电脑缝纫机的“芯”——电控系统之技术

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1 电控系统构成
    控制系统是带电控装置缝纫机的关键部位。它一般由控制主体、控制客体以及传感部位等组成，具体包括控制箱（控制器、驱动器）、电机和电磁铁、传感器以及一些辅助元件。这些部分与缝纫机机械部件的配合、连动促成了缝纫机的自动化作业。如同强劲计算机的“芯”一样，缝纫机电控系统开发商们通过不断地努力强劲缝纫机的“芯”，增强机械的自动化能力。电控系统的控制部分主要控制电机、电磁铁等两个部件的驱动运行。
    首先来看控制器，其作用在于控制缝纫机完成不同的线迹。它的功能随缝纫机的种类不同而不同，主要分为两类：一类控制单台电机即主驱动电机的运动，借助电磁铁完成其它的辅助功能，如拨线、剪线、松线、前后加固、抬压脚，对应的缝纫机有单针、双针平缝机，包缝机，绷缝机；另一类控制多台电机的协调动作，如绣花机、套结机、钉扣机、锁眼机、花样机，还有控制针杆摆动的曲折缝缝纫机，等等。各类控制器的硬件主要由操作者输入参数的旋钮、按键，显示工作参数的数码管、液晶显示器，对操作命令、传感器信号、执行机构(电机、电磁铁)进行运算、判断、控制的微控制器组成，硬件通用性强；控制器的软件则随不同的缝纫机而异。
    然后再看驱动器，它是电控系统的核心，其硬件由功率电子器件和集成电路等构成。它将控制信号转变成执行机构的驱动信号，起着桥梁作用。驱动器在整个控制环节中，正好处于“主控制箱－驱动器－马达”的中间环节，主要任务是接收来自主控制箱的信号，然后对信号进行处理再转移至马达以及和马达有关的感应器，并且将马达的工作情况反馈至主控制箱。驱动器的功能是接收电动机的启动、停止、制动信号，以控制电动机的启动、停止和制动；接收位置传感器信号和正反转信号，用来控制逆变桥各功率管的通断，产生连续转矩；接收速度指令和速度反馈信号，用来控制和调整转速；提供保护和显示等。
    驱动器的软件则取决于不同种类的电机。与控制器类似，驱动器的硬件具有可移植性，相同功率的不同种类的电机可兼用。用于带电控装置缝纫机的马达（电机）主要有电子马达、调频马达（变频马达）、直流无刷电机和永磁同步伺服电机等等。
    此外，电磁铁作为执行元件可以完成缝纫机的辅助功能，其功能参数、响应过程对剪线速度、前后加固速度及线迹的美观至关重要。
2 电控系统中的电机特点
    伺服电机是在伺服系统中控制机械元件运转的发动机，是一种辅助马达间接变速装置。伺服电机是可以连续旋转的“电－机械”转换器，它可准确控制速度、位置、精度。就缝纫机电控系统控制技术来看，其技术的发展往往围绕马达（电机）技术的发展而变，不同的电控箱，应该配备对应的马达，比如适合于电子马达的电控箱就不能用于伺服马达。这也提醒缝纫机使用者在打算更换电脑控制系统时，要考虑能否与该机器的马达搭配的系统。
    一般伺服电机，分为直流伺服电机和交流伺服电机。由于交流和直流可以用英文标识为AC、DC，因此交流伺服即AC伺服，DC就是直流伺服。
    直流伺服电机分为有刷和无刷电机。有刷电机成本低，结构简单，启动转矩大，调速范围宽，控制容易，需要维护但维护方便（换碳刷），它会产生电磁干扰，对环境有要求，因此它可以用于对成本敏感的普通工业和民用场合。无刷电机体积小，重量轻，出力大，响应快，速度高，惯量小，转动平滑，力矩稳定。控制复杂，容易实现智能化，其电子换相方式灵活，可以方波换相或正弦波换相，其电机效率高，运行温度低，电磁辐射很小，长寿命，可适用各种环境。进一步看，无刷直流电动机是以自控式运行的，它要求将方波电流直入定子绕组，所以不会像变频调速下重载启动的同步电机那样在转子上另加启动绕组，也不会在负载突变时产生振荡和失步。无刷直流电机具有直流有刷电机的特性，同时也是频率变化的装置，所以又名直流变频，国际通用名词为BLDC。
    直流电机伺服系统以其优良的性能被广泛地应用于位置随动系统中，但结构复杂，在超低速时死区矛盾突出，并且换向刷会带来噪声和维护保养问题。
