電腦縫紉機(jī)的“芯”——電控系統(tǒng)之技術(shù)

yimiyangguang

1 電控系統(tǒng)構(gòu)成
    控制系統(tǒng)是帶電控裝置縫紉機(jī)的關(guān)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(dòng)器）、電機(jī)和電磁鐵、傳感器以及一些輔助元件。這些部分與縫紉機(jī)機(jī)械部件的配合、連動(dòng)促成了縫紉機(jī)的自動(dòng)化作業(yè)。如同強(qiáng)勁計(jì)算機(jī)的“芯”一樣，縫紉機(jī)電控系統(tǒng)開(kāi)發(fā)商們通過(guò)不斷地努力強(qiáng)勁縫紉機(jī)的“芯”，增強(qiáng)機(jī)械的自動(dòng)化能力。電控系統(tǒng)的控制部分主要控制電機(jī)、電磁鐵等兩個(gè)部件的驅(qū)動(dòng)運(yùn)行。
    首先來(lái)看控制器，其作用在于控制縫紉機(jī)完成不同的線跡。它的功能隨縫紉機(jī)的種類不同而不同，主要分為兩類：一類控制單臺(tái)電機(jī)即主驅(qū)動(dòng)電機(jī)的運(yùn)動(dòng)，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(duì)應(yīng)的縫紉機(jī)有單針、雙針平縫機(jī)，包縫機(jī)，繃縫機(jī)；另一類控制多臺(tái)電機(jī)的協(xié)調(diào)動(dòng)作，如繡花機(jī)、套結(jié)機(jī)、釘扣機(jī)、鎖眼機(jī)、花樣機(jī)，還有控制針桿擺動(dòng)的曲折縫縫紉機(jī)，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(duì)操作命令、傳感器信號(hào)、執(zhí)行機(jī)構(gòu)(電機(jī)、電磁鐵)進(jìn)行運(yùn)算、判斷、控制的微控制器組成，硬件通用性強(qiáng)；控制器的軟件則隨不同的縫紉機(jī)而異。
    然后再看驅(qū)動(dòng)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(gòu)成。它將控制信號(hào)轉(zhuǎn)變成執(zhí)行機(jī)構(gòu)的驅(qū)動(dòng)信號(hào)，起著橋梁作用。驅(qū)動(dòng)器在整個(gè)控制環(huán)節(jié)中，正好處于“主控制箱－驅(qū)動(dòng)器－馬達(dá)”的中間環(huán)節(jié)，主要任務(wù)是接收來(lái)自主控制箱的信號(hào)，然后對(duì)信號(hào)進(jìn)行處理再轉(zhuǎn)移至馬達(dá)以及和馬達(dá)有關(guān)的感應(yīng)器，并且將馬達(dá)的工作情況反饋至主控制箱。驅(qū)動(dòng)器的功能是接收電動(dòng)機(jī)的啟動(dòng)、停止、制動(dòng)信號(hào)，以控制電動(dòng)機(jī)的啟動(dòng)、停止和制動(dòng)；接收位置傳感器信號(hào)和正反轉(zhuǎn)信號(hào)，用來(lái)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(hào)，用來(lái)控制和調(diào)整轉(zhuǎn)速；提供保護(hù)和顯示等。
    驅(qū)動(dòng)器的軟件則取決于不同種類的電機(jī)。與控制器類似，驅(qū)動(dòng)器的硬件具有可移植性，相同功率的不同種類的電機(jī)可兼用。用于帶電控裝置縫紉機(jī)的馬達(dá)（電機(jī)）主要有電子馬達(dá)、調(diào)頻馬達(dá)（變頻馬達(dá)）、直流無(wú)刷電機(jī)和永磁同步伺服電機(jī)等等。
    此外，電磁鐵作為執(zhí)行元件可以完成縫紉機(jī)的輔助功能，其功能參數(shù)、響應(yīng)過(guò)程對(duì)剪線速度、前后加固速度及線跡的美觀至關(guān)重要。
2 電控系統(tǒng)中的電機(jī)特點(diǎn)
    伺服電機(jī)是在伺服系統(tǒng)中控制機(jī)械元件運(yùn)轉(zhuǎn)的發(fā)動(dòng)機(jī)，是一種輔助馬達(dá)間接變速裝置。伺服電機(jī)是可以連續(xù)旋轉(zhuǎn)的“電－機(jī)械”轉(zhuǎn)換器，它可準(zhǔn)確控制速度、位置、精度。就縫紉機(jī)電控系統(tǒng)控制技術(shù)來(lái)看，其技術(shù)的發(fā)展往往圍繞馬達(dá)（電機(jī)）技術(shù)的發(fā)展而變，不同的電控箱，應(yīng)該配備對(duì)應(yīng)的馬達(dá)，比如適合于電子馬達(dá)的電控箱就不能用于伺服馬達(dá)。這也提醒縫紉機(jī)使用者在打算更換電腦控制系統(tǒng)時(shí)，要考慮能否與該機(jī)器的馬達(dá)搭配的系統(tǒng)。
