交流永磁同步伺服电机在工业缝纫机中的应用

随着制衣工业的规模化发展, 工业缝纫机发展迅猛, 每年生产工业用缝纫机在几百万台, 主要机型有单针、双针平缝机、包缝机、套结机、钉扣机、锁眼机、曲折缝、绷缝机、封包机和绣花机[3]。从现有的情况, 除绣花机外, 其它种类的缝纫机仍然属于机械类产品为主, 这已远远不能满足规模化发展的制衣业的要求。为了提高缝制效率和质量, 都希望缝纫机具备自动剪线、自动松线、自动返缝、自动拨线和自动抬压脚等功能, 而传统的工业缝纫机, 主轴驱动大多采用离合器电机, 其它功能都靠机械配合或人工完成, 存在效率低, 体积大, 调速范围窄, 位置控制难, 造成缝纫机的功能单一, 自动化程度低。为此, 80年代开始, 国外开始研究工业缝纫机用交流伺服电动机系统。在此基础上完成其它自动功能。1986年以来,德国的杜克普/阿德勒(DURKOOP/ALDER)、日本的重机(JUKI)、日本的三菱(MITSUBISHI)、日本的兄弟(BROTHER)等均已推出了其相应产品, 将交流伺服电动机运用到各类工业缝纫机中, 实现了工业缝纫机的电子化, 并以每年12%的递增速度替代原有的离合器电机等传统电机。我国目前也有多家单位正在研究机电一体化、数字化工业缝纫机, 还处于样机试制和小批量生产阶段, 在2003年的工业缝纫机展览会上, 高档工业缝纫机仍是国外或独资、合资产品唱主角, 随着服装加工企业的规模化经营, 服装产品的档次提升, 加工企业对缝纫机的需求多样化, 国内企业正在加大力度研制开发, 在2004年的工业缝纫机展览会上会有更多的数字化产品。

1 电气控制系统

缝纫机电气系统包括控制器、驱动器、电机和电磁铁, 如图1所示。
图1 缝纫机电气系统
控制器又称为模式盒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, 一类是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、封包机。另一类则控制多台电机的协调动作,如绣花机、套结机、钉扣机、锁眼机, 还有控制针杆复合运动的曲折缝缝纫机。虽然这些控制器功能各异, 但硬件构成却基本相同。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, 软件则随不同的缝纫机而异。 驱动器是电气系统的核心, 它将控制信号转变成执行机构的驱动信号,起着桥梁的作用。同样也由硬件和软件构成。硬件除了微控制器及其它集成电路外, 还有功率器件构成, 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。用于缝纫机的电机主要有感应电机、步进电机和永磁同步伺服电机。功率范围从400W到1500W，最高转速从每分钟数百转到9000转[2]。

电磁铁作为电气系统的一部分, 也应充分重视。 诸如上述提及的辅助功能, 都由电磁铁作为执行元件完成的。电磁铁的力能参数、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 电气系统的开发

目前我国市场上还没有自己生产的成熟伺服产品, 进口的伺服产品价格高昂, 无法形成配套能力, 必须自主开发。构成电气系统的三部分依研制开发的技术难度从低到高依次为:控制器、电机和驱动器。

(1) 控制器

三部分中价格最低、技术最成熟、实现最容易、见效最快。其构成与市场上存在多年的单片机应用系统相似, 具有借鉴作用。

(2) 电机

以上种类的电机中, 感应电机技术最成熟, 但目前产品中仍沿用传统的电磁滑差调速方法。电机经过改进和优化设计,可用变频器替代机械离合器调速。步进电机经过十多年的发展已趋成熟, 用在高速而且频繁起停的情况下, 动态响应性能需提高。永磁同步伺服电机已进入发展期, 愈来愈引起工业界的重视。单从电机本身来看, 国内厂家完全具备与国外厂家竞争的能力, 如设计能力、价格水平、制造工艺等。

(3) 驱动器

驱动器是制约电气系统产业化的瓶颈, 主要技术原因有两部分:

