工業(yè)縫紉機(jī)伺服系統(tǒng)技術(shù)指標(biāo)的測(cè)量方法

摘 要:針對(duì)工業(yè)縫紉機(jī)伺服系統(tǒng)的技術(shù)指標(biāo):電機(jī)轉(zhuǎn)速響應(yīng)時(shí)間、停車(chē)性能的測(cè)量方法進(jìn)行研究。對(duì)伺服控制系統(tǒng)引出的正交編碼器A，B信號(hào)和停針信號(hào)進(jìn)行采樣，再對(duì)采集到的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理和分析后獲得相應(yīng)的技術(shù)指標(biāo)數(shù)據(jù)。經(jīng)過(guò)實(shí)踐檢驗(yàn)，證明了該方法的可行性，達(dá)到了不同伺服系統(tǒng)技術(shù)指標(biāo)的量化比較。

關(guān)鍵詞:工業(yè)縫紉機(jī); 伺服控制系統(tǒng); 轉(zhuǎn)速響應(yīng)時(shí)間; 停車(chē)性能

中圖分類(lèi)號(hào):TP316 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼:A

文章編號(hào):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(yè)的發(fā)展，服裝的制作工藝日趨復(fù)雜，制作效率要求越來(lái)越高。而傳統(tǒng)的工業(yè)縫紉機(jī)一般采用滑差調(diào)速的單相感應(yīng)電動(dòng)機(jī)作為驅(qū)動(dòng)部件，系統(tǒng)存在著效率低、體積大、調(diào)速范圍窄和位置控制精度低等缺點(diǎn)，已不能滿(mǎn)足日益發(fā)展的需要。永磁同步電機(jī)(PMSM)伺服控制系統(tǒng)憑借其能夠克服上述缺點(diǎn)的優(yōu)勢(shì)在工業(yè)縫紉機(jī)中正得以廣泛應(yīng)用。工業(yè)縫紉機(jī)伺服系統(tǒng)的主要技術(shù)難點(diǎn)在于啟停的快速響應(yīng)及快速精確的停針控制，由于目前市場(chǎng)上還沒(méi)有專(zhuān)業(yè)設(shè)備用于上述性能的測(cè)定，因此，本文介紹一種有效的電機(jī)轉(zhuǎn)速響應(yīng)時(shí)間及停車(chē)性能的測(cè)量和評(píng)估方法。

1 工業(yè)縫紉機(jī)伺服系統(tǒng)的構(gòu)成

工業(yè)縫紉機(jī)伺服控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)如圖1所示。其中，220 V交流電源、整流橋、濾波電容、制動(dòng)電路、逆變器和PMSM構(gòu)成功率電路;電流檢測(cè)、速度位置檢測(cè)和DSP控制器構(gòu)成控制回路，鍵盤(pán)與顯示和各種功能電磁鐵構(gòu)成外圍電路。交流220 V電壓經(jīng)過(guò)整流濾波后得到穩(wěn)定的直流電源供給逆變器，逆變器在SVPWM調(diào)制下產(chǎn)生三相PWM電壓供給PMSM，PMSM驅(qū)動(dòng)工業(yè)縫紉機(jī)的機(jī)頭進(jìn)行縫紉工作?？刂齐娐分校妱?dòng)機(jī)的V相、W相電流信號(hào)經(jīng)電流傳感器檢測(cè)后進(jìn)入DSP的A/D口，由DSP完成電流的閉環(huán)控制。用于檢測(cè)電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)子位置的編碼器采用復(fù)合式的光電編碼器，它是一種帶有簡(jiǎn)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(hào)U，V，W，用于檢測(cè)轉(zhuǎn)子磁極位置，帶有絕對(duì)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(hào)[1-2]。該信號(hào)進(jìn)入DSP，DSP根據(jù)檢測(cè)到的A脈沖或B脈沖計(jì)算得到零脈沖Z信號(hào)，實(shí)現(xiàn)電動(dòng)機(jī)的速度和位置閉環(huán)?？p紉機(jī)工作時(shí)，腳踏板調(diào)速器給定PMSM一個(gè)轉(zhuǎn)速信號(hào)，機(jī)頭針位傳感器給定PMSM運(yùn)行的轉(zhuǎn)數(shù)，并配合各個(gè)功能電磁鐵，完成定長(zhǎng)縫、自由縫、加固縫和W縫等縫紉工藝。

