JP2017176830A - 機械ミシンの閉ループ制御装置及びその制御方法 - Google Patents

Abstract

【課題】機械ミシンのフットペダルの回転角度を変更することなくＤＣモータの回転速度を維持する。【解決手段】機械ミシンの閉ループ制御装置は絶縁スイッチモード電源モジュール１０と、ＤＣモータ２０と、速度制御モジュール５０と、プロセッサ４０と、電子スイッチ３０と、電流検出モジュール６０と、電圧検出モジュール７０とを含む。絶縁スイッチモード電源モジュールはＡＣ電力をＤＣ電力に整流し、ＤＣ電力をＤＣモータに供給する。速度制御モジュールは速度信号をプロセッサに送信する。プロセッサは速度信号にしたがってＤＣモータへの出力電圧を調節する。電流検出モジュール及び電圧検出モジュールは更にＤＣモータの動作電流信号及び動作電圧信号を検出して、プロセッサは電子スイッチのターンオン時間を制御し、動作電流信号、動作電圧信号及び速度信号にしたがってＤＣモータの平均動作電圧を調節する。【選択図】図１

Description

本発明は、閉ループ制御装置に関し、特にＤＣモータとプロセッサとの間に取り付けられ、ＤＣモータの動作電圧をプロセッサのためのプロセッサフィードバックとして受信する電圧・電流検出モジュールを有し、閉ループ制御によりＤＣモータの動作電圧を制御する制御装置及びその制御装置を制御する制御方法に関する。

現在の市場におけるミシンには、コンピュータミシンと機械ミシンがある。コンピュータミシンは、縫製動作のために回転エンコーダを制御するソフトウェアプログラムを使用する。刺繍機能の利用可能性をもっているにもかかわらず、コンピュータミシンは、通常、より高価である。機械ミシンは刺繍機能がないのでコンピュータミシンより安価である。一般に、機械ミシンの縫製速度は、ユーザによってミシンのフットペダルを制御してフットペダルの回転角度や高さを調節することで調節される。これにより、機械ミシンのＤＣ（直流）モータの回転速度や縫製速度を変更することができる。しかしながら、ユーザの習慣や縫製要求によって機械ミシンの縫製速度が調節されるため、機械ミシンでは通常、縫製速度を正確に制御することができない（例えば特許文献１参照）。

図７を参照するに、ＤＣモータの等価回路が図示されており、ここでＶｍは動作電圧を表し、Ｒａは内部抵抗を表し、Ｉａは電機子電流を表し、Ｅは磁場の交叉時に電機子によって生成される誘起起電力（ＥＭＦ）を表し、前述のパラメータで関連付けられる式は次のように表現することができる。

Ｖｍ＝ＩａＲａ＋Ｅ
この誘起起電力（ＥＭＦ）Ｅは次のように表わされる。

Ｅ＝ＫΦＮ
ここに、Ｋは電機子の巻線係数、Φは磁束、ＮはＤＣモータの回転速度である。

上記２つの式から、ＤＣモータの回転速度は次のように表わされる。

Ｎ＝（Ｖｍ−ＩａＲａ）／ＫΦ
上記の式から理解できるように、ＤＣモータの回転数Ｎは動作電圧Ｖｍを制御することによって調節することができる。

従来の機械ミシンにおけるＤＣモータの回転速度は、フットペダルの回転角度又は高さを変えてＤＣモータの動作電圧Ｖｍを変更することによって調節することができる。しかしながら、ユーザがＤＣモータを固定した動作電圧Ｖｍを印加して一定の回転速度で回転させたいとき、逆起電力により電機子巻線が回転するのを阻止されるように働くのである。電機子巻線を一定速度で作動させるためには、追加の電力を供給してＤＣモータを一定速度で動作させる必要がある。このような追加の電力の必要性は電機子電流Ｉａを上昇させる。ＤＣモータの回転速度が一定であるとき、上昇する電機子電流Ｉａは動作電圧Ｖｍを低下させる。このような動作電圧Ｖｍの電圧降下は、さらにＤＣモータの回転速度を低下させる。このため、ＤＣモータの一定の回転速度を維持するために、ＤＣモータのより低い回転速度はフットペダルを踏み込んで傾斜させてフットペダルの回転角度を増加させることによって補償され、それで再び動作電圧Ｖｍを増加させることになる。

特開２００３−２６０２７９

したがって、従来の機械ミシンのＤＣモータは通常動作時に高出力の高電圧（ＨＶ）ＤＣモータ（ＨＶ ＤＣモータ）を使用する必要がある。そのため、従来の機械ミシンでは、大きい電機子電流Ｉａと高い動作電圧Ｖｍが必然的に必要となり、その結果、ＨＶ ＤＣモータの動作温度が上昇し、このため寿命が短くなり、高電力消費となり、高い動作温度となり、ＨＶ ＤＣモータのブラシ スパークで動作上安全性欠如を招くことになる。