    交流伺服电机也是无刷电机，分为同步和异步电机，目前运动控制中一般都用同步电机，它的功率范围大，可以做到很大的功率。大惯量，最高转动速度低，且随着功率增大而快速降低，因而同步电机适合低速平稳运行的应用。交流伺服电机和无刷直流伺服电机相比，交流伺服要好一些，因为是正弦波控制，转矩脉动小，而直流伺服是梯形波，比较简单，便宜。
    在交流同步伺服驱动系统中，普通应用有三相永磁同步电动机。新型的永磁交流伺服电机发展迅速，尤其是从方波控制发展到正弦波控制后，系统性能更好，它调速范围宽，尤其是低速性能优越。到目前为止，高性能的电控伺服系统大多采用永磁同步型交流伺服电动机，控制驱动器多采用快速、准确定位的全数字位置伺服系统。
    永磁交流伺服电动机同直流伺服电动机比较，主要优点有：无电刷和换向器，因此工作可靠，对维护和保养要求低；定子绕组散热比较方便；惯量小，易于提高系统的快速性；适应于高速大力矩工作状态；同功率下有较小的体积和重量。
    电控式缝纫机大多配备交流伺服系统。早在20世纪70年代，小惯量的直流伺服电机已经实用化了。到了20世纪70年代末期交流伺服系统开始发展并逐步实用化，AC伺服电机的应用越来越广，并且还有取代DC伺服系统的趋势成为电气伺服系统的主流。现在，投身永磁同步伺服电机及驱动器开发的专业制造企业增多，这是缝纫机电控系统装置开发的突破点之一。
3 电控系统有关补充
    按照研制开发的技术难度来看，电控系统中难度从低到高依次为：控制器、马达（电机）和驱动器。控制器的价格最低、技术最成熟，其构成与市场的单片机应用系统相似；马达（电机）从电子马达发展到变频马达，再发展到现在作为主流趋势的伺服马达；驱动器技术难度最大，一则在于复杂的电机模型难以在传统的单片机上实现，二是功率电子器件的可靠性及系统设计水平要求高，随着数字信号处理器（DSP）和专用智能功率模块（ASIPM）的发展，其难度开始降低。从缝纫机电控系统来说，伺服控制系统代表着先进方向。
    谈到电脑平缝机等机电一体化缝纫机时，有两个词的出现频率很高：直驱、伺服。
    直驱对应非直驱，是一种传动方式，主要区别于过去的皮带传动方式。不管是直驱还是非直驱都可以使用同一种电控系统装置。从外观来看，直驱马达置于机头内部，通过直驱技术完成作业。直驱是新型电机直接与运动执行部件结合，电机直接驱动机器运转，没有中间的机械传动环节。直驱技术具有传统传动技术无法比的优越性。从速度上看，传统运动可实现15 m/min的直线运动速度和每分钟十几到几十转的分度速度。直驱技术应用后的直线运动速度可以提升到150 m/min以上，转台转速可以达到每分钟几百转；从精度上看，传统传动大多只能实现几百分之一毫米或角分级的灵敏度，而直驱技术可以在设备上轻松地实现几千分之一毫米或角秒级的灵敏度，直驱可以提升设备的综合精度；从设备使用寿命方面看，直驱技术减少机械传动零件，节约零件的原材料和制造成本。
    伺服系统是使物体的位置、方位、状态等输出被控量能够跟随输入目标（或给定值）的任意变化的自动控制系统，主要任务是按控制命令输入目标的要求，对功率进行放大、变换与调控等处理，使驱动装置输出的力矩、速度和位置控制灵活方便。
    现在的缝纫机用伺服变速系统使用的是闭环伺服控制方式，使用伺服电动机做执行动力源，即转子的机械运动受输入电信控制做快速反应的电动机，伺服闭环组合控制的特点在于反应快、定位准确、可控性强。实现方法即是控制电路与执行机构中存在反馈回路，控制电路将根据输入反馈信号的实时状态进行相应的操作。只有满足预先设定的条件后，控制电路才发送相应的操作指令。对于检修人员而言，在检修时要建立一个概念，即“条件与执行”。只要控制系统收到触发指令即可自动地完成各种操作，如中间环节有不能满足预先设定条件的话，系统将自动停机并提示相关信息用于检修。
    顺便提及的是，在电控系统中其控制主板的故障率一般较低。主板多为多层板和贴片元件，利用软件运算控制，对一般维修者而言只要基本了解其工作原理即可，不必去深究其运算控制法，其维修难度大且需要专业知识。

jin

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tyu06881

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