DE3721904A1 - Motorsteuerung fuer eine naehmaschine - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine Motorsteuerung für eine Näh­ maschine, genauer auf eine Motorsteuerung zum Anhalten einer Na­ del der Nähmaschine mit Hilfe eines Inverters.

Motoren zur Steuerung einer Nähmaschinennadel, wie Gleich­ stromservomotoren und Kupplungsmotoren, sind weit verbreitet. Wartung ist für den Gleichstromservomotor, offenbart in U.S. Pat. No. 41 37 860, erforderlich, da er Bürsten hat. Ein Kupplungs­ motor, offenbart in U.S. Pat. No. 39 10 211, benötigt einen Brems­ mechanismus und muß gleichzeitig den Motor aktivieren, während die Nadel gestoppt wird, so daß Energieverlust und geringe Halt­ barkeit die Folgen sind. Vor kurzem wurde eine Steuereinrichtung vorgeschlagen, veröffentlicht in U.S. Pat. No. 46 27 370, zur Steuerung der Geschwindigkeit eines Asynchronmotors durch einen Inverter.

In diesem Inverter wird der Motor durch Nutzbremsung, Gleich­ strombremsung oder Negativphasenbremsung usw. abgebremst. Die Steuerung der Anhaltposition der Nadel geschieht jedoch durch eine mechanischelektromagnetische Bremse, so daß die Nadel in der vorherbestimmten Position in Auf- oder Abwärtsrichtung ge­ stoppt wird. Folglich sollte die elektromagnetische Bremse im Motor enthalten sein, was ihn vergrößert.

Ferner wird der Treiberkreis der elektromagnetischen Bremse ge­ nauso wie der Inverterkreis benötigt, so daß die Kosten der Appa­ ratur steigen.

Außerdem wurde ein in der Anmeldung EPÜ Nr. 1 76 599 offenbar­ ter Synchronmotor vorgeschlagen und entwickelt, der den Inverter zur Steuerung des Motors der Nähmaschine benutzt. Dieser Motor hat jedoch einen zu einem Rotor allgemein zugehörigen Permantent­ magneten. Ferner braucht er einen Detektor, um die Drehposition eines Rotors zu erkennen, so daß der Anregungszustand der Stator­ wicklungen beeinflußbar ist. Entsprechend wird die Motorgestal­ tung kompliziert, was die Kosten wieder erhöht.

Die Aufgabe der Erfindung ist es daher, die Nadel einer Näh­ maschine unter Verwendung eines Inverters zu stoppen; insbeson­ dere soll die Anhaltsteuerung der Nadel der Nähmaschine verein­ facht werden, ohne Benutzung einer mechanischen Bremsvorrich­ tung; und insbesondere soll der Bremsmechanismus klein und kostengünstig sein.

Erfindungsgemäß wird eine Motorsteuerung für eine Nähmaschine vorgesehen mit:
einem Inverterkreis zum Vorsehen einer Wechselkraft für Sta­ torwicklungen eines Wechselstrommotors mit veränderlicher Fre­ quenz zum Erzeugen eines Drehfeldes darin;
einem Detektor, zum Erkennen einer vorbestimmten Position ei­ ner Nadel und zum Ausgeben eines entsprechenden Positionssignals;
einer Invertersteuerung zum Erzeugen eines Aktivierungssig­ nals zum Steuern des Drehfeldes und zum Aktivieren des Inverter­ kreises als Antwort darauf;
einer Befehlseinheit zum Erzeugen eines Stopsignales zum An­ halten des Wechselstrommotors;
einer Anhaltsteuerungseinheit zum Aufrechterhalten des Anre­ gungszustandes der Statorwicklungen entsprechend dem Positions­ signal, zum Anhalten der Nadel nach der Ausgabe des Stopsignals.

Erfindungsgemäß wird das Aktivierungssignal in Übereinstimmung mit einer im wesentlichen sinusförmigen Pulsweitenmodulation (PWM) erzeugt. Der angeregte Zustand im Eingabezeitpunkt des Po­ sitionssignales wird aufrechterhalten als Antwort auf das Posi­ tionssignal. Mit anderen Worten, der Zyklus der Statorwicklungs­ aktivierung wird fortgesetzt. Die Rechteck-PWM oder Vielfach-PAM können verwendet werden.