在工業(yè)縫紉機(jī)伺服控制系統(tǒng)中，電機(jī)起動(dòng)與制動(dòng)的快速響應(yīng)和快速精確的停車(chē)是最關(guān)鍵的性能。第一個(gè)性能對(duì)應(yīng)技術(shù)參數(shù)是階躍輸入的轉(zhuǎn)速響應(yīng)時(shí)間[3]，它直接關(guān)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(fù)執(zhí)行縫制5~6針停一下的工藝中，曾經(jīng)做過(guò)實(shí)驗(yàn):由一個(gè)熟練縫紉工分別操作兩款電控，期間測(cè)量整個(gè)操作過(guò)程中電機(jī)平均轉(zhuǎn)速，結(jié)果性能好的電控平均轉(zhuǎn)速為2 500 r/min，性能差的電控平均轉(zhuǎn)速為1 800 r/min。第二個(gè)性能對(duì)應(yīng)技術(shù)參數(shù)是停車(chē)響應(yīng)時(shí)間、停車(chē)超調(diào)角度及主軸停止位置偏差，它直接影響到工作效率、針跡質(zhì)量、整機(jī)噪聲及機(jī)頭壽命等。

圖1 工業(yè)縫紉機(jī)伺服控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)

2 伺服控制系統(tǒng)技術(shù)指標(biāo)的測(cè)量

在工業(yè)縫紉機(jī)交流伺服系統(tǒng)中，DSP通過(guò)測(cè)量正交方波脈沖A，B信號(hào)，并經(jīng)計(jì)算獲得電機(jī)的轉(zhuǎn)速[4]及電機(jī)軸的位置;DSP通過(guò)針位傳感器方波脈沖的邊沿信號(hào)，獲得機(jī)頭上/下停針的絕對(duì)位置。因此，從電控的外接接口處把A，B信號(hào)和停針信號(hào)引出到另一塊DSP測(cè)量處理板，這樣在DSP測(cè)量處理板就可以獲得電機(jī)軸位置、電機(jī)轉(zhuǎn)速及上/下停針絕對(duì)位置的信號(hào)，再對(duì)采集到的一系列數(shù)據(jù)經(jīng)過(guò)分析處理，就可以得到相應(yīng)的技術(shù)指標(biāo)數(shù)據(jù)。下面舉例說(shuō)明伺服控制系統(tǒng)技術(shù)指標(biāo)的測(cè)定方法。

2.1 正階躍輸入的轉(zhuǎn)速響應(yīng)時(shí)間的測(cè)量

正階躍輸入的轉(zhuǎn)速響應(yīng)時(shí)間[3]:伺服系統(tǒng)輸入由零到對(duì)應(yīng)nN的正階躍信號(hào)，從階躍信號(hào)開(kāi)始至轉(zhuǎn)速第一次達(dá)到0.9nN的時(shí)間。為便于比較采用兩款電控作為測(cè)試對(duì)象，電機(jī)聯(lián)接平縫機(jī)的機(jī)頭，控制電機(jī)轉(zhuǎn)速由停止跳躍到4 500 r/min，為便于說(shuō)明問(wèn)題，DSP測(cè)量處理板采用M法測(cè)速[1](通過(guò)測(cè)量一段固定時(shí)間內(nèi)編碼器A，B脈沖數(shù)來(lái)確定轉(zhuǎn)速)。光電編碼器每轉(zhuǎn)脈沖數(shù)為P，設(shè)在固定時(shí)間T內(nèi)測(cè)得的編碼器脈沖數(shù)為M，則轉(zhuǎn)速為:N=60MPT。實(shí)際測(cè)量參數(shù):P=1 440，T=2 ms。當(dāng)前后兩次測(cè)得的M數(shù)值變化時(shí)，就開(kāi)始連續(xù)采樣一系列M數(shù)值，再經(jīng)計(jì)算得到電機(jī)轉(zhuǎn)速的變化過(guò)程，實(shí)際測(cè)得的轉(zhuǎn)速變化曲線(xiàn)如圖2所示。

從測(cè)得的數(shù)據(jù)得出兩種電控的正階躍輸入的轉(zhuǎn)速響應(yīng)時(shí)間:電控A為88 ms，電控B為120 ms。可見(jiàn)，電控A的正階躍輸入的轉(zhuǎn)速響應(yīng)明顯優(yōu)于電控B。

圖2 兩種電控的加速響應(yīng)曲線(xiàn)

2.2 停車(chē)性能的測(cè)量

工業(yè)縫紉機(jī)按上/下針位停車(chē)，對(duì)停車(chē)的響應(yīng)時(shí)間、停車(chē)超調(diào)角度及主軸停止位置偏差都有比較嚴(yán)格的要求，只有這樣才能保證工業(yè)縫紉機(jī)高效率正常地運(yùn)行。

