電子套結(jié)縫紉機(jī)步進(jìn)電機(jī)控制方案分析與探索

謝志明

摘 要：電子套結(jié)縫紉機(jī)進(jìn)步電機(jī)的性能對整個(gè)機(jī)械的運(yùn)行質(zhì)量和運(yùn)行水平會(huì)產(chǎn)生非常重大的影響，在這樣的情況下，我們必須要選擇幾種比較有效的控制方案，對其加以處理，從而保證其作用的充分發(fā)揮。本文主要分析了電子套結(jié)縫紉機(jī)步進(jìn)電機(jī)控制方案，以供參考和借鑒。

關(guān)鍵詞：電子套結(jié)機(jī)；步進(jìn)電機(jī)；運(yùn)動(dòng)控制；空間矢量；優(yōu)缺點(diǎn)

當(dāng)前，我國的服裝行業(yè)發(fā)展水平在不斷的發(fā)展，工業(yè)縫紉機(jī)的種類在這一過程中也在不斷的增多，工業(yè)縫紉機(jī)的運(yùn)動(dòng)控制越來越受到人們的關(guān)心和關(guān)注。其中，步進(jìn)電機(jī)在縫紉機(jī)行業(yè)也受到了越來也多的應(yīng)用。而在這之前，國內(nèi)對步進(jìn)電機(jī)在套結(jié)機(jī)應(yīng)用上的研究一直都不是很多，因此，我們對這一問題展開研究也有著十分積極的理論意義。

1 電子套結(jié)機(jī)送料機(jī)構(gòu)及運(yùn)動(dòng)工作原理

電子套結(jié)機(jī)運(yùn)動(dòng)控制中最重要的一項(xiàng)技術(shù)指標(biāo)是完成指定圖案時(shí)主軸的運(yùn)行速度，而制約其速度的就是送料機(jī)構(gòu)及其步進(jìn)驅(qū)動(dòng)控制的快慢。系統(tǒng)送料機(jī)構(gòu)如果不能與主軸運(yùn)行轉(zhuǎn)速同步，縫制的花樣就會(huì)失真變型，嚴(yán)重影響縫制的美觀度。電子套結(jié)縫制花型縫制的運(yùn)動(dòng)控制，需要將兩個(gè)步進(jìn)電機(jī)的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)化為XY平面內(nèi)的水平運(yùn)動(dòng)。為此可以根據(jù)電子套結(jié)縫紉機(jī)的送料機(jī)械機(jī)構(gòu)建立數(shù)學(xué)模型，將XY平面內(nèi)的套結(jié)花型的直角坐標(biāo)數(shù)據(jù)，轉(zhuǎn)化為步進(jìn)電機(jī)旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)的角度數(shù)據(jù)，控制步進(jìn)電機(jī)的角度細(xì)分?jǐn)?shù)值，即可控制送料機(jī)構(gòu)在直角坐標(biāo)系中的坐標(biāo)點(diǎn)位置。建立以X軸步進(jìn)電機(jī)的連桿與Y軸的交點(diǎn)為原點(diǎn)的坐標(biāo)系0（0，0），在X軸方向，送料步進(jìn)電機(jī)Stepl直接帶動(dòng)滑塊水平移動(dòng)，滑塊的水平位移量就等于套結(jié)機(jī)的壓腳水平位移量；在Y方向，由送料步進(jìn)電機(jī)Step2帶動(dòng)連桿帶動(dòng)沿弧線運(yùn)動(dòng)，將產(chǎn)生X和Y兩個(gè)方向上的位移量.系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型如圖1所示。

目前市場上主流的控制方案分為四種：單極性恒流步進(jìn)電機(jī)控制方案、兩相三橋臂空間矢量（SVPWM）步進(jìn)控制方案、兩相H橋空間矢量（SVPWM）步進(jìn)控制方案和430D型電子套結(jié)機(jī)步進(jìn)閉環(huán)控制方案。由于430D型電子套結(jié)機(jī)步進(jìn)控制為閉環(huán)控制方案，添加了編碼器-速度反饋模塊，與另外三種步進(jìn)速度開環(huán)控制沒有可比性，因此在這里不做分析。

2 單極性步進(jìn)電機(jī)控制方案

如圖2所示：Q1-Q8都是電子功率器件，在實(shí)際的運(yùn)行中，我們采用的是MOS管或者是GBT等，步進(jìn)控制器主要是通過輸出脈沖控制將這些電子功率器件的開關(guān)按照相關(guān)的要求去控制，這樣就達(dá)到了對步進(jìn)機(jī)進(jìn)行控制的目的。