本発明の目的は、機械ミシンの閉ループ制御装置と、閉ループ制御装置の制御方法とを提供することであり、その構成はプロセッサを使用して電子スイッチのターンオン時間を変動させ、ＤＣモータの動作電圧を調節し、更にＤＣモータの電機子電流及び動作電圧にしたがって動作電圧のデューティサイクルを調節することにより動作電圧を上昇させるものであり、これによって機械ミシンのフットペダルの回転角度を変更することなくＤＣモータの回転速度を維持することができる。

上記目的を達成するために、本発明の機械ミシンの閉ループ制御装置は絶縁スイッチモード電源モジュールと、ＤＣ（直流）モータと、速度制御モジュールと、プロセッサと、電子スイッチと、電流検出モジュールと、電圧検出モジュールとを含んでいる。

絶縁スイッチモード電源モジュールは入力端子及び出力端子を有する。

入力端子はＡＣ（交流）電源に接続するのに適している。

出力端子は動作電圧を出力する。

ＤＣモータは絶縁スイッチモード電源モジュールの出力端子に接続され、動作電圧を受電する。

速度制御モジュールは速度信号を出力する。

プロセッサは速度制御モジュールに接続され、速度信号にしたがって制御信号を出力する。

電子スイッチは、ＤＣモータとプロセッサとの間に接続され、制御信号にしたがって電子スイッチのターンオン時間を制御し、平均動作電圧を調節する。

電流検出モジュールは電子スイッチとプロセッサとの間に接続され、ＤＣモータの動作電流を検出し、動作電流信号を生成する。

電圧検出モジュールはＤＣモータとプロセッサとの間に接続され、ＤＣモータの動作電圧を検出し、動作電圧信号を生成する。

さらに、プロセッサは動作電流信号及び動作電圧信号にしたがって制御信号を調節する。

上記目的を達成するために、本発明の閉ループ制御装置の制御方法は、
上記フットペダルの回転角度を取得するステップと、
上記フットペダルの回転角度に対応する電力を上記ＤＣモータに供給して上記ＤＣモータを動作させるステップと、
上記ＤＣモータの動作電力を計算するステップと、
上記動作電力が予め設定された電力に等しいか否かを判断するステップと、
上記動作電力が予め設定された電力と等しくないとき上記ＤＣモータの動作電力を調節するステップとを含んでいる。

以上説明したように、絶縁スイッチモード電源モジュールはＡＣ電源を直流電源に整流して直流電源をＤＣモータに供給する。プロセッサはパルス幅変調（ＰＷＭ）技術を適用し、電子スイッチのターンオン時間を調節し、さらにＤＣモータの動作電圧及び動作電流を調節する。ＤＣモータの動作電力を制御することにより、ＤＣモータの回転速度を調節することができる。最初にフットペダルの回転角度に対応する電力がＤＣモータに供給される。電流検出モジュール及び電圧検出モジュールはＤＣモータの動作電流信号及び動作電圧信号を検出し、さらに動作電流信号及び動作電圧信号にしたがってＤＣモータの動作電力を計算する。計算された動作電力は、予め設定された電力と比較される。等しくなければ、閉ループ制御手法が適用されて、動作電力が予め設定された電力に等しくなるまでＤＣモータの動作電力を調節する。したがって、ＤＣモータは従来の機械ミシンにおけるＨＶ（高電圧）ＤＣモータより低い動作電圧で安定して動作させることができる。従来の機械ミシンのＨＶ ＤＣモータにおいてフットペダルの回転角度の増加することでＤＣモータの回転速度を維持又は増加させる一方、ＤＣモータの動作電流の増加することでＤＣモータの動作電圧が減少することに因り動作電圧が高電圧化になることからＤＣモータの過大な大電流、高電圧、段階的に増大する負荷電力、多き電力消費、製品寿命の短縮という課題は回避することができる。

本発明の他の目的、利点及び新規な特徴は図面と併せて参照することで以下の詳細な説明から明らかになる。

図１は本発明による機械ミシンの閉ループ制御装置の実施例の機能ブロック図である。 図２Ａは図１における閉ループ制御装置の回路図である。 図２Ｂは図１における閉ループ制御装置の回路図である。 本発明による機械ミシンの閉ループ制御装置の別の実施例の機能ブロック図である。 図４は、図１及び図３における閉ループ制御装置を制御する方法のフローチャートである。 図５は、図１及び図３における閉ループ制御装置を制御する方法のフローチャートである。 図６は、図１及び図３における閉ループ制御装置を制御する方法のフローチャートである。 図７は、従来のＤＣモータの等価回路図である。

以下、本発明の機械ミシンの閉ループ制御装置における好適な実施の形態について図面を参照して詳細に説明する。

図１を参照するに、本発明にしたがう機械ミシンの閉ループ制御装置は、絶縁スイッチモード電源モジュール１０と、ＤＣ（直流）モータ２０と、電子スイッチ３０と、プロセッサ４０と、速度制御モジュール５０と、電流検出モジュール６０と、電圧検出モジュール７０とを備えている。絶縁スイッチモード電源モジュール１０の入力端子は外部ＡＣ（交流）電源に接続されている。絶縁スイッチモード電源モジュール１０の出力端子はＤＣモータ２０に接続されている。電子スイッチ３０の出力端子及び入力端子はＤＣモータ２０及びプロセッサ４０の第１の出力端子にそれぞれ接続されている。速度制御モジュール５０の出力端子はプロセッサ４０の第１の入力端子に接続されている。電流検出モジュール６０の入力端子及び出力端子は電子スイッチ３０及びプロセッサ４０の第２の入力端子にそれぞれ接続されている。電圧検出モジュール７０の入力端子及び出力端子はＤＣモータ２０及びプロセッサ４０の第３の入力端子にそれぞれ接続されている。