    一般伺服電機(jī)，分為直流伺服電機(jī)和交流伺服電機(jī)。由于交流和直流可以用英文標(biāo)識(shí)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(jī)分為有刷和無(wú)刷電機(jī)。有刷電機(jī)成本低，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，啟動(dòng)轉(zhuǎn)矩大，調(diào)速范圍寬，控制容易，需要維護(hù)但維護(hù)方便（換碳刷），它會(huì)產(chǎn)生電磁干擾，對(duì)環(huán)境有要求，因此它可以用于對(duì)成本敏感的普通工業(yè)和民用場(chǎng)合。無(wú)刷電機(jī)體積小，重量輕，出力大，響應(yīng)快，速度高，慣量小，轉(zhuǎn)動(dòng)平滑，力矩穩(wěn)定?？刂茝?fù)雜，容易實(shí)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(jī)效率高，運(yùn)行溫度低，電磁輻射很小，長(zhǎng)壽命，可適用各種環(huán)境。進(jìn)一步看，無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)是以自控式運(yùn)行的，它要求將方波電流直入定子繞組，所以不會(huì)像變頻調(diào)速下重載啟動(dòng)的同步電機(jī)那樣在轉(zhuǎn)子上另加啟動(dòng)繞組，也不會(huì)在負(fù)載突變時(shí)產(chǎn)生振蕩和失步。無(wú)刷直流電機(jī)具有直流有刷電機(jī)的特性，同時(shí)也是頻率變化的裝置，所以又名直流變頻，國(guó)際通用名詞為BLDC。
    直流電機(jī)伺服系統(tǒng)以其優(yōu)良的性能被廣泛地應(yīng)用于位置隨動(dòng)系統(tǒng)中，但結(jié)構(gòu)復(fù)雜，在超低速時(shí)死區(qū)矛盾突出，并且換向刷會(huì)帶來(lái)噪聲和維護(hù)保養(yǎng)問(wèn)題。
    交流伺服電機(jī)也是無(wú)刷電機(jī)，分為同步和異步電機(jī)，目前運(yùn)動(dòng)控制中一般都用同步電機(jī)，它的功率范圍大，可以做到很大的功率。大慣量，最高轉(zhuǎn)動(dòng)速度低，且隨著功率增大而快速降低，因而同步電機(jī)適合低速平穩(wěn)運(yùn)行的應(yīng)用。交流伺服電機(jī)和無(wú)刷直流伺服電機(jī)相比，交流伺服要好一些，因?yàn)槭钦也刂?，轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)小，而直流伺服是梯形波，比較簡(jiǎn)單，便宜。
    在交流同步伺服驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)中，普通應(yīng)用有三相永磁同步電動(dòng)機(jī)。新型的永磁交流伺服電機(jī)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(dòng)機(jī)，控制驅(qū)動(dòng)器多采用快速、準(zhǔn)確定位的全數(shù)字位置伺服系統(tǒng)。
    永磁交流伺服電動(dòng)機(jī)同直流伺服電動(dòng)機(jī)比較，主要優(yōu)點(diǎn)有：無(wú)電刷和換向器，因此工作可靠，對(duì)維護(hù)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(yīng)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(jī)大多配備交流伺服系統(tǒng)。早在20世紀(jì)70年代，小慣量的直流伺服電機(jī)已經(jīng)實(shí)用化了。到了20世紀(jì)70年代末期交流伺服系統(tǒng)開(kāi)始發(fā)展并逐步實(shí)用化，AC伺服電機(jī)的應(yīng)用越來(lái)越廣，并且還有取代DC伺服系統(tǒng)的趨勢(shì)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(jī)及驅(qū)動(dòng)器開(kāi)發(fā)的專業(yè)制造企業(yè)增多，這是縫紉機(jī)電控系統(tǒng)裝置開(kāi)發(fā)的突破點(diǎn)之一。
3 電控系統(tǒng)有關(guān)補(bǔ)充
