電腦縫紉機的“芯”——電控系統(tǒng)之技術

yimiyangguang

1 電控系統(tǒng)構成
    控制系統(tǒng)是帶電控裝置縫紉機的關鍵部位。它一般由控制主體、控制客體以及傳感部位等組成，具體包括控制箱（控制器、驅(qū)動器）、電機和電磁鐵、傳感器以及一些輔助元件。這些部分與縫紉機機械部件的配合、連動促成了縫紉機的自動化作業(yè)。如同強勁計算機的“芯”一樣，縫紉機電控系統(tǒng)開發(fā)商們通過不斷地努力強勁縫紉機的“芯”，增強機械的自動化能力。電控系統(tǒng)的控制部分主要控制電機、電磁鐵等兩個部件的驅(qū)動運行。
    首先來看控制器，其作用在于控制縫紉機完成不同的線跡。它的功能隨縫紉機的種類不同而不同，主要分為兩類：一類控制單臺電機即主驅(qū)動電機的運動，借助電磁鐵完成其它的輔助功能，如撥線、剪線、松線、前后加固、抬壓腳，對應的縫紉機有單針、雙針平縫機，包縫機，繃縫機；另一類控制多臺電機的協(xié)調(diào)動作，如繡花機、套結機、釘扣機、鎖眼機、花樣機，還有控制針桿擺動的曲折縫縫紉機，等等。各類控制器的硬件主要由操作者輸入?yún)?shù)的旋鈕、按鍵，顯示工作參數(shù)的數(shù)碼管、液晶顯示器，對操作命令、傳感器信號、執(zhí)行機構(電機、電磁鐵)進行運算、判斷、控制的微控制器組成，硬件通用性強；控制器的軟件則隨不同的縫紉機而異。
    然后再看驅(qū)動器，它是電控系統(tǒng)的核心，其硬件由功率電子器件和集成電路等構成。它將控制信號轉(zhuǎn)變成執(zhí)行機構的驅(qū)動信號，起著橋梁作用。驅(qū)動器在整個控制環(huán)節(jié)中，正好處于“主控制箱－驅(qū)動器－馬達”的中間環(huán)節(jié)，主要任務是接收來自主控制箱的信號，然后對信號進行處理再轉(zhuǎn)移至馬達以及和馬達有關的感應器，并且將馬達的工作情況反饋至主控制箱。驅(qū)動器的功能是接收電動機的啟動、停止、制動信號，以控制電動機的啟動、停止和制動；接收位置傳感器信號和正反轉(zhuǎn)信號，用來控制逆變橋各功率管的通斷，產(chǎn)生連續(xù)轉(zhuǎn)矩；接收速度指令和速度反饋信號，用來控制和調(diào)整轉(zhuǎn)速；提供保護和顯示等。
    驅(qū)動器的軟件則取決于不同種類的電機。與控制器類似，驅(qū)動器的硬件具有可移植性，相同功率的不同種類的電機可兼用。用于帶電控裝置縫紉機的馬達（電機）主要有電子馬達、調(diào)頻馬達（變頻馬達）、直流無刷電機和永磁同步伺服電機等等。
    此外，電磁鐵作為執(zhí)行元件可以完成縫紉機的輔助功能，其功能參數(shù)、響應過程對剪線速度、前后加固速度及線跡的美觀至關重要。
2 電控系統(tǒng)中的電機特點
    伺服電機是在伺服系統(tǒng)中控制機械元件運轉(zhuǎn)的發(fā)動機，是一種輔助馬達間接變速裝置。伺服電機是可以連續(xù)旋轉(zhuǎn)的“電－機械”轉(zhuǎn)換器，它可準確控制速度、位置、精度。就縫紉機電控系統(tǒng)控制技術來看，其技術的發(fā)展往往圍繞馬達（電機）技術的發(fā)展而變，不同的電控箱，應該配備對應的馬達，比如適合于電子馬達的電控箱就不能用于伺服馬達。這也提醒縫紉機使用者在打算更換電腦控制系統(tǒng)時，要考慮能否與該機器的馬達搭配的系統(tǒng)。