図２Ａ、図２Ｂを参照するに、絶縁スイッチモード電源モジュール１０の入力端子はその絶縁スイッチモード電源モジュール１０用のコネクタＪ１を介して外部ＡＣ電源に接続されて、外部ＡＣ電源のＡＣ電力Ｖoを出力電圧に変換してＤＣモータ２０に給電する。絶縁スイッチモード電源モジュール１０は整流ユニット１１と、電圧調整ユニット１２と、トランス１３と、整流器・フィルタ回路１４と、電圧フィードバック回路１５とを備えている。

整流ユニット１１は全波整流器とすることができ、入力端子（端子１、３）が外部ＡＣ電源に接続されて外部ＡＣ電源のＡＣ電力をＤＣ電圧Ｖdcに整流し、出力端子（端子２、４）がＤＣ電圧Ｖdcをトランス１３の一次側に出力する。

電圧調整回路１２はＰＷＭ（Pulse Width Modulation）ＩＣ（Integrated Circuit）１２１及び電子スイッチＱ１を有する。ＰＷＭ ＩＣ１２１は、ゲート駆動ピン５、電源入力ピン６及び電圧フィードバックピン２を有する。電子電力スイッチＱ１はＰＷＭ ＩＣ１２１とトランス１３の一次側との間に接続され、ＭＯＳＦＥＴ（Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor）とすることができ、ドレインがトランス１３の一次側に接続され、ソースがグランドに接続され、ゲートがＰＷＭ ＩＣ１２１のゲート駆動ピン５に接続されている。ＰＷＭ ＩＣ１２１は電子スイッチＱ１のターンオン時間を制御してＤＣ電圧Ｖｄｃのデューティ比を調節し、かつＤＣ電圧Ｖdcの平均出力値を調節する。

トランス１３の一次側は入力巻線及び補助巻線を有する。変圧器１３の二次側は出力巻線を有する。補助巻線は補助電圧Ｖauxを出力し、電力をＰＷＭ ＩＣ１２１にピン６から供給する。

変圧器１３の出力巻線は整流器・フィルタ回路１４に接続される。変圧器１３はＤＣ電圧Ｖdcを調節する。調節されたＤＣ電圧が整流器・フィルタ回路１４を通過して整流及びフィルタリングされた後、出力電圧Ｖoは出力コネクタＪ２に出力される。トランス１３の出力巻線のタップはＬＥＤ（発光ダイオード）Ｄ２に接続され、ＬＥＤ電圧Ｖsを出力する。ＬＥＤ電圧Ｖsは電圧安定化回路１６を通過し、プロセッサ電圧Ｖccに変換されてプロセッサ４０に供給される。

電圧フィードバック回路１５は整流器・フィルタ回路１４とＰＷＭ ＩＣ１２１との間に接続され、かつＰＷＭ ＩＣ１２１の電圧フィードバックピン２に接続され、整流器・フィルタ回路１４が出力する出力電圧ＶoをＰＷＭ ＩＣ１２１にフィードバックしてＰＷＭ ＩＣ１２１は出力電圧Ｖoにしたがって電子電力スイッチＱ１のターンオン時間を制御しＤＣ電圧Ｖｄｃのデューティ比及びＤＣ電圧Ｖdcの脈流値を調節して変圧器１３の入力巻線に入力し、整流器・フィルタ回路１４が出力電圧Ｖoを安定して出力することを可能にする。電圧フィードバック回路１５は電圧コンパレータＱ２及びフォトカプラＵを有する。出力電圧Ｖoは抵抗Ｒ１７、Ｒ１８の分圧器で分圧された後、電圧コンパレータＱ２はフォトカプラＵの入力端子（光送信器、フォトカプラのピン１、２）にフィードバック電圧Ｖzを出力する。フォトカプラＵはそのフォトカプラＵの出力端子（光受信器、フォトカプラのピン３、４）に光信号を送信して、フィードバック電圧信号をＰＷＭ ＩＣ１２１の電圧フィードバックピン２に出力する。フォトカプラＵの入力端子と出力端子との間で使用される光伝送により、フォトカプラＵの入力端子と出力端子との間に物理的な接続はなく、このためフォトカプラＵによって変圧器１３の一次側と二次側を絶縁する好適な効果をもたらす。絶縁スイッチモード電源モジュール１０は電圧フィードバック回路１５に依拠しており、整流器・フィルタ回路１４の出力端子の出力電圧Ｖoを測定し、出力電圧ＶoをＰＷＭ ＩＣ１２１にフィードバックして、出力電圧Ｖoを調節し、閉ループ制御効果を達成し、かつＤＣモータ２０の回転速度の出力誤差を軽減する。