2.2.1 停車(chē)響應(yīng)時(shí)間的測(cè)量

停車(chē)響應(yīng)時(shí)間參照負(fù)階躍輸入的轉(zhuǎn)速響應(yīng)時(shí)間[3]來(lái)標(biāo)定，由于工業(yè)縫紉機(jī)的最終停車(chē)位置固定(上/下針位)，因此停車(chē)響應(yīng)時(shí)間還與發(fā)出停車(chē)信號(hào)的相對(duì)位置相關(guān)。在實(shí)測(cè)中采用測(cè)量10次數(shù)據(jù)，把停車(chē)響應(yīng)時(shí)間最短的數(shù)據(jù)作為最終的數(shù)據(jù)。測(cè)試條件和方法同2.1，電機(jī)轉(zhuǎn)速穩(wěn)定在3 500 r/min時(shí)發(fā)出停車(chē)信號(hào)，實(shí)際測(cè)得的轉(zhuǎn)速變化曲線(xiàn)如圖3所示。

圖3 兩種電控的停車(chē)響應(yīng)曲線(xiàn)

從圖3中可以看出，電控A的轉(zhuǎn)速變化比較平滑，停車(chē)所需的時(shí)間較短，因此，與電控A配合的縫紉機(jī)機(jī)頭運(yùn)行平穩(wěn)、噪音小、壽命長(zhǎng)，而且停車(chē)響應(yīng)快。從測(cè)得的數(shù)據(jù)得出兩種電控的停車(chē)響應(yīng)時(shí)間:電控A為68 ms，電控B為94 ms?？梢?jiàn)，電控A的停車(chē)響應(yīng)明顯優(yōu)于電控B。

2.2.2 停車(chē)超調(diào)角度的測(cè)量

縫紉機(jī)在停車(chē)過(guò)程中，主軸停車(chē)最后一圈往往在越過(guò)停車(chē)位置(上/下針位)后，被反向拉回到停車(chē)位置停下。因此，停車(chē)超調(diào)角度是指主軸停車(chē)最后一圈越過(guò)停車(chē)位置的最大角度。測(cè)試條件同2.1，電機(jī)轉(zhuǎn)速穩(wěn)定在4 500 r/min時(shí)發(fā)出停車(chē)信號(hào)，當(dāng)轉(zhuǎn)速下降到較低時(shí)，開(kāi)始連續(xù)采樣一系列POSCNT[5]數(shù)值，實(shí)際測(cè)得的POSCNT變化曲線(xiàn)如圖4所示。電控A、電控B電機(jī)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(hào)的計(jì)數(shù)值，圖4中ΔPOSCNT為正值說(shuō)明電機(jī)正轉(zhuǎn)，為負(fù)值說(shuō)明電機(jī)反轉(zhuǎn)。計(jì)算POSCNT連續(xù)為負(fù)值的最大累計(jì)數(shù)，再經(jīng)轉(zhuǎn)換即可得到停車(chē)超調(diào)角度。從測(cè)得的數(shù)據(jù)得出兩種電控的停車(chē)超調(diào)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(chē)超調(diào)曲線(xiàn)

可見(jiàn)，電控A的停車(chē)超調(diào)角度較小，也就是行業(yè)里說(shuō)的“停車(chē)反拉”較小。

2.2.3 主軸停止位置偏差的測(cè)量

主軸停止位置偏差是指電控系統(tǒng)在正常運(yùn)行情況下停車(chē)，針桿停止位置的偏差角度。該指標(biāo)測(cè)量時(shí)除檢測(cè)正交編碼器輸出的A，B信號(hào)外，還要檢測(cè)機(jī)頭上/下停針信號(hào)的邊沿位置。在實(shí)際測(cè)量時(shí)，以停針信號(hào)的邊沿位置作為基準(zhǔn)，測(cè)量與針桿停止位置之間的偏差角度。對(duì)于實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)及分析這里不再列舉。

3 結(jié) 語(yǔ)

在工業(yè)縫紉機(jī)伺服控制系統(tǒng)中，對(duì)電機(jī)的快速啟停響應(yīng)和快速精確的停車(chē)要求較高。本文提出了這些技術(shù)指標(biāo)的測(cè)量方法，經(jīng)過(guò)實(shí)踐檢驗(yàn)，證明了該方法的可行性，實(shí)現(xiàn)對(duì)技術(shù)指標(biāo)的有效測(cè)定，達(dá)到不同電控技術(shù)指標(biāo)的量化比較。

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