在于，包括：

获取单元：用于获取所述送布电机的最高速度ω_max和所述送布电机的最大加速度限值ε_max；

计算单元：用于根据公式T＝6ω_max/ε_max计算得到所述送布电机的运动周期T；

控制单元：用于将所述运动周期T划分为五段，前两段为加速段，前两段的加速度曲线相切；后两段为减速段，后两段的加速度曲线相切；所述加速段和所述减速段之间为恒速段；

并用于根据上述五段的加速度曲线控制所述送布电机运行。

9.一种缝纫机，其特征在于，包括存储器和处理器，所述存储器中存储有计算机程序，所述处理器调用所述存储器中的计算机程序时实现如权利要求1至7任一项所述缝纫机的送布电机控制方法的步骤。

10.一种存储介质，其特征在于，所述存储介质中存储有计算机可执行指令，所述计算机可执行指令被处理器加载并执行时，实现如权利要求1至7任一项所述缝纫机的送布电机控制方法的步骤。

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