一種工業縫紉機精確定位系統及其工作方法
【專利摘要】一種工業縫紉機精確定位系統及其工作方法，涉及一種縫紉機定位系統及其工作方法。傳統的工業平縫機定位方法一般采用位置閉環的調節系統，普遍存在停車精度不高，以及存在反轉、抖動、穩定性差等現象。本發明特征在于：所述的控制器包括：反拖快速剎車模塊；速度調節模塊；前饋力矩模塊；三相短接可控停車模塊。本技術方案先采用反拖快速剎車模塊使伺服電機快速降速，并由速度調節模塊將速度穩定在一范圍內，縫紉機開始處于剪線點附近，負載突變最大，前饋力矩模塊提前給一個前向拖動力矩，克服剪線時的負載突變；當縫紉機機頭位于停針點附近時，由三相短接可控停車模塊將三相短路進行制動，避免反拖制動所造成的停針不準和停針抖動問題。
【專利說明】一種工業縫紉機精確定位系統及其工作方法
【技術領域】
[0001]本發明涉及一種縫紉機定位系統及其工作方法。
【背景技術】
[0002]傳統的工業平縫機定位方法一般采用位置閉環的調節系統。縫紉機停針采用反接制動的方式，電流大，反力大，易出現抖動、停車不準的情況，另由于平縫機在停車定位時負載突變較大，普遍存在停車精度不高，以及存在反轉、抖動、穩定性差等現象。

【發明內容】

[0003]本發明要解決的技術問題和提出的技術任務是對現有技術方案進行完善與改進，提供一種工業縫紉機精確定位系統及其工作方法，以達到準確快速定位的目的。為此，本發明采取以下技術方案。
[0004]一種工業縫紉機精確定位系統，包括控制器、伺服電機、踏板指令器、上停針位監測器、功率電路，所述的伺服電機上設有用于測速的光電編碼器，所述的踏板指令器、上停針位監測器、光電編碼器與控制器相連，所述的控制器通過功率電路與伺服電機相連，所述的功率電路包括六個開關管組成的橋堆電路，其中三個開關管組成上橋臂，另三個開關管組成下橋臂，橋臂的輸入端與直流電源直接相連，橋臂的三路輸出端與伺服電機的三相A、
B、C相連，六個開關管的控制端分別與控制器輸出的六路PWM控制信號直接相連，其特征在于:所述的控制器包括:
反拖快速剎車模塊，用于當踏板指令器發出的信號有效時，且伺服電機在高速運轉過程中時，經功率電路給伺服電機一個逐漸增大的反拖力矩；
速度調節模塊，用于根據光電編碼器獲得的伺服電機轉速，調節PWM占空比，使電機速度按設定轉速穩定運行；
前饋力矩模塊，用于當控制器接受到縫紉機處于上停針位信息時，且伺服電機速度在設定范圍內，通過功率電路給伺服電機一個前向拖動的前饋力矩；
三相短接可控停車模塊:用于當縫紉機位于停針點附近時，經輸出模塊，關斷上橋臂的三個開關管，開通下橋臂的三個開關管，使三相下橋直通，伺服電機的三相A、B、C短路，給伺服電機一個平穩制動力矩。反拖快速剎車模塊使伺服電機快速降速，并由速度調節模塊將速度穩定在一范圍內，縫紉機開始處于剪線點附近，負載突變最大，前饋力矩模塊提前給一個前向拖動力矩，克服剪線時的負載突變；當縫紉機機頭位于停針點附近時，由三相短接可控停車模塊將三相短路進行制動，避免反拖制動所造成的停針不準和停針抖動問題。
[0005]作為對上述技術方案的進一步完善和補充，本發明還包括以下附加技術特征。
[0006]所述的控制器還包括位置補償模塊，用于在停車時，縫紉機機頭未達到或超過目標點時，輸出六路為互補I禹合式的PWM信號驅動六個開關管，輸出正向或反向拖動力矩，使伺服電機正向或反向運轉，帶動縫紉機機頭到停針位附近。。
[0007]一種工業縫紉機精確定位系統的工作方法，它包括以下步驟: a、在伺服電機高速運轉過程中，當踏板信號提供的停車信號有效時，控制器輸出六路PWM控制信號分別給功率電路的六個開關管，采用反拖制動的方式降低伺服電機的轉速，控制器通過光電編碼器采集伺服電機轉速，根據測得的轉速值，通過輸出PWM占空比值從O逐漸增加到一定值，控制六路開關管，給伺服電機一個逐漸增大的反拖力矩；
b、控制器經過光電編碼器不斷對伺服電機的轉速采樣，根據轉速不斷調整P麗的占空t匕，使伺服電機速度穩定在設定的范圍；