    按照研制開(kāi)發(fā)的技術(shù)難度來(lái)看，電控系統(tǒng)中難度從低到高依次為：控制器、馬達(dá)（電機(jī)）和驅(qū)動(dòng)器。控制器的價(jià)格最低、技術(shù)最成熟，其構(gòu)成與市場(chǎng)的單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)相似；馬達(dá)（電機(jī)）從電子馬達(dá)發(fā)展到變頻馬達(dá)，再發(fā)展到現(xiàn)在作為主流趨勢(shì)的伺服馬達(dá)；驅(qū)動(dòng)器技術(shù)難度最大，一則在于復(fù)雜的電機(jī)模型難以在傳統(tǒng)的單片機(jī)上實(shí)現(xiàn)，二是功率電子器件的可靠性及系統(tǒng)設(shè)計(jì)水平要求高，隨著數(shù)字信號(hào)處理器（DSP）和專用智能功率模塊（ASIPM）的發(fā)展，其難度開(kāi)始降低。從縫紉機(jī)電控系統(tǒng)來(lái)說(shuō)，伺服控制系統(tǒng)代表著先進(jìn)方向。
    談到電腦平縫機(jī)等機(jī)電一體化縫紉機(jī)時(shí)，有兩個(gè)詞的出現(xiàn)頻率很高：直驅(qū)、伺服。
    直驅(qū)對(duì)應(yīng)非直驅(qū)，是一種傳動(dòng)方式，主要區(qū)別于過(guò)去的皮帶傳動(dòng)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(lái)看，直驅(qū)馬達(dá)置于機(jī)頭內(nèi)部，通過(guò)直驅(qū)技術(shù)完成作業(yè)。直驅(qū)是新型電機(jī)直接與運(yùn)動(dòng)執(zhí)行部件結(jié)合，電機(jī)直接驅(qū)動(dòng)機(jī)器運(yùn)轉(zhuǎn)，沒(méi)有中間的機(jī)械傳動(dòng)環(huán)節(jié)。直驅(qū)技術(shù)具有傳統(tǒng)傳動(dòng)技術(shù)無(wú)法比的優(yōu)越性。從速度上看，傳統(tǒng)運(yùn)動(dòng)可實(shí)現(xiàn)15 m/min的直線運(yùn)動(dòng)速度和每分鐘十幾到幾十轉(zhuǎn)的分度速度。直驅(qū)技術(shù)應(yīng)用后的直線運(yùn)動(dòng)速度可以提升到150 m/min以上，轉(zhuǎn)臺(tái)轉(zhuǎn)速可以達(dá)到每分鐘幾百轉(zhuǎn)；從精度上看，傳統(tǒng)傳動(dòng)大多只能實(shí)現(xiàn)幾百分之一毫米或角分級(jí)的靈敏度，而直驅(qū)技術(shù)可以在設(shè)備上輕松地實(shí)現(xiàn)幾千分之一毫米或角秒級(jí)的靈敏度，直驅(qū)可以提升設(shè)備的綜合精度；從設(shè)備使用壽命方面看，直驅(qū)技術(shù)減少機(jī)械傳動(dòng)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(biāo)（或給定值）的任意變化的自動(dòng)控制系統(tǒng)，主要任務(wù)是按控制命令輸入目標(biāo)的要求，對(duì)功率進(jìn)行放大、變換與調(diào)控等處理，使驅(qū)動(dòng)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(jī)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(dòng)機(jī)做執(zhí)行動(dòng)力源，即轉(zhuǎn)子的機(jī)械運(yùn)動(dòng)受輸入電信控制做快速反應(yīng)的電動(dòng)機(jī)，伺服閉環(huán)組合控制的特點(diǎn)在于反應(yīng)快、定位準(zhǔn)確、可控性強(qiáng)。實(shí)現(xiàn)方法即是控制電路與執(zhí)行機(jī)構(gòu)中存在反饋回路，控制電路將根據(jù)輸入反饋信號(hào)的實(shí)時(shí)狀態(tài)進(jìn)行相應(yīng)的操作。只有滿足預(yù)先設(shè)定的條件后，控制電路才發(fā)送相應(yīng)的操作指令。對(duì)于檢修人員而言，在檢修時(shí)要建立一個(gè)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(dòng)地完成各種操作，如中間環(huán)節(jié)有不能滿足預(yù)先設(shè)定條件的話，系統(tǒng)將自動(dòng)停機(jī)并提示相關(guān)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(yùn)算控制，對(duì)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(yùn)算控制法，其維修難度大且需要專業(yè)知識(shí)。

jin

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初步進(jìn)行了學(xué)習(xí)，以后還要在這方面加強(qiáng)

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tyu06881

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