電腦縫紉機的“芯”——電控系統之技術

yimiyangguang

1 電控系統構成
    控制系統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。如同強勁計算機的“芯”一樣，縫紉機電控系統開發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。電控系統的控制部分主要控制電機、電磁鐵等兩個部件的驅動運行。
    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調動作，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參數的旋鈕、按鍵，顯示工作參數的數碼管、液晶顯示器，對操作命令、傳感器信號、執行機構(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。
    然后再看驅動器，它是電控系統的核心，其硬件由功率電子器件和集成電路等構成。它將控制信號轉變成執行機構的驅動信號，起著橋梁作用。驅動器在整個控制環節中，正好處于“主控制箱－驅動器－馬達”的中間環節，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信號，用來控制逆變橋各功率管的通斷，產生連續轉矩；接收速度指令和速度反饋信號，用來控制和調整轉速；提供保護和顯示等。
    驅動器的軟件則取決于不同種類的電機。與控制器類似，驅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，電磁鐵作為執行元件可以完成縫紉機的輔助功能，其功能參數、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 電控系統中的電機特點
    伺服電機是在伺服系統中控制機械元件運轉的發動機，是一種輔助馬達間接變速裝置。伺服電機是可以連續旋轉的“電－機械”轉換器，它可準確控制速度、位置、精度。就縫紉機電控系統控制技術來看，其技術的發展往往圍繞馬達（電機）技術的發展而變，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時，要考慮能否與該機器的馬達搭配的系統。
    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，啟動轉矩大，調速范圍寬，控制容易，需要維護但維護方便（換碳刷），它會產生電磁干擾，對環境有要求，因此它可以用于對成本敏感的普通工業和民用場合。無刷電機體積小，重量輕，出力大，響應快，速度高，慣量小，轉動平滑，力矩穩定。控制復雜，容易實現智能化，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，所以不會像變頻調速下重載啟動的同步電機那樣在轉子上另加啟動繞組，也不會在負載突變時產生振蕩和失步。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。
    直流電機伺服系統以其優良的性能被廣泛地應用于位置隨動系統中，但結構復雜，在超低速時死區矛盾突出，并且換向刷會帶來噪聲和維護保養問題。
    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。
    在交流同步伺服驅動系統中，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展迅速，尤其是從方波控制發展到正弦波控制后，系統性能更好，它調速范圍寬，尤其是低速性能優越。到目前為止，高性能的電控伺服系統大多采用永磁同步型交流伺服電動機，控制驅動器多采用快速、準確定位的全數字位置伺服系統。
    永磁交流伺服電動機同直流伺服電動機比較，主要優點有：無電刷和換向器，因此工作可靠，對維護和保養要求低；定子繞組散熱比較方便；慣量小，易于提高系統的快速性；適應于高速大力矩工作狀態；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。早在20世紀70年代，小慣量的直流伺服電機已經實用化了。到了20世紀70年代末期交流伺服系統開始發展并逐步實用化，AC伺服電機的應用越來越廣，并且還有取代DC伺服系統的趨勢成為電氣伺服系統的主流。現在，投身永磁同步伺服電機及驅動器開發的專業制造企業增多，這是縫紉機電控系統裝置開發的突破點之一。
3 電控系統有關補充
    按照研制開發的技術難度來看，電控系統中難度從低到高依次為：控制器、馬達（電機）和驅動器。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相似；馬達（電機）從電子馬達發展到變頻馬達，再發展到現在作為主流趨勢的伺服馬達；驅動器技術難度最大，一則在于復雜的電機模型難以在傳統的單片機上實現，二是功率電子器件的可靠性及系統設計水平要求高，隨著數字信號處理器（DSP）和專用智能功率模塊（ASIPM）的發展，其難度開始降低。從縫紉機電控系統來說，伺服控制系統代表著先進方向。
    談到電腦平縫機等機電一體化縫紉機時，有兩個詞的出現頻率很高：直驅、伺服。
    直驅對應非直驅，是一種傳動方式，主要區別于過去的皮帶傳動方式。不管是直驅還是非直驅都可以使用同一種電控系統裝置。從外觀來看，直驅馬達置于機頭內部，通過直驅技術完成作業。直驅是新型電機直接與運動執行部件結合，電機直接驅動機器運轉，沒有中間的機械傳動環節。直驅技術具有傳統傳動技術無法比的優越性。從速度上看，傳統運動可實現15 m/min的直線運動速度和每分鐘十幾到幾十轉的分度速度。直驅技術應用后的直線運動速度可以提升到150 m/min以上，轉臺轉速可以達到每分鐘幾百轉；從精度上看，傳統傳動大多只能實現幾百分之一毫米或角分級的靈敏度，而直驅技術可以在設備上輕松地實現幾千分之一毫米或角秒級的靈敏度，直驅可以提升設備的綜合精度；從設備使用壽命方面看，直驅技術減少機械傳動零件，節約零件的原材料和制造成本。
    伺服系統是使物體的位置、方位、狀態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，主要任務是按控制命令輸入目標的要求，對功率進行放大、變換與調控等處理，使驅動裝置輸出的力矩、速度和位置控制靈活方便。
    現在的縫紉機用伺服變速系統使用的是閉環伺服控制方式，使用伺服電動機做執行動力源，即轉子的機械運動受輸入電信控制做快速反應的電動機，伺服閉環組合控制的特點在于反應快、定位準確、可控性強。實現方法即是控制電路與執行機構中存在反饋回路，控制電路將根據輸入反饋信號的實時狀態進行相應的操作。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“條件與執行”。只要控制系統收到觸發指令即可自動地完成各種操作，如中間環節有不能滿足預先設定條件的話，系統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知識。

jin

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tyu06881

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