C、當電機獲得上停針位監測器信號時，控制器從收到停針位信號開始到剪線結束的過程中，通過給伺服電機一個較大的前向拖動的前饋力矩，實現對于縫紉機負載突變的抑制；
d、當縫紉機機頭位于停針點附近，采用三相短路進行制動，控制器輸出六路PWM驅動六個開關管，關斷上橋臂的三個開關管，開通下橋臂的三個開關管，使三相下橋直通，伺服電機的三相A、B、C短路，給伺服電機一個平穩制動力矩；
e、當縫紉機機頭未達到或超過目標點時，輸出六路為互補耦合式的PWM信號驅動六個開關管(Ql、Q2、Q3、Q4、Q5、Q6)，輸出正向或反向拖動力矩，使伺服電機(PMSM)正向或反向運轉，帶動縫紉機機頭到停針位附近。
[0008]伺服電機轉速分段調節采用PI調節，控制器將轉速分為多段，計算出PWM的占空
t匕，PI調速公式為AM (K) = KW)-琳-\)' + Kf(Jc);其中M(K):控制器輸出信號，Kp
為控制系統比例增益，Ki為控制系統積分增益，e (K)為當前誤差，e(K-l)為上一次的誤差，在不同速度段對應相應的Kp和Ki。
[0009]有益效果:本技術方案先采用反接快速制動，然后再使用短接慢速制動，提高停針位置準確性，且停車速度較快，停車時間較短，有效提高縫制效率，且能夠保持伺服電機PMSM輸出電流在系統能夠承受的范圍之內，不僅保證整個系統輸出的安全，而且能夠保證整個系統元器件的安全，不會由于過壓而損壞。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0010]圖1是本發明功率電路圖。
[0011]圖2是本發明結構原理圖。
[0012]圖3是本發明流程圖。
[0013]圖中DSP-控制器，PMSM-伺服電機，Ql-第一開關管、Q2-第二開關管、Q3-第三開關管、Q4-第四開關管、Q5-第五開關管、Q6-第六開關管開關管、Q7-第七開關管，R-伺服電機內阻，L-伺服電機電感，Rl-第一電阻。
【具體實施方式】
[0014]以下結合說明書附圖對本發明的技術方案做進一步的詳細說明。
[0015]如圖2所示，本發明包含控制器DSP、伺服電機PMSM、功率電路。伺服電機為PMSM磁同步伺服電機；功率電路主要包含六個IGBT開關管構成的橋堆電路，如圖1所示第一開關管Q1、第三開關管Q3、第五開關管Q5組成上橋臂，第二開關管Q2、第四開關管Q4、第六開關管Q6組成上橋臂，本實例中的第一、第二、第三、第四、第五、第六開關管Qf Q6采用IGBT開關管，第一、第三、第五開關管Q1、Q3、Q5的漏極并接到直流電源，第二、第四、第六開關管Q2、Q4、Q6的源極并接到直流電源地。橋臂的三路輸出端與伺服電機PMSM的三相A、B、C相連，具體為:第一開關管Ql的源極與第二開關管Q2的漏極相連并與PMSM永磁同步伺服電機的A相繞組相連，第三開關管Q3的源極與Q4的漏極相連并與PMSM永磁同步伺服電機的B相繞組相連，第五開關管Q5的源極與第六開關管Q6的漏極相連并與PMSM永磁同步伺服電機的C相繞組相連。圖1中R為伺服電機PMSM的每相內阻，L為伺服電機PMSM2的每相電感，ea、eb、e。為伺服電機PMSM的每相反電勢，VD。為直流母線電壓。每個開關管內部自帶續流二極管。六個開關管Ql~Q6的控制端分別與控制器DSP的六路PWM控制信號相連。控制器DSP還與光電編碼器4、上停針位監測器、踏板指令器、剎車電路、電磁鐵驅動電路相連。電磁鐵驅動電路發送電磁鐵信號控制工業縫紉機。