電子スイッチ３０はＤＣモータ２０とプロセッサ４０との間に接続され、ＮチャネルＦＥＴ（電界効果トランジスタ）とすることができ、そのゲート、ドレイン及びソースがプロセッサ４０の第２の出力端子、ＤＣモータ２０及び電流検出モジュール６０にそれぞれ接続されている。

プロセッサ４０は電子スイッチ３０、速度制御モジュール５０、電流検出モジュール６０、及び電圧検出モジュール７０に接続されている。プロセッサ４０は、２つの電源ピン１、８、電圧信号ピン７（DAT）、速度信号ピン６（CLK）、電流信号ピン５（CurrentSense）、入力ピン４（MCLR）、補助ピン３及び出力ピン２を有する。
２つの電源ピンの一方の電源ピン１はプロセッサ電圧Ｖccに接続され、他方の電源ピン８は接地される。出力ピン２は電子スイッチ３０のゲートに接続され、制御信号を電子スイッチ３０に出力し、電子スイッチ３０のターンオン時間、ＤＣモータ２０への平均動作電圧Ｖm及びＤＣモータ２０への動作電流のデューティサイクルを制御し、ＤＣモータ２０の動作電力を調節してＤＣモータ２０の回転速度を制御する。入力ピン４、電圧信号ピン７及び速度信号ピン６はコネクタＪ３を介して外部コントローラに接続されて、プロセッサ４０にコマンドを入力し、入力されたコマンドにしたがって動作するようにプロセッサ４０に指示する。

速度制御モジュール５０の入力端子は機械ミシンのフットペダル５１に接続され、このフットペダル５１は電源に接続されている。ユーザがフットペダル５１を踏んでフットペダル５１を或る回転角度だけ傾動させると、速度制御モジュール５０の出力端子はその回転角度に対応する速度信号を出力する。速度信号はプロセッサ４０の速度信号ピン６に出力され、フットペダル５１の回転角度にしたがって変動する電圧値を有する電圧信号とすることができる。プロセッサ４０は受信した速度信号にしたがって電子スイッチ３０への制御信号を調節して平均動作電圧Ｖmを変動させる。フットペダル５１に係る電源はトランス１３の出力巻線からのプロセッサ電圧Ｖccとすることができる。

電流検出モジュール６０の入力端子及び出力端子は電子スイッチ３０のソース及びプロセッサ４０の電流信号ピン５にそれぞれ接続され、それでＤＣモータ２０に流れる動作電流はさらに電流検出モジュール６０を通過してプロセッサ４０に入力される動作電流信号を生成する。

電圧検出モジュール７０の入力端子及び出力端子はＤＣモータ２０及びプロセッサ４０の電圧信号ピン７にそれぞれ接続され、それで電圧検出モジュール７０は電圧検出モジュール７０を通過するＤＣモータの平均動作電圧Ｖmにしたがって動作電圧信号を生成し、その動作電圧信号をプロセッサ４０に入力する。

電流検出モジュール６０及び電圧検出モジュール７０は動作電圧信号及び動作電流信号をプロセッサ４０にフィードバックして、プロセッサ４０としては動作電圧信号及び動作電流信号にしたがって制御信号を調節し、それによってＤＣモータ２０における動作電圧降下の問題を修正し、閉ループ制御効果を達成する。

図３を参照するに、本発明にしたがう機械ミシンの閉ループ制御装置のもう１つの実施例は、絶縁スイッチモード電源モジュール１０のもう１つの出力端子に接続される追加のランプ８０を有する点で前述の実施例と異なる。ランプ８０はＬＥＤとすることができる。変圧器１３の出力巻線のＬＥＤ電圧Ｖsはランプ８０に電力を供給する。

図４を参照するに、上記の閉ループ制御装置を制御する方法は閉ループ制御装置を含む機械ミシンによって実行され、以下のステップを含んでいる。

ステップＳ１０１：フットペダル５１の回転角度を取得する。

ステップＳ１０２：フットペダル５１の回転角度に対応する電力をＤＣモータ２０に供給して、ＤＣモータ２０を動作させる。

ステップＳ１０３：ＤＣモータ２０の動作電力Ｐrを計算する。

ステップＳ１０４：動作電力Ｐrが予め設定された電力Ｐcに等しいか否かを判断する。動作電力Ｐrが予め設定された電力Ｐcと等しい場合には、ステップＳ１０１に戻る。そうでなければ、ステップＳ１０５を実行する。

ステップＳ１０５：ＤＣモータ２０の動作電力Ｐrを調節する。

ステップＳ１０１でフットペダル５１の回転角度が取得された後で、フットペダル５１はプロセッサ４０に回転角度にしたがって変動する動作電圧に対応する速度信号を出力する。プロセッサ４０は速度信号にしたがって制御信号を生成し、その制御信号を電子スイッチ３０のゲートに送信し、電子スイッチ３０のターンオン時間を制御して、ＤＣモータ２０への動作電流及び動作電圧のデューティサイクルを調節し、それでＤＣモータ２０を回転角度にしたがってステップＳ１０２において実行されるように駆動する。