    一般伺服電機，分為直流伺服電機和交流伺服電機。由于交流和直流可以用英文標識為AC、DC，因此交流伺服即AC伺服，DC就是直流伺服。
    直流伺服電機分為有刷和無刷電機。有刷電機成本低，結構簡單，啟動轉(zhuǎn)矩大，調(diào)速范圍寬，控制容易，需要維護但維護方便（換碳刷），它會產(chǎn)生電磁干擾，對環(huán)境有要求，因此它可以用于對成本敏感的普通工業(yè)和民用場合。無刷電機體積小，重量輕，出力大，響應快，速度高，慣量小，轉(zhuǎn)動平滑，力矩穩(wěn)定。控制復雜，容易實現(xiàn)智能化，其電子換相方式靈活，可以方波換相或正弦波換相，其電機效率高，運行溫度低，電磁輻射很小，長壽命，可適用各種環(huán)境。進一步看，無刷直流電動機是以自控式運行的，它要求將方波電流直入定子繞組，所以不會像變頻調(diào)速下重載啟動的同步電機那樣在轉(zhuǎn)子上另加啟動繞組，也不會在負載突變時產(chǎn)生振蕩和失步。無刷直流電機具有直流有刷電機的特性，同時也是頻率變化的裝置，所以又名直流變頻，國際通用名詞為BLDC。
    直流電機伺服系統(tǒng)以其優(yōu)良的性能被廣泛地應用于位置隨動系統(tǒng)中，但結構復雜，在超低速時死區(qū)矛盾突出，并且換向刷會帶來噪聲和維護保養(yǎng)問題。
    交流伺服電機也是無刷電機，分為同步和異步電機，目前運動控制中一般都用同步電機，它的功率范圍大，可以做到很大的功率。大慣量，最高轉(zhuǎn)動速度低，且隨著功率增大而快速降低，因而同步電機適合低速平穩(wěn)運行的應用。交流伺服電機和無刷直流伺服電機相比，交流伺服要好一些，因為是正弦波控制，轉(zhuǎn)矩脈動小，而直流伺服是梯形波，比較簡單，便宜。
    在交流同步伺服驅(qū)動系統(tǒng)中，普通應用有三相永磁同步電動機。新型的永磁交流伺服電機發(fā)展迅速，尤其是從方波控制發(fā)展到正弦波控制后，系統(tǒng)性能更好，它調(diào)速范圍寬，尤其是低速性能優(yōu)越。到目前為止，高性能的電控伺服系統(tǒng)大多采用永磁同步型交流伺服電動機，控制驅(qū)動器多采用快速、準確定位的全數(shù)字位置伺服系統(tǒng)。
    永磁交流伺服電動機同直流伺服電動機比較，主要優(yōu)點有：無電刷和換向器，因此工作可靠，對維護和保養(yǎng)要求低；定子繞組散熱比較方便；慣量小，易于提高系統(tǒng)的快速性；適應于高速大力矩工作狀態(tài)；同功率下有較小的體積和重量。
    電控式縫紉機大多配備交流伺服系統(tǒng)。早在20世紀70年代，小慣量的直流伺服電機已經(jīng)實用化了。到了20世紀70年代末期交流伺服系統(tǒng)開始發(fā)展并逐步實用化，AC伺服電機的應用越來越廣，并且還有取代DC伺服系統(tǒng)的趨勢成為電氣伺服系統(tǒng)的主流。現(xiàn)在，投身永磁同步伺服電機及驅(qū)動器開發(fā)的專業(yè)制造企業(yè)增多，這是縫紉機電控系統(tǒng)裝置開發(fā)的突破點之一。
3 電控系統(tǒng)有關補充