[0016]伺服電機PMSM端部安裝有光電編碼器4，光電編碼器4、和上停針位監測器5為控制器DSP提供伺服電機PMSM的位置和速度信號。踏板指令信號6為控制器DSP提供速度指令和停車信號。控制器DSP發出六路PWM信號，送給功率電路，然后伺服電機PMSM運轉，從而帶動工業縫紉機主軸進行縫紉。在剎車過程中，控制器DSP檢測母線電壓信號，然后根據電壓高低不斷開通第七開關管Q7，使電流經第一電阻Rl到直流母線中，以保護系統中的器件不被損壞，本方案開關管為高壓MOS管。工業縫紉機在運轉過程中，不斷檢測踏板的速度指令和停機信號，根據測得的速度和位置信號，不斷調整PWM的占空比，工業縫紉機在不同的運轉模式下，控制器DSP發出不同的占空比控制六路PWM信號，以達到速度和位置控制。與工業縫紉機相連的還有上停針位監測器信號以及電磁鐵。上停針位監測器信號給控制器DSP以提供準確的縫紉機針桿位置，控制器DSP通過控制伺服電機PMSM的前饋、減速、停車，可以保證縫紉機能否抵抗剪線時的負載突變，保證縫紉機針桿按照要求精確定位，滿足縫制設備工藝的需要?？刂破鱀SP根據用戶需要和縫制模式，不斷開通縫紉機切線機構、撥線機構、倒縫機構以及抬壓腳機構，在縫紉過程中完成自動剪線、自動撥線、自動倒縫、自動抬壓腳等功能。
[0017]工業縫紉機準確停車方法，如圖3所示，包含以下步驟:
a、工業縫紉機高速運轉時，當踏板信號提供的停車信號有效時，DSP經過運算分析和處理，輸出六路PWM控制信號分別給功率電路的六個開關管Ql~Q6，采用反拖制動降低伺服電機PMSM的轉速，然后控制器DSP通過光電編碼器采集伺服電機PMSM轉速，根據測得的轉速值，通過輸出PWM占空比值從O逐漸增加到某一特定值，再以這個占空比值輸出到六路開關管Ql~Q6，給伺服電機PMSM —個逐漸增大的反拖力矩，以達到剎車減速的目的，當檢測到母線電壓高于某一特定值時，控制器DSP通過導通第七開關管Q7，使電流流經第一電阻Rl，從而保護系統器件不被損壞；
b、控制器DSP不斷測量伺服電機PMSM的轉速，根據光電編碼器信號不斷獲得伺服電機PMSM的位置，根據轉速采用分段式PI不斷調整PWM的占空比，使電機速度穩定在一個特定
的范圍:分段式數字PI算法為=l)] + ^e(i);其中1(1():控制器輸
出信號，Kp為控制系統比例增益，Ki為控制系統積分增益，e(K)為當前誤差，e (K-1)為上一次的誤差。上述公式采用增量式PI方式。在分段時不同的輸入時，對應不同的Kp和Ki。本方案中速度分為三檔，高速、中速、低速分別對應不同的Kp和Ki ;
C、當電機獲得上停針位監測器信號時，此時電機速度也在給定的范圍，此位置縫紉機開始處于剪線點附近，負載突變最大，為了克服剪線時的負載突變，DSP從收到停針位信號開始到剪線結束的過程中，控制器DSP通過給伺服電機PMSM —個較大的前向拖動的前饋力矩，實現對于縫紉機負載突變的抑制；
d、當縫紉機位于停針點附近，采用三相短路進行制動，控制器DSP輸出六路PWM驅動六個開關管Ql?Q6，其中第一、第三、第五開關管Q1、Q3、Q5無效；第二、第四、第六開關管Q2、Q4、Q6有效，使三相下橋直通，給伺服電機PMSM —個平穩制動力矩，此種方法可以避免反拖制動所造成的停針不準和停針抖動問題；
e、當縫紉機機頭未達到或超過目標點時，輸出六路為互補耦合式的PWM信號驅動六個開關管Q1、Q2、Q3、Q4、Q5、Q6，輸出正向或反向拖動力矩，使伺服電機PMSM正向或反向運轉，帶動縫紉機機頭到停針位附近。
[0018] 以上圖1-3所示的一種工業縫紉機精確定位系統及其工作方法是本發明的具體實施例，已經體現出本發明實質性特點和進步，可根據實際的使用需要，在本發明的啟示下，對其進行形狀、結構等方面的等同修改，均在本方案的保護范圍之列。
【權利要求】
1.一種工業縫紉機精確定位系統，包括控制器(DSP )、伺服電機(PMSM)、踏板指令器、上停針位監測器、功率電路，所述的伺服電機(PMSM)上設有用于測速的光電編碼器，所述的踏板指令器、上停針位監測器、光電編碼器與控制器(DSP)相連，所述的控制器(DSP)通過功率電路與伺服電機(PMSM)相連，所述的功率電路包括六個開關管(Q1、Q2、Q3、Q4、Q5、Q6)組成的橋堆電路，其中三個開關管(Q1、Q3、Q5)組成上橋臂，另三個開關管(Q2、Q4、Q6)組成下橋臂，橋臂的輸入端與直流電源直接相連，橋臂的三路輸出端與伺服電機(PMSM)的三相A、B、C相連，六個開關管(Ql、Q2、Q3、Q4、Q5、Q6)的控制端分別與控制器(DSP)輸出的六路PWM控制信號直接相連，其特征在于:所述的控制器(DSP)包括: 