さらに、電流検出モジュール６０及び電圧検出モジュール７０はＤＣモータ２０の動作電流信号及び動作電圧信号をプロセッサ４０にフィードバックして、プロセッサ４０はＤＣモータ２０によって実際に出力される動作電力ＰrをステップＳ１０３において実行されるように計算する。動作電力Ｐrと予め設定された電力Ｐcとの比較がステップＳ１０４で行う。動作電力Ｐrが予め設定された電力Ｐcと同一であれば、ステップＳ１０１に戻ってフットペダル５１の回転角度を再度取得する。動作電力Ｐrが予め設定された電力Ｐrと同一でない場合、ステップＳ１０５の閉ループ制御により動作電力を調節する。

図５を参照するに、さらにステップＳ１０５は以下のステップを含んでいる。

ステップＳ１０６：予め設定された電力Ｐcが動作電力Ｐrより大きいか否かを判断する。予め設定された電力Ｐcが動作電力Ｐrより大きい場合、ステップＳ１０７を実行する。そうでなければ、ステップＳ１０８を実行する。

ステップＳ１０７：動作電力Ｐrを増加させ、増加した動作電力をＤＣモータ２０に供給し、ステップＳ１０３に戻る。

ステップＳ１０８：動作電力Ｐrが重負荷電力より大きいか否かを判断する。動作電力Ｐrが重負荷電力より大きい場合、ステップＳ１１０を実行する。そうでなければ、ステップＳ１０９を実行する。

ステップＳ１０９：動作電力Ｐrを減少させ、減少した動作電力をＤＣモータ２０に供給し、ステップＳ１０３に戻る。

ステップＳ１１０：重負荷制御モードに入る。

動作電力Ｐrの調節に先立って、予め設定された電力Ｐcが動作電力Ｐrより大きいか否かをステップＳ１０６において実行されるように最初に判断しなければならない。予め設定された電力Ｐcが動作電力Ｐrより大きい場合には、動作電力Ｐrが予め設定された電力Ｐcに比べて不足していることを示す。閉ループ制御はプロセッサ４０を用いることによって適用され、ＤＣモータ２０への動作電流及び動作電圧のデューティサイクルを増加させ、さらにステップＳ１０７において実行されるようにＤＣモータ２０の動作電力Ｐrを上昇させる。動作電力Ｐrが上昇した後、ステップＳ１０３に戻ってＤＣモータ２０の動作電力Ｐrを計算する。他方、予め設定された電力Ｐcが動作電力Ｐrより小さい場合には、さらに動作電力ＰrはステップＳ１０８において実行されるように重負荷電力より大きいか否かが判断され、機械的ミシンが複数枚（層）の布を縫製する状態にあるか否かを確認する。動作電力Ｐrが重負荷電力より小さい場合、機械的ミシンは複数枚の布を縫製していないと判断され、したがってプロセッサ４０はＤＣモータ２０への動作電圧及び動作電流のデューティサイクルを低減し、ステップＳ１０９において実行されるようにＤＣモータ２０の動作電力Ｐrを低下させる。動作電力Ｐrが減少された後、ステップＳ１０３に戻ってＤＣモータ２０の動作電力Ｐrを計算する。

以上の説明から明らかなように、本発明にしたがう閉ループ制御はＤＣモータ２０に供給される動作電力Ｐｒを予め設定された電力Ｐｃに近づけるように制御するものであり、これにより従来のＤＣモータではＤＣモータの動作電力が予め設定された電力より小さい場合にフットペダルの回転角度を連続的に増加させる必要があり、ＤＣモータの一定の回転速度を保ち、したがってＤＣモータ２０に余分の電力損失及び負荷がかかり、多大な電力を消費し、ＤＣモータ２０の寿命が短くなるという難点を解消することができる。

代替例として、動作電力Ｐrが重負荷電力より大きい場合には、機械ミシンは複数枚の布を縫製する状態で動作しているものと判断され、それにしたがって重負荷制御モードに入る必要がある。

図６を参照するに、上記の重負荷制御モードは以下のステップを含んでいる。

ステップＳ１１１：ＤＣモータ２０に定格電力Ｐmを供給する。

ステップＳ１１２：ＤＣモータ２０の動作電力Ｐrを計算する。

ステップＳ１１３：動作電力Ｐrが定格電力Ｐmより大きいか否かを判断する。動作電力Ｐrが定格電力Ｐmより大きい場合には、ステップＳ１１４を実行してステップＳ１０１に戻る。そうでなければ、ステップＳ１１５を実行し、ステップＳ１１２に戻る。