    按照研制開發(fā)的技術難度來看，電控系統(tǒng)中難度從低到高依次為：控制器、馬達（電機）和驅(qū)動器。控制器的價格最低、技術最成熟，其構成與市場的單片機應用系統(tǒng)相似；馬達（電機）從電子馬達發(fā)展到變頻馬達，再發(fā)展到現(xiàn)在作為主流趨勢的伺服馬達；驅(qū)動器技術難度最大，一則在于復雜的電機模型難以在傳統(tǒng)的單片機上實現(xiàn)，二是功率電子器件的可靠性及系統(tǒng)設計水平要求高，隨著數(shù)字信號處理器（DSP）和專用智能功率模塊（ASIPM）的發(fā)展，其難度開始降低。從縫紉機電控系統(tǒng)來說，伺服控制系統(tǒng)代表著先進方向。
    談到電腦平縫機等機電一體化縫紉機時，有兩個詞的出現(xiàn)頻率很高：直驅(qū)、伺服。
    直驅(qū)對應非直驅(qū)，是一種傳動方式，主要區(qū)別于過去的皮帶傳動方式。不管是直驅(qū)還是非直驅(qū)都可以使用同一種電控系統(tǒng)裝置。從外觀來看，直驅(qū)馬達置于機頭內(nèi)部，通過直驅(qū)技術完成作業(yè)。直驅(qū)是新型電機直接與運動執(zhí)行部件結合，電機直接驅(qū)動機器運轉(zhuǎn)，沒有中間的機械傳動環(huán)節(jié)。直驅(qū)技術具有傳統(tǒng)傳動技術無法比的優(yōu)越性。從速度上看，傳統(tǒng)運動可實現(xiàn)15 m/min的直線運動速度和每分鐘十幾到幾十轉(zhuǎn)的分度速度。直驅(qū)技術應用后的直線運動速度可以提升到150 m/min以上，轉(zhuǎn)臺轉(zhuǎn)速可以達到每分鐘幾百轉(zhuǎn)；從精度上看，傳統(tǒng)傳動大多只能實現(xiàn)幾百分之一毫米或角分級的靈敏度，而直驅(qū)技術可以在設備上輕松地實現(xiàn)幾千分之一毫米或角秒級的靈敏度，直驅(qū)可以提升設備的綜合精度；從設備使用壽命方面看，直驅(qū)技術減少機械傳動零件，節(jié)約零件的原材料和制造成本。
    伺服系統(tǒng)是使物體的位置、方位、狀態(tài)等輸出被控量能夠跟隨輸入目標（或給定值）的任意變化的自動控制系統(tǒng)，主要任務是按控制命令輸入目標的要求，對功率進行放大、變換與調(diào)控等處理，使驅(qū)動裝置輸出的力矩、速度和位置控制靈活方便。
    現(xiàn)在的縫紉機用伺服變速系統(tǒng)使用的是閉環(huán)伺服控制方式，使用伺服電動機做執(zhí)行動力源，即轉(zhuǎn)子的機械運動受輸入電信控制做快速反應的電動機，伺服閉環(huán)組合控制的特點在于反應快、定位準確、可控性強。實現(xiàn)方法即是控制電路與執(zhí)行機構中存在反饋回路，控制電路將根據(jù)輸入反饋信號的實時狀態(tài)進行相應的操作。只有滿足預先設定的條件后，控制電路才發(fā)送相應的操作指令。對于檢修人員而言，在檢修時要建立一個概念，即“條件與執(zhí)行”。只要控制系統(tǒng)收到觸發(fā)指令即可自動地完成各種操作，如中間環(huán)節(jié)有不能滿足預先設定條件的話，系統(tǒng)將自動停機并提示相關信息用于檢修。
    順便提及的是，在電控系統(tǒng)中其控制主板的故障率一般較低。主板多為多層板和貼片元件，利用軟件運算控制，對一般維修者而言只要基本了解其工作原理即可，不必去深究其運算控制法，其維修難度大且需要專業(yè)知識。

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tyu06881

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