In Anbetracht des oben genannten, wird der Inverterkreis von der Invertersteuerung entsprechend einer vorbestimmten Reihenfol­ ge aktiviert, wodurch das veränderliche Drehfeld im Wechselstrom­ motor erzeugt wird und der Motor synchron oder rutschend damit gedreht wird. Die Richtung des Drehfeldes wird vom Aktivierungs­ signal der Invertersteuerung gesteuert. Die Nadel geht hoch und runter im Einklang mit der Motordrehrichtung. Nachdem das Stop­ signal, das die Drehung steuert, und das Positionssignal empfan­ gen wurden, wird die Stopsteuerung der Nadel ausgeführt, indem das Drehfeld gesteuert wird zum Anhalten an einer vorbestimmten Position. So wird der Wechselstrommotor in der vorbestimmten Po­ sition angehalten. Ferner wird die Bremskraft während der Stop­ steuerung durch die Stärke des Drehfeldes eingestellt.

Weitere Merkmale und Zweckmäßigkeiten der Erfindung ergeben sich aus der Beschreibung von Ausführungsbeispielen anhand der Figuren. Von den Figuren zeigen:

Fig. 1 ein Diagramm einer allgemeinen Anordnung einer er­ findungsgemäßen Ausführungsform,

Fig. 2 ein Zeitablaufdiagramm für ein Aktivierungssignal mit Sinus-PWM,

Fig. 3 ein Vektordiagramm des Aktivierungssignales,

Fig. 4 ein einen Zusammenhang zwischen einem Drehfeld und einer Aktivierungsbedingung zeigendes Vektor­ diagramm,

Fig. 5A u. 5B ein Flußdiagramm der Arbeitsschritte einer MPU,

Fig. 6 eine Daten der Aktivierungssteuerung enthaltende Tabelle,

Fig. 7 eine Daten zur Frequenzsteuerung enthaltende Tabelle,

Fig. 8 ein Zeitablaufdiagramm über das Aktivierungssignal.

Im folgenden wird eine Ausführungsform in Verbindung mit den Fig. 1 bis 8 beschrieben.