ステップＳ１１４：予め設定された時間が経過するまでＤＣモータへの動作電圧及び動作電流の入力を停止する。

ステップＳ１１５：動作電力Ｐrを増加させ、増加した動作電力をＤＣモータ２０に供給して、ステップＳ１１２に戻る。

閉ループ制御方式の重負荷制御モードが実行されるとき、プロセッサはＤＣモータ２０への動作電圧及び動作電流のデューティサイクルを調節して、ＤＣモータ２０の動作電力をステップＳ１１１において実行されるように定格電力Ｐmまで上昇させる。電流検出モジュール６０及び電圧検出モジュール７０はＤＣモータ２０に係る動作電圧信号及び動作電流信号をプロセッサ４０にそれぞれフィードバックして、プロセッサはＤＣモータ２０から実際に出力される動作電力ＰrをステップＳ１１２において実行されるように計算する。ステップＳ１１３において動作電力Ｐrが定格電力Ｐmより大きいか否かは、機械ミシンが複数枚の布を縫製する状態でまだ動作しているか否かを確認することである。動作電力Ｐrが定格電力Ｐmより大きくない場合には、複数枚の布を縫製する状態又は重負荷制御モードが未だ終了していないことを示しており、それでプロセッサ４０を用いて閉ループ制御が適用されてＤＣモータ２０への動作電流及び動作電圧のデューティサイクルを増加させ、さらにステップＳ１１５において実行されるようにＤＣモータ２０の動作電力Ｐrを上昇させ、ステップＳ１１５が完了した後、ステップＳ１１２に戻り、ＤＣモータ２０から実際に出力される動作電力Ｐrを計算する。

他方、動作電力Ｐrが定格電力Ｐmより大きい場合には、複数枚の布を縫製する状態又は重負荷制御モードが終了したことを示し、ＤＣモータ２０への動作電圧及び動作電流の入力はステップＳ１１４において実行されるように所定時間が経過するまでを停止し、ステップＳ１０１に戻ってフットペダル５１の回転角度を取得する。

ステップＳ１１１〜ステップＳ１１３、ステップＳ１１５は複数枚の布の縫製作業専用であり、重負荷制御モードでは閉ループ制御が適用されてＤＣモータ２０を駆動し、電力を定格電力Ｐmまで繰り返し増加してＤＣモータ２０に供給し、ＤＣモータ２０を複数枚の布の縫製作業中動作電力Ｐmで常時動作するように維持することが図られる。このような閉ループ制御は比較的低い電力で複数枚の布の縫製作業に利用可能性をもたらし、これは従来の機械ミシンの高出力ＨＶ ＤＣモータによって順応して実施され、また、このような利用可能性はＤＣモータ２０の低電力、少電力消費の動作をもたらす。幾つかの関連試験において、従来の機械ミシンは組成がポリエステル６５％、綿３５％である１２枚のＴＣ（スレッドカウント＝糸密度）布を縫製するのに８０ワットも必要としたが、本発明にしたがう閉ループ制御装置を使用する機械ミシンでは同じＴＣ布を縫製するのに３０〜４０ワットしか必要とせず、したがって電力消費を低減し、ＤＣモータの負荷及び動作温度を低下させてＤＣモータの寿命を延ばす。従来の機械ミシンが本発明にしたがう閉ループ制御装置を装備した場合、従来の機械ミシンは低電圧（ＬＶ）ＤＣモータで作動させることができ、ＨＶ ＤＣモータの必要性から生じる頻繁なＤＣモータ交換の問題なしに５００時間から少なくとも２０００時間まで寿命を延ばす。

ＨＶ ＤＣモータは、通常ＬＶ ＤＣモータより高価であるため、より低電圧のＬＶ ＤＣモータを使用する機械ミシンはより安価で電力消費が少なく、高いＨＶ ＤＣモータを使用する従来の機械ミシンに比べて作業時のブラシ スパーク及び温度上昇のより高い安全対策がとられている。加えて、本発明による閉ループ制御装置を備えた機械ミシンは、回転エンコーダが不要で制御回路が複雑でないことに起因する設備コストはより低いので、装備されていないものより市場でより高く受け容れられる。

上記の閉ループ制御装置及び閉ループ制御装置の制御方法の説明に基づいて、２つの制御モード、即ち通常の電力制御モード及び重負荷制御モードが存在する。

安定した予め設定された電力で動作するＤＣモータを対象とした通常の電力制御モードを最初に説明する。フットペダルの回転角度はプロセッサに入力された対応する電力を有する速度信号によって制御される。プロセッサは速度信号にしたがって制御信号を調節し、制御信号を送信して電子スイッチのターンオン時間を制御し、それでＤＣモータへの電圧及び電流のデューティサイクルを変動させることによってＤＣモータの動作電力及び回転速度を調節する。電圧検出モジュール及び電流検出モジュールはＤＣモータの動作電圧及び動作電流に係る動作電圧信号及び動作電流信号をそれぞれ取得する。次にプロセッサは動作電圧信号及び動作電流信号にしたがって動作電力を計算し、閉ループ制御によってＤＣモータの動作電圧及び動作電圧を調節する。動作電力が予め設定された電力と等しくない場合、動作電力は予め設定された電力より小さくても大きくてもよい。前者の場合、計算された動作電力が予め設定された電力に等しくなるまで動作電力を増加させ、増加した動作電力をＤＣモータに供給することによって動作電力を上昇させる必要がある。後者の場合、重負荷制御モードで動作するＤＣモータの可能性はここでは除外されるべきであり、我々が配慮する状況は動作電力が重負荷電力より大きくない場合である。この配慮される状況下では、再度計算された動作電力が予め設定された電力に等しくなるまで動作電力を低下させ、低下させた動作電力をＤＣモータに供給することによって動作電力を低下させる必要がある。閉ループ制御アプローチは動作電力を予め設定された電力に調節し、それによって大電流及び高電圧、段階的に増大する負荷電力、より多くの電力消費及び短い寿命を含む、従来の機械ミシンにおいて使用されるＨＶ ＤＣモータの問題を回避することができる。従来の機械ミシンのＨＶ ＤＣモータでのこれらの問題はＨＶ ＤＣモータの回転速度を上げる必要がある場合に発生する。つまり、フットペダルの回転角を調節して動作電力を増加させる必要があり、これはＨＶ ＤＣモータの動作電流も増加することを意味する。また、このような動作電流の増加は動作電圧の低下をもたらす。動作電圧の低下に対応するためには、動作電力を同じに維持する必要があるので、動作電圧をより高い電圧に上昇させる必要があり、安定した低電圧として維持することができない。