一是复杂准确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低下, 由于近年数字信号处理器(DSP)和专用智能功率模块(ASIPM)的发展, 难度大大降低。

从缝纫机的性能要求和市场发展方向来看, 永磁同步伺服电机及驱动器起着至关重要的作用, 是电气系统中技术难度最高的部分, 是开发缝纫机电气系统的突破口, 它的成功开发可将其技术演化到其它种类的电机和驱动器上, 起到事半功倍的效果。

3 开发实例

上工集团近来分别开发了平缝机和套结机两种电气系统, 两种系统的控制器框图分别如图2和图3所示。
图2 平缝机控制器
(1) 平缝机

图2中, DSP接收键盘输入的命令, 如缝纫模式、辅助功能。脚踏板位置决定缝纫速度及剪线、抬压脚等功能, 信号由4位数字编码形成。针杆位置传感器为安装在伺服电机轴端的编码器, DSP对编码器的A、B、Z脉冲计数,决定上、下针位，并在特定位置触发相应电磁铁动作。DSP输出脉冲和电平信号控制伺服电机驱动器，脉冲个数控制针杆的位置，脉冲频率决定针杆的速度，电平信号控制针杆的旋转方向。

(2) 套结机

图3与图2不同的是需要控制X、Y方向的步进电机驱动器, 步进电机的控制信号与伺服电机驱动器相同, 控制器根据伺服电机的位置和速度控制步进电机的起停。X、Y方向的传感器决定缝纫不同花样时套结机的机械原点。图3 套结机控制器
(3) 两种缝纫机的主驱动电机—永磁同步伺服电机

两种缝纫机的主驱动电机都采用永磁同步伺服电机, 如图4(a)所示, 输入电压190V到240V, 额定功率375W, 恒转矩运行到6000r/min。面装式磁钢结构保证电机能以高的功率因数运行。分数槽绕组有效地抑制了齿谐波, 减小了振动和噪声。较低的转矩波动, 使缝纫机有宽广的速度调节范围, 并能快速准确停车。安装该电机的缝纫机实物照片如图4(b)所示。图4(c)为平缝机的控制器。4(a) 永磁同步伺服电机
4(b) 安装永磁同步伺服电机的平缝机
4(c) 平缝机的控制器

图4 工业缝纫机用永磁同步伺服电机
(4) 驱动器
图5 永磁同步伺服电机驱动器
驱动器如图5所示, 由DSP和ASIPM组成, 对永磁同步电机实行磁场定向控制。功率变换由ASIPM完成, 内部集成了整流、逆变、前置驱动、多种保护等功能, 与DSP电平兼容。DSP的正交编码器和捕获单元电路对位置信号进行处理,与控制器发出的命令信号比较, PI调节后得到转矩电流分量iq*。DSP内部的模数转换器将来自电流传感器的模拟信号转换成数字信号, 经静止的Clark变换和旋转的Park变换, 得到实际的转矩电流分量iq和磁场电流分量id, 经电流PI调节得到旋转的电压分量ud和uq, Park逆变换将它们变换成静止坐标系中的电压分量uα和uβ,空间矢量PWM算法对uα和uβ运算后得到PWM开关信号, 控制ASIPM的逆变部分。DSP的快速运算能力(指令周期25ns)，高效的指令功能, 以及专为控制而集成的传感器接口电路和PWM输出电路, 极大地提高了系统的控制性能。

根据这些理论分析, 我们在平缝机和套结机进行了实际开发, 取得了良好的效果, 现正在进行长时间的寿命实验。图6为套结机样机缝制的部分图案。
图6 套结机样机缝制的部分图案
4 结束语

对工业缝纫机电气系统的特点和分类进行了探讨，概述了控制器、驱动器、电机和电磁铁的功能, 阐述了开发电气系统的技术路线及开发重点, 通过两个开发实例, 讨论了两种控制器的异同点, 重点介绍了基于DSP的永磁同步伺服电机磁场定向控制方法, 从实验的结果看, 取得了预期的效果, 准备进入小批量生产。