單極性步進(jìn)電機(jī)橫流驅(qū)動(dòng)在應(yīng)用的過程中存在著一定的不足，首先是與雙極橫流驅(qū)動(dòng)相比，知識(shí)能獲得7成的靜力矩以及低頻力矩。步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)的晶體管組在運(yùn)行的過程中一定要承受相當(dāng)于最大電源電壓2倍的電壓，此外引出線的數(shù)量為6根，這樣也就水的接插件和軟電纜的成本大大的提升。

因?yàn)殡娮犹捉Y(jié)機(jī)在運(yùn)行的過程中一直處在高速運(yùn)轉(zhuǎn)的狀態(tài)，在高速運(yùn)轉(zhuǎn)的過程中還能十分有效的保證力矩輸出的安全性和穩(wěn)定性，而這也成為了步進(jìn)電機(jī)應(yīng)用過程中一個(gè)非常明顯的不足，為了更好的確保力矩的科學(xué)性，這種方案驅(qū)動(dòng)采用的是半步的方式，沒有力矩的波動(dòng)，這樣也就可以和縫制運(yùn)行的速度保持協(xié)調(diào)的狀態(tài)，但是這種解決方案本身對硬件自身的性能存在著非常嚴(yán)格的要求，這樣也就使得成本的投入變得越來越高。

3 兩相三橋臂空間矢量控制方案分析

這種方案通常采用的是雙極性進(jìn)步電機(jī)當(dāng)做是設(shè)備的驅(qū)動(dòng)，驅(qū)動(dòng)電路并沒有采取以往的H橋，而是采用了三相功率橋。兩相步進(jìn)電機(jī)一共有4個(gè)插頭，在接線的過程中，我們可以將異相的兩端進(jìn)行短接處理，將其作為一個(gè)輸出端，從而也就構(gòu)成了三個(gè)完整的輸出端，分別和三相橋的UVW三相連接在一起。

由于將兩相電機(jī)的異相兩端進(jìn)行了短接，必然會(huì)造成繞組的不對稱，所以氣隙磁場為橢圓形，這與三相矢量控制方法有些不同，根據(jù)電機(jī)磁場原理，為了獲得空間矢量控制所獲得的圓形磁場，就要使繞組流過不同的電流。

兩相三橋臂SVPWM方案的優(yōu)點(diǎn)，主要表現(xiàn)在：（1）與單極性步進(jìn)電機(jī)恒流驅(qū)動(dòng)所需功率器件數(shù)量相同，同為b個(gè)，比H橋少兩個(gè)；（2）提高了繞組利用率，可進(jìn)行細(xì)分控制，并能部分實(shí)現(xiàn)雙極性控制效果；（3）通用性強(qiáng)，同樣適用于三相電機(jī)；（4）轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)小。

兩相三橋臂SVPWM的缺點(diǎn)，主要表現(xiàn)在：（1）算法復(fù)雜，對處理器要求高；（2）繞組不對稱，造成了空間電壓的浪費(fèi)，只能實(shí)現(xiàn)部分雙極性控制效果，高速特性較弱；（3）待機(jī)模式下，相對H橋，發(fā)熱量稍大；（4）電子噪音和干擾間題。

4 兩相H橋空間矢（SVPWM）控制方案分析

兩相H橋空間矢量控制方案以雙極性步進(jìn)電機(jī)作為驅(qū)動(dòng)，采用的是傳統(tǒng)H橋結(jié)構(gòu)和空間矢量控制算法。目前三相電機(jī)的SVPWM技術(shù)已經(jīng)非常成熟，對兩相電機(jī)的SVPWM技術(shù)研究很少，本方案采用基于H橋結(jié)構(gòu)的兩相空間矢量（SVPWM）控制策略。

兩相H橋SVPWM優(yōu)點(diǎn)，主要表現(xiàn)在：（1）提高了繞組利用率，可實(shí)現(xiàn)細(xì)分控制，充分體現(xiàn)了雙極性步進(jìn)電機(jī)的矩頻特性；（2）電壓利用率高，尤其在高速情況下，矩脈動(dòng)??；（3）無需緩沖電路更靈活?？梢缘玫胶芨叩牧?；（4）轉(zhuǎn)，對電流的快關(guān)斷或慢關(guān)斷更靈活。