さらに、複数枚の布の縫製での重負荷制御モードにおいて又は動作負荷が重負荷電力より大きい場合に、ＤＣモータの動作電力を定格電力と比較する必要があり、動作電力は定格電力より大きいか否かである。前者の場合、縫針が縫製すべき布の全枚（層）を貫通しているので、重荷重制御モードが実行されており、再びフットペダルの回転角度を取得すべきであって他の縫製作業をすることを示している。後者の場合、閉ループ制御手法は重負荷制御モードにおいてＤＣモータの動作電力を定格電力に近付くが定格電力を超えないように制御する。重負荷制御モードでの動作電力はＤＣモータの最大許容電力である定格電力以下であると予想されるため、定格電力に達するまで徐々に動作電力を上げる。動作電力が定格電力以上になると、ＤＣモータは特定の時間給電せずに切電される。また、このような閉ループ制御手法は、重負荷制御モードのために、より低い電力で、電力消費及び設備コストを低減して動作を保証する。

他の利点としては、絶縁スイッチモード電源モジュールを使用することに因り、ユーザを電源から絶縁して安全性を高めることができる。さらに、プロセッサは速度制御モジュールによって提供される速度信号にしたがって動作電圧を調節し、動作電圧の調節の精度を確保する。

本発明の多くの特徴及び利点が、本発明の構造及び機能の詳細と共に前述の説明に記載されているが、本開示は例示的なものに過ぎない。特に、添付の特許請求の範囲が表現されている用語の広範な一般的意味によって示されるように、本発明の原理内の部分の形状、大きさ及び配置の事項について詳細に変更することができる。

好ましい実施例を参照して説明されたが、本発明はその詳細例に限定されないことが理解される。多くの置換及び修正が上記の説明において示唆され、その他のものが当業者にとって案出できる。したがって、そのような置換及び修正のすべては、特許請求の範囲に規定される本発明の範囲内に包含されることが意図される。

１０・・・絶縁スイッチモード電源モジュール
１１・・・整流ユニット
１２・・・電圧調整ユニット
１３・・・トランス
１４・・・整流器・フィルタ回路
１５・・・電圧フィードバック回路
１６・・・電圧安定化回路
２０・・・ＤＣ（直流）モータ
３０・・・電子スイッチ
４０・・・プロセッサ
５０・・・速度制御モジュール
５１・・・フットペダル
６０・・・電流検出モジュール
７０・・・電圧検出モジュール
８０・・・ランプ
１２１・・・ＰＷＭ ＩＣ
Ｖo・・・ＡＣ電力
Ｖdc・・・ＤＣ電圧
Ｖs・・・ＬＥＤ電圧
Ｖcc・・・プロセッサ電圧
Ｖz・・・フィードバック電圧
Ｖm・・・平均動作電圧
Ｑ１・・・電子スイッチ
Ｑ２・・・電圧コンパレータ
Ｄ２・・・ＬＥＤ（発光ダイオード）
Ｕ・・・フォトカプラ
Ｐr・・・動作電力
Ｐc・・・予め設定された電力
Ｐm・・・定格電力

Claims (9)