反拖快速剎車模塊，用于當踏板指令器發出的信號有效時，且伺服電機(PMSM)在高速運轉過程中時，經功率電路給伺服電機(PMSM) —個逐漸增大的反拖力矩； 速度調節模塊，用于根據光電編碼器獲得的伺服電機(PMSM)轉速，調節PWM占空比，使電機速度按設定轉速穩定運行； 前饋力矩模塊，用于當控制器(DSP)接受到縫紉機處于上停針位信息時，且伺服電機(PMSM)速度在設定范圍內，通過功率電路給伺服電機(PMSM) —個前向拖動的前饋力矩； 三相短接可控停車模塊:用于當縫紉機位于停針點附近時，經輸出模塊，關斷上橋臂的三個開關管(Ql、Q3、Q5)，開通下橋臂的三個開關管(Q2、Q4、Q6)，使三相下橋直通，伺服電機(PMSM)的三相A、B、C短路，給伺服電機(PMSM) —個平穩制動力矩。
2.根據權利要 求1所述的一種工業縫紉機精確定位系統，其特征在于:所述的控制器(DSP)還包括位置補償模塊，用于在停車時，縫紉機機頭未達到或超過目標點時，輸出六路為互補耦合式的PWM信號驅動六個開關管(Ql、Q2、Q3、Q4、Q5、Q6)，輸出正向或反向拖動力矩，使伺服電機(PMSM)正向或反向運轉，帶動縫紉機機頭到停針位附近。
3.采用權利要求1或2所述的一種工業縫紉機精確定位系統的工作方法，其特征在于它包括以下步驟: a、在伺服電機(PMSM)高速運轉過程中，當踏板信號提供的停車信號有效時，控制器(DSP)輸出六路PWM控制信號分別給功率電路的六個開關管(Ql、Q2、Q3、Q4、Q5、Q6)，采用反拖制動的方式降低伺服電機(PMSM)的轉速，控制器(DSP)通過光電編碼器采集伺服電機(PMSM)轉速，根據測得的轉速值，通過輸出PWM占空比值從O逐漸增加到一定值，控制六路開關管(Ql、Q2、Q3、Q4、Q5、Q6)，給伺服電機(PMSM) —個逐漸增大的反拖力矩； b、控制器(DSP)經過光電編碼器不斷對伺服電機(PMSM)的轉速采樣，根據轉速不斷調整PWM的占空比，使伺服電機(PMSM)速度穩定在設定的范圍； C、當電機獲得上停針位監測器信號時，控制器(DSP)從收到停針位信號開始到剪線結束的過程中，通過給伺服電機(PMSM)—個較大的前向拖動的前饋力矩，實現對于縫紉機負載突變的抑制； d、當縫紉機機頭位于停針點附近，采用三相短路進行制動，控制器(DSP)輸出六路PWM驅動六個開關管(Ql、Q2、Q3、Q4、Q5、Q6 )，關斷上橋臂的三個開關管(Ql、Q2、Q3、Q4、Q5、Q6 )，開通下橋臂的三個開關管(Ql、Q2、Q3、Q4、Q5、Q6)，使三相下橋直通，伺服電機(PMSM)的三相A、B、C短路，給伺服電機(PMSM) —個平穩制動力矩； e、當縫紉機機頭未達到或超過目標點時，輸出六路為互補耦合式的PWM信號驅動六個開關管(Ql、Q2、Q3、Q4、Q5、Q6)，輸出正向或反向拖動力矩，使伺服電機(PMSM)正向或反向運轉，帶動縫紉機機頭到停針位附近。
4.根據權利要求3所述的一種工業縫紉機精確定位系統的工作方法，其特征在于:伺服電機(PMSM)轉速分段調節采用PI調節，控制器(DSP)將轉速分為多段，計算出PWM的占空比，PI調速公式為AM {k) = K>{k) - e{k - \)] +;其中M(K):控制器(DSP)輸出信號，Kp為控制系統比例增益，Ki為控制系統積分增益，e(K)為當前誤差，e (K-1)為上一次的誤差，在不同 速度段對應相應的Kp和Ki。
【文檔編號】D05B69/28GK103572514SQ201310505540
【公開日】2014年2月12日 申請日期:2013年10月24日 優先權日:2013年10月24日
【發明者】姜澤, 嚴偉燦, 廉晨龍, 俞蘭英 申請人:臥龍電氣集團股份有限公司