Fig. 1 zeigt einen vollständigen Aufbau einer Nähmaschine mit einer Steuereinrichtung in einer erfindungsgemäßen Ausführungs­ form. Das Bezugszeichen 1 bezeichnet eine Nähmaschine 1, die mit einer Hauptwelle 2 darin versehen ist. Die Hauptwelle 2 wird für die Auf- und Niederbewegung einer Nadelstange 3 eingesetzt, die mit der Nadel 4 versehen ist. Die Nadel 4 bewegt sich relativ zu einem Tisch 5 durch die Stichplatte hindurch auf und nieder in Zusammenspiel mit der Drehung der Hauptwelle 2, so daß ein Werkstück genäht wird. Die Hauptwelle 2 ist mit einem Stellungs­ sensor 9 zum Erkennen der Nadelposition versehen. Der Stellungs­ sensor 9 weist eine an der Hauptwelle 2 vorgesehene in Sektoren aufgeteilte Deckplatte 9 a auf, mit einer partiellen Kerbe und einem Photounterbrecher 9 b. Der Strahl geht durch die Kerbe, so daß die Drehstellung der Hauptwelle 2 erkannt wird. Der Stel­ lungssensor 9 erkennt durch die Lage der Kerbe, wann die Nadel 4 einen vorbestimmten oberen Punkt (in Verhältnis zum Werkstück) erreicht hat. Das vom Stellungssensor 9 erkannte Signal wird an eine Steuereinrichtung 6 ausgegeben. Die Hauptwelle 2 wird durch einen Asynchronmotor (ASM) 14 über Riemenscheiben 20 und 22 und eInen Riemen 21 gedreht. Der Asynchronmotor (ASM) 14 enthält ei­ nen Rotor 141 und eine Statorwicklung 142, die mit Energie vom Inverterkreis 13 versorgt werden, dessen Transistoren durch ei­ nen Treiberkreis 8 aktiviert werden. Der Treiberkreis 8 ist mit einer Mikroprozessoreinheit (MPU) 7 verbunden und gibt ein Steuersignal für jeden Transistor des Inverterkreises 13 aus, als Antwort auf das Steuersignal von der MPU 7. Die MPU 7 ent­ hält ein ROM 10, das ein Aktivierungssteuerprogramm und eine Steuertabelle speichert und ist mIt einer Nähsteuerung 12 verbun­ den, die ein Befehlsignal unter Berücksichtigung der Drehung des Asynchronmotors 14 entsprechend der Nähdaten ausgibt. Die Näh­ steuerung 12 gibt ein Startbefehlsignal als Reaktion auf ein Nie­ dertreten des Pedales 30 und ein Stopbefehlsignal als Reaktion auf dessen Loslassen aus. Der Inverterkreis 13 enthält einen Glättungskondensator 15, einen Leistungsumkehrteil 16 und einen 3-Phasen-(voll-wellen-) Gleichrichterkreis 19. Der Leistungsumkehrteil 16 ist so konstru­ iert, daß 6 Transistoren in einer 3-Phasen-Brücke miteinander verbunden sind. Diese Ausführungsform ist die Motorsteuerung für die Nähma­ schine, die automatisch entsprechend den Nähdaten näht. Die Akti­ vierungssteuerung erfolgt gemäß der von der MPU 7 ausgegebenen Sinus-PWM. Die Transistoren Q 1 bis Q 6, die den Leistungsumkehr­ teil 16 darstellen, sind in 3 Gruppen aufgeteilt (Q 1, Q 4), (Q 2, Q 5) und (Q 3, Q 6). Die zwei Transistoren einer jeden Gruppe sind nicht gleichzeitig ein- oder ausgeschaltet, sondern wechseln sich ab, außer während der Todzeit, in der der Kurz-aus-Zustand gleichzeitig eintritt, um eine Zerstörung der Elemente durch Kurzschlüsse während des Ein-Aus-Schaltens zu vermeiden. Die Ak­ tivierungssignale (T 1, T 2, T 3) für die Transistoren (Q 1, Q 2, Q 3) wer­ den von der MPU 7 zum Treibersteuerkreis 8 gesandt. Die Aktivie­ rungssignale (T 4, T 5, T 6) werden von dem Treiberkreis 8 an den In­ verterkreis 13 geschickt.

Die im wesentlichen sinusförmige PWM unterteilt eine Periode einer 3-Phasen-Sinuswelle und moduliert an jedem Teilungspunkt die Amplitude in eine Pulsweite. Fig. 2 zeigt die Aktivierungs­ signale (T 1- T 6) und die an den Asynchronmotor (ASM) 14 angeleg­ te Leiterspannung V, wobei jeweils eine 3-Phasen-PWM dargestellt wird. Fig. 3 zeigt ein Vektordiagramm, in dem die Aktivierungs­ signale (T 1, T 2, T 3) eine 3-Phasen-Spannung darstellen, wenn jedes Signal auf "1" bei einem hohen und auf "0" bei einem niedrigen Spannungspegel gesetzt ist. Es gibt 8 Zustände der 3-Phasen- Spannung: V 0 (0, 0, 0), V 1 (1, 0, 0), V 2 (1, 0, 1), V 3 (0, 0, 1), V 4 (0, 1, 1), V 5 (0, 1, 0), V 6 (1, 1, 0) und V 7 (1, 1, 1).

