工業縫紉機伺服系統技術指標的測量方法

摘 要:針對工業縫紉機伺服系統的技術指標:電機轉速響應時間、停車性能的測量方法進行研究。對伺服控制系統引出的正交編碼器A，B信號和停針信號進行采樣，再對采集到的數據進行處理和分析后獲得相應的技術指標數據。經過實踐檢驗，證明了該方法的可行性，達到了不同伺服系統技術指標的量化比較。

關鍵詞:工業縫紉機; 伺服控制系統; 轉速響應時間; 停車性能

中圖分類號:TP316 文獻標識碼:A

文章編號:1004-373X(2010)11-0208-03

Method to Measure Technical Specifications for Servo Control Stystem of Sewing Machine

YE Wei-min

(Servo Technology Division， Ningbo Yunsheng Co. Ltd.， Ningbo 315040， China)

Abstract: The method to measure the technical specifications (such as motor speed response time， stopping performance) for the servo systems of industrial sewing machines is researched. The A， B signals， the quadrature encoder and stop-pin signal caused by servo control system are sampled， and then the corresponding technical specifications are obtained after the collected data is processed and analyzed. The practical test verified the feasibility of the method， and indicates that the specifications are equal to those of different servo systems.

Keywords: industrial sewing machine; servo control system; rotation-speed response time; stopping performance

0 引 言

隨著服裝行業的發展，服裝的制作工藝日趨復雜，制作效率要求越來越高。而傳統的工業縫紉機一般采用滑差調速的單相感應電動機作為驅動部件，系統存在著效率低、體積大、調速范圍窄和位置控制精度低等缺點，已不能滿足日益發展的需要。永磁同步電機(PMSM)伺服控制系統憑借其能夠克服上述缺點的優勢在工業縫紉機中正得以廣泛應用。工業縫紉機伺服系統的主要技術難點在于啟停的快速響應及快速精確的停針控制，由于目前市場上還沒有專業設備用于上述性能的測定，因此，本文介紹一種有效的電機轉速響應時間及停車性能的測量和評估方法。

1 工業縫紉機伺服系統的構成

工業縫紉機伺服控制系統的結構如圖1所示。其中，220 V交流電源、整流橋、濾波電容、制動電路、逆變器和PMSM構成功率電路;電流檢測、速度位置檢測和DSP控制器構成控制回路，鍵盤與顯示和各種功能電磁鐵構成外圍電路。交流220 V電壓經過整流濾波后得到穩定的直流電源供給逆變器，逆變器在SVPWM調制下產生三相PWM電壓供給PMSM，PMSM驅動工業縫紉機的機頭進行縫紉工作。控制電路中，電動機的V相、W相電流信號經電流傳感器檢測后進入DSP的A/D口，由DSP完成電流的閉環控制。用于檢測電動機轉速和轉子位置的編碼器采用復合式的光電編碼器，它是一種帶有簡單磁極定位功能的增量式光電編碼器，它輸出兩組信息:一組是三路彼此相差120°且占空比為0.5的三路脈沖信號U，V，W，用于檢測轉子磁極位置，帶有絕對信息功能;另一組與增量式光電編碼器相同，輸出正交方波脈沖A，B信號[1-2]。該信號進入DSP，DSP根據檢測到的A脈沖或B脈沖計算得到零脈沖Z信號，實現電動機的速度和位置閉環。縫紉機工作時，腳踏板調速器給定PMSM一個轉速信號，機頭針位傳感器給定PMSM運行的轉數，并配合各個功能電磁鐵，完成定長縫、自由縫、加固縫和W縫等縫紉工藝。

在工業縫紉機伺服控制系統中，電機起動與制動的快速響應和快速精確的停車是最關鍵的性能。第一個性能對應技術參數是階躍輸入的轉速響應時間[3]，它直接關系到工作效率，在某些特殊的縫紉工藝中顯得更為突出。例如:在反復執行縫制5~6針停一下的工藝中，曾經做過實驗:由一個熟練縫紉工分別操作兩款電控，期間測量整個操作過程中電機平均轉速，結果性能好的電控平均轉速為2 500 r/min，性能差的電控平均轉速為1 800 r/min。第二個性能對應技術參數是停車響應時間、停車超調角度及主軸停止位置偏差，它直接影響到工作效率、針跡質量、整機噪聲及機頭壽命等。