1. 絶縁スイッチモード電源モジュールを備え、前記絶縁スイッチモード電源モジュールは、
   ＡＣ電源に接続される入力端子と、
   出力電圧を出力する出力端子とを有し、
   前記絶縁スイッチモード電源モジュールの前記出力端子に接続され、前記出力電圧を受電するＤＣモータと、
   速度信号を出力する速度制御モジュールと、
   前記速度制御モジュールに接続され、前記速度信号にしたがって制御信号を出力するプロセッサと、
   前記ＤＣモータ及び前記プロセッサ間に接続され、前記制御信号にしたがって電子スイッチのターンオン時間を制御して前記ＤＣモータの平均動作電圧を調節する当該電子スイッチと、
   前記電子スイッチ及び前記プロセッサ間に接続され、前記ＤＣモータの動作電流を検出し、動作電流信号を生成する電流検出モジュールと、
   前記ＤＣモータ及び前記プロセッサ間に接続され、前記ＤＣモータの動作電圧を検出して動作電圧信号を生成する電圧検出モジュールとを備え、
   前記プロセッサは前記動作電流信号及び前記動作電圧信号にしたがって前記制御信号をさらに調節することを特徴とする機械ミシンの閉ループ制御装置。
2. 前記絶縁スイッチモード電源モジュールは、
   前記絶縁スイッチモード電源モジュールの前記入力端子に接続され、前記ＡＣ電源からＡＣ電力をＤＣ電圧に整流する整流ユニットと、
   変圧器とを有し、前記変圧器は、
   前記整流ユニットに接続され、前記整流ユニットから出力される前記ＤＣ電圧を受電する一次側と、
   二次側とを有し、
   前記変圧器の前記一次側に接続される電圧調整ユニットを備え、前記電圧調整ユニットは、
   電子電力スイッチと、
   前記電子電力スイッチのターンオン時間を制御し、前記変圧器の前記一次側からのＤＣ電圧のデューティサイクルを調節するＰＷＭＩＣとを有し、
   前記変圧器の前記二次側及び前記絶縁スイッチモード電源モジュールの出力端子間に接続される整流器・フィルタ回路を備えることを特徴とする請求項１記載の閉ループ制御装置。
3. 前記絶縁スイッチモード電源モジュールは前記絶縁スイッチモード電源モジュールの前記出力端子及び前記ＰＷＭＩＣ間に接続される電圧フィードバック回路をさらに有し、前記電圧フィードバック回路は、
   前記絶縁スイッチモード電源モジュールの前記出力端子に接続され、フィードバック電圧を出力する電圧コンパレータと、
   前記電圧コンパレータに接続され、前記フィードバック電圧を受信し、前記フィードバック電圧にしたがってフィードバック電圧信号を生成し、前記フィードバック電圧信号を前記ＰＷＭ ＩＣに出力して、前記ＰＷＭ ＩＣは前記フィードバック電圧信号にしたがって前記変圧器の前記二次側からの前記ＤＣ電圧を調節するフォトカプラとを有することを特徴とする請求項２記載の閉ループ制御装置。
4. 前記速度制御モジュールはフットペダルに接続され、前記フットペダルは前記プロセッサへの入力電力に接続され、前記速度制御モジュールは前記フットペダルの回転角度を変動させることによって前記速度信号を調節することを特徴とする請求項１記載の閉ループ制御装置。
5. ランプが前記絶縁スイッチモード電源モジュールの他の出力端子に接続され、ＬＥＤであることを特徴とする請求項１記載の閉ループ制御装置。
6. 機械ミシンの閉ループ制御装置の制御方法であって、前記機械ミシンはフットペダル及びＤＣモータを備え、前記フットペダルはＤＣモータの操作電圧及び操作電流を制御してＤＣモータの回転速度を調節するものであり、前記機械ミシンによって実行される当該方法は、
   前記フットペダルの回転角度を取得するステップと、
   前記フットペダルの回転角度に対応する電力を前記ＤＣモータに供給して前記ＤＣモータを動作させるステップと、
   前記ＤＣモータの動作電力を計算するステップと、
   前記動作電力が予め設定された電力に等しいか否かを判断するステップと、
   前記動作電力が前記予め設定された電力と等しくない場合に前記ＤＣモータの前記動作電力を調節するステップとを含むことを特徴とする機械ミシンの閉ループ制御装置の制御方法。
7. 前記ＤＣモータの前記動作電力を調節するステップは、
   前記予め設定された電力が前記動作電力より大きいか否かを判断するステップと、
   前記予め設定された電力が前記動作電力より大きい場合、前記動作電力を増加させ、増加した動作電力を前記ＤＣモータに供給し、前記ＤＣモータの動作電力を計算するステップに戻るステップと、
   前記予め設定された電力が前記動作電力より大きくない場合、前記動作電力が重負荷電力より大きいか否かを判断するステップとを含むことを特徴とする請求項６記載の方法。
8. 前記動作電力が前記重負荷電力より大きくない場合、前記動作電力を減少させ、減少させた動作電力をＤＣモータに供給して前記ＤＣモータの動作電力を計算するステップに戻るステップと、
   前記動作電力が前記重負荷電力より大きい場合、重負荷制御モードに入るステップとを含むことを特徴とする請求項７記載の方法。
9. 前記重荷重制御モードに入るステップは、
   前記ＤＣモータに定格電力を供給するステップと、
   前記ＤＣモータの前記動作電力を計算するステップと、
   前記動作電力が前記定格電力より大きいか否かを判断するステップと、
   前記動作電力が前記定格電力より大きい場合、前記ＤＣモータへの前記動作電圧及び前記動作電流の入力を所定の時間が経過するまで停止し、フットペダルの回転角度を取得するステップに戻るステップと、
   前記動作電力が前記定格電力より大きくない場合、前記動作電力を増加させ、増加した動作電力を前記ＤＣモータに供給し、前記ＤＣモータの前記動作電力を計算するステップに戻るステップとを含むことを特徴とする請求項７記載の方法。