Die Spannungszustände V 0 und V 7 geben den Fall an, wenn dem Motor keine Energie zugeführt wird. V 0 kann alternativ benutzt werden. Die 3-Phasen-PWM-Signale erhält man durch sequentielles Ändern dieser Spannungszustände, indem man eine ganze Periode als Parameter durchgeht. Die in der 3-Phasen-PWM erhaltene zu­ vor genannte N geteilte Periode (ab jetzt Aktivierungssteuerungs­ periodenintervall genannt) wird durch V 0, die zwei anderen fort­ laufenden Spannungszustände und die dazugehörige fortlaufende Periode repräsentiert. Nach Antreiben des ASM mit den PWM-Sig­ nalen wird das Drehfeld wie in Fig. 4 gezeigt, erzeugt. Nach Be­ endigung des jeweiligen Vorgangs einer Aktivierungsperiode, ist das Drehfeld an den N geteilten Positionen P 1- PN auf den Kreis positioniert. Der Spannungszustand V 0 in jedem Intervall kann verlängert werden, wodurch die Drehgeschwindigkeit des Motors und die mittlere Spannung reduziert werden. Somit wird die Ge­ schwindigkeitssteuerung zum Konstanthalten von V/f ausgeführt.

Wie bei Fig. 6 gezeigt, ist das Aktivierungssteuersignal so gespeichert, daß jede Phase des Signales (T 1, T 2, T 3) entsprechend der durch N geteilten Aktivierungsperiode für die vorherbestimmte Zeit auf einem hohen Pegel verbleibt. Wenn die maximale Frequenz 60 Hz beträgt, wird eine integrierte Zeit S von jeder Aktivie­ rungsperiode festgelegt auf 1/60 Nsec. Bei jeder Periode, z. B. bei der Aktivierungsperiode A 1, wird die fortlaufende ON-Zu­ standsperiode jeder Phase so festgelegt, daß T 1<T 2<T 3 gilt. Wie aus Fig. 8 ersichtlich, wird das Signal (1, 1, 0) für t 1sec, Signal (1, 0, 0) für t 2sec und das Signal (0, 0, 0) für S-(t 1+t 2)sec. ausge­ geben. Danach wird das Frequenzüberwachungssignal F wie in Fig. 7 gezeigt zusammen mit dem Geschwindigkeitsbefehl eingegeben und das Signal (0, 0, 0) kontinuierlich für eine Periode F sec. ausge­ geben. Als nächstes wird der nachfolgende Vorgang zur Aktivie­ rung in der nächsten Aktivierungsperiode ausgeführt. So wird das Drehfeld von PN nach P 1 verlegt und wird nacheinander von P 1 nach PN verdreht. Unter Zurhilfenahme von Fig. 5 wird im folgenden ein Vorgang von Start bis Stop in Hinblick auf die Nähmaschine beschrieben.

Als erstes wird ein Startbefehlsignal für den ASM (14) von der Nähsteuerung (12) bei Schritt 100 eingegeben. Verschiedene Parameter zur Aktivierung werden in Schritt 102 gesetzt. Insbesondere wird ein Adresspointer PWADUS für ein Aktivierungssignal gleich der Kopfadresse einer Tabelle mit Aktivierungssteuerinformation gesetzt und ein Adresspointer ALD zur Frequenzsteuerung wird gleich einer Steuerinformation in einer Adresse mit einer Minimalfrequenz gesetzt, und STNUM wird auf "0" gesetzt. Dementsprechend wird das Aktivierungssignal entsprechend der obigen Tabelle ausgegeben und der ASM (14) beginnt sich zu drehen. Im nachfolgenden Schritt 104 wird das Aktivierungssignal ausgegeben und PWDUS wird auf das zuvor gespeicherte PWDUS plus 3 gesetzt. Wird das Befehlsignal zum Beschleunigen empfangen, wird der Adresspointer ALD zur Frequenzüberwachung auf hohe Frequenz in den Schritten 108-112 vorgeschoben. Das Aktivierungssignal (0, 0, 0) wird während der Aktivierungsperiode entsprechend der Periode der Steuerdaten so ausgegeben, daß die Frequenz einge­ stellt wird. Umgekehrt wird im Falle eines Bremsbefehles der Adresspointer ALD auf niedrige Frequenz in den Schritten 108- 116 vorgeschoben. Da diese Arbeitsschleifen wiederholt ausgeführt werden, wird der ASM (14) zum Arbeiten bei einer konstanten oder veränderlichen Geschwindigkeit gesteuert, nachdem er auf eine vorbestimmte Geschwindigkeit beschleunigt hat.

Nach Empfang des Stopbefehlsignales in Schritt 106, wird die Geschwindigkeit des Motors, bis die Geschwindigkeit auf einen vorbestimmten Wert abfällt, in Schritt 118 abgebremst. Das Programm geht weiter auf Schritt 120, in dem bestimmt wird, ob die Nadel (4) eine vorbestimmte Position über dem Werkstück erreicht hat, oder nicht. Ist ein YES bei Schritt 120 erkannt worden, geht das Programm weiter zu Schritt 122, wo festgelegt wird, ob eine Anhaltperiode STNUM größer als eine vorbestimmte Periode n ist, oder nicht. Die Periode n ist länger als die Periode F. Wenn die Entscheidung YES ist, geht das Programm auf Schritt 100 zurück. Ist die Entscheidung NO, geht das Programm auf Schritt 124, wo PWADUS auf den zuvor gespeicherten Wert von PWADUS weniger 3 gesetzt wird. In Schritt 126 wird das Aktivierungssignal ausgegeben, und PWADUS wird auf den zuvor gespeicherten Wert PWADUS plus 3 gesetzt. Das in Schritt 126 gesetzte PWADUS gibt eine Adresse an, in der die nächste Information in der Periode so gespeichert ist, daß das Drehfeld an PK steht, falls die Aktivierungsperiode Ak ist, wenn das Positionssignal erzeugt wird. In Schritt 126 wird der ASM (14) in der Periode Ak angesprochen. In nachfolgendem Schritt 128 wird das zu den Frequenzsteuerdaten gehörige Frequenzsignal ausgegeben und das Programm springt auf Schritt 122. Die Programmschleife von Schritt 122 bis 128 wird wiederholt ausgeführt. Entsprechend ist die Aktivierungsperiode bei Ak und das Drehfeld an der Position Pk festgelegt. Die Größe des Drehfeldes wird verändert in Abhängigkeit von der fortlaufenden Periode des in Schritt 128 festgelegten Aktivie­ rungssignals (0, 0, 0). Das Drehfeld wird somit gesteuert angehal­ ten, dadurch wird der Rotor des ASM (14) gebremst und die Nadel (4) in der vorbestimmten Position angehalten. Nachdem die vorher festgelegte Zeit verstrichen ist, seitdem die Nadel angehalten wurde, geht das Programm zu Schritt 100 und die nächsten Arbeits­ schritte werden dann ausgeführt.

Diese Erfindung ist nicht auf einen ASM begrenzt, sondern kann auch auf Synchronmotoren oder ännliches angewendet werden. Der Stopbefehl kann automatisch von der Nähsteuerung anstatt von dem Pedal ausgegeben werden.

Claims (12)

1. Motorsteuerung für eine Nähmaschine (1) mit

• - einem Inverterkreis (13) zum Schaffen einer Wechselkraft für Statorwicklungen (142) eines Wechselstrommotors (14) mit va­ riabler Frequenz und zum Erzeugen eines Drehfeldes darin;
• - einem Detektor (9) zum Erfassen einer vorbestimmten Position einer Nadel (4) und zum Ausgeben eines dazugehörigen Posi­ tionssignals; und
• - einer Befehlseinheit (12) zum Erzeugen eines Stopsignals zum Anhalten des Wechselstrommotors;

gekennzeichnet durch

• - eine Invertersteuerung (6) zum Erzeugen eines Aktivierungssig­ nals zum Steuern des Drehfeldes und zum Aktivieren des Inver­ terkreises (13) als Antwort darauf;
• - eine Stopsteuereinheit (8) zum Aufrechterhalten des Anregungs­ zustandes der Statorwicklungen (142) in Abhändigkeit zu dem Positionssignal zum Anhalten der Nadel (4) auf Ausgabe des Stopsignals hin.

2. Motorsteuerung nach Anspruch 1 dadurch gekennzeichnet, daß das Aktivierungssignal in Übereinstimmung mit einer grundlegen­ den, im wesentlichen sinusförmigen Pulsweitenmodulation (PWM) erzeugt wird.

3. Motorsteuerung nach den Ansprüchen 1 oder 2 dadurch gekennzeichnet, daß die Stopsteuereinheit (8) den Anregungszustand der Statorwick­ lungen (142) des Motors (14) während einer vorbestimmten Zeit aufrechterhält.

4. Motorsteuerung nach einem der Ansprüche 1 bis 3 dadurch gekennzeichnet, daß die Invertersteuerung (6) einen Verzögerungsteil aufweist, der die Drehgeschwindigkeit des Wechselstrommotors (14) zu langsamer Geschwindigkeit abbremst, wenn das Stopsignal empfangen wird.

5. Motorsteuerung nach einem der Ansprüche 1 bis 4 dadurch gekennzeichnet, daß der Wechselstrommotor einen Asynchronmotor aufweist.

6. Motorsteuerung für eine Nähmaschine gekennzeichnet durch

• - einen Asynchronmotor (ASM) (14) mit einer Statorwicklung (142) und einen Rotor (141) zum Bewegen einer Nadel (4) in Auf- und Abwärtsrichtung;
• - einen Inverterkreis (13) zum Erregen der Statorwicklungen einer Invertersteuerung (6) zum Steuern der Aktivierung des Inverterkreises (13) und Erzeugen eines Drehfeldes in dem Asynchronmotor (ASM) (14);
• - eine Befehlseinheit (12) zum Ausgeben eines einen Start oder Stop des ASM (14) repräsentierenden Befehlsignales an die Invertersteuerung (6);
• - einen Detektor (9) zum Erkennen einer vorbestimmten Position einer Nadel (4) und zum Ausgeben eines Positionssignales da­ von an die Invertersteuerung (6), wobei die Invertersteuerung (6) folgendes umfaßt:
  • - eine Speichereinrichtung (10, 11) zum Speichern von Akti­ vierungssteuerungsdaten, die die zum Erzeugen des Drehfel­ des aktivierte Statorwicklung (142) und eine Periode der Aktivierung repräsentieren,
  • - eine Aktivierungssteuereinheit (7), die auf das Start- und Stopsignal der Befehlseinheit (12) zum sequentiellen Lesen der Aktivierungssteuerungsdaten aus der Speichereinheit (10, 11) zu zuvor vorbestimmten Perioden zum Drehen des Drehfel­ des antwortet; und
  • - eine Stopsteuereinheit (8) zum Aufrechterhalten der Rich­ tung des Drehfeldes während einer zweiten vorbestimmten Periode als Antwort auf die Aktivierungssteuerdaten, die von der Aktivierungssteuereinheit (7) gelesen werden, wenn das Positionssignal nach Abgabe des für einen Stop repräsen­ tativen Befehlsignales von der Befehlseinheit (8) empfangen ist.

7. Motorsteuerung nach Anspruch 6 dadurch gekennzeichnet, daß die zweite vorbestimmte Periode länger als die erste vorbe­ stimmte Periode ist.

8. Motorsteuerung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Invertersteuereinheit (6) einen Verzögerungsteil aufweist, der auf das Stopsignal der Befehlseinheit (12) zur Verzögerung der Rotorgeschwindigkeit antwortet, und daß die Stopsteuerungs­ einheit (8) nach dem Verzögern durch den Verzögerungsteil wirksam wird.

9. Motorsteuerung nach Anspruch 8 dadurch gekennzeichnet, daß der Verzögerungsteil die erste vorbestimmte Periode vergrößert zum Verlangsamen der Rotorgeschwindigkeit.

10. Motorsteuerung nach Anspruch 6 dadurch gekennzeichnet, daß das Startsignal und das Stopsignal des Befehlssignals einen Be­ schleunigungsbefehl und einen Verzögerungsbefehl enthalten und die Aktivierungssteuereinheit (7) die erste vorbestimmte Periode als Antwort auf den Beschleunigungsbefehl verkleinert und die erste vorbestimmte Periode als Antwort auf den Verzögerungsbe­ fehl vergrößert.

11. Motorsteuerung nach Anspruch 6 dadurch gekennzeichnet, daß die Befehlseinheit (12) einen Beschleunigungs- und einen Verzöge­ rungsbefehl einschließende Nähdaten speichert und diese Befehle in Übereinstimmung mit dem Nähfortgang ausgibt.