圖1 工業縫紉機伺服控制系統的結構

2 伺服控制系統技術指標的測量

在工業縫紉機交流伺服系統中，DSP通過測量正交方波脈沖A，B信號，并經計算獲得電機的轉速[4]及電機軸的位置;DSP通過針位傳感器方波脈沖的邊沿信號，獲得機頭上/下停針的絕對位置。因此，從電控的外接接口處把A，B信號和停針信號引出到另一塊DSP測量處理板，這樣在DSP測量處理板就可以獲得電機軸位置、電機轉速及上/下停針絕對位置的信號，再對采集到的一系列數據經過分析處理，就可以得到相應的技術指標數據。下面舉例說明伺服控制系統技術指標的測定方法。

2.1 正階躍輸入的轉速響應時間的測量

正階躍輸入的轉速響應時間[3]:伺服系統輸入由零到對應nN的正階躍信號，從階躍信號開始至轉速第一次達到0.9nN的時間。為便于比較采用兩款電控作為測試對象，電機聯接平縫機的機頭，控制電機轉速由停止跳躍到4 500 r/min，為便于說明問題，DSP測量處理板采用M法測速[1](通過測量一段固定時間內編碼器A，B脈沖數來確定轉速)。光電編碼器每轉脈沖數為P，設在固定時間T內測得的編碼器脈沖數為M，則轉速為:N=60MPT。實際測量參數:P=1 440，T=2 ms。當前后兩次測得的M數值變化時，就開始連續采樣一系列M數值，再經計算得到電機轉速的變化過程，實際測得的轉速變化曲線如圖2所示。

從測得的數據得出兩種電控的正階躍輸入的轉速響應時間:電控A為88 ms，電控B為120 ms。可見，電控A的正階躍輸入的轉速響應明顯優于電控B。

圖2 兩種電控的加速響應曲線

2.2 停車性能的測量

工業縫紉機按上/下針位停車，對停車的響應時間、停車超調角度及主軸停止位置偏差都有比較嚴格的要求，只有這樣才能保證工業縫紉機高效率正常地運行。

2.2.1 停車響應時間的測量

停車響應時間參照負階躍輸入的轉速響應時間[3]來標定，由于工業縫紉機的最終停車位置固定(上/下針位)，因此停車響應時間還與發出停車信號的相對位置相關。在實測中采用測量10次數據，把停車響應時間最短的數據作為最終的數據。測試條件和方法同2.1，電機轉速穩定在3 500 r/min時發出停車信號，實際測得的轉速變化曲線如圖3所示。

圖3 兩種電控的停車響應曲線

從圖3中可以看出，電控A的轉速變化比較平滑，停車所需的時間較短，因此，與電控A配合的縫紉機機頭運行平穩、噪音小、壽命長，而且停車響應快。從測得的數據得出兩種電控的停車響應時間:電控A為68 ms，電控B為94 ms。可見，電控A的停車響應明顯優于電控B。

2.2.2 停車超調角度的測量

縫紉機在停車過程中，主軸停車最后一圈往往在越過停車位置(上/下針位)后，被反向拉回到停車位置停下。因此，停車超調角度是指主軸停車最后一圈越過停車位置的最大角度。測試條件同2.1，電機轉速穩定在4 500 r/min時發出停車信號，當轉速下降到較低時，開始連續采樣一系列POSCNT[5]數值，實際測得的POSCNT變化曲線如圖4所示。電控A、電控B電機采用分辨率為1 440的光電編碼器，POSCNT為正交方波脈沖A，B信號的計數值，圖4中ΔPOSCNT為正值說明電機正轉，為負值說明電機反轉。計算POSCNT連續為負值的最大累計數，再經轉換即可得到停車超調角度。從測得的數據得出兩種電控的停車超調角度:

電控A為:7×360°/1 440=1.75°。

電控B為:17×360°/1 440=4.25°。

圖4 兩種電控的停車超調曲線

可見，電控A的停車超調角度較小，也就是行業里說的“停車反拉”較小。

2.2.3 主軸停止位置偏差的測量

主軸停止位置偏差是指電控系統在正常運行情況下停車，針桿停止位置的偏差角度。該指標測量時除檢測正交編碼器輸出的A，B信號外，還要檢測機頭上/下停針信號的邊沿位置。在實際測量時，以停針信號的邊沿位置作為基準，測量與針桿停止位置之間的偏差角度。對于實測數據及分析這里不再列舉。

3 結 語

在工業縫紉機伺服控制系統中，對電機的快速啟停響應和快速精確的停車要求較高。本文提出了這些技術指標的測量方法，經過實踐檢驗，證明了該方法的可行性，實現對技術指標的有效測定，達到不同電控技術指標的量化比較。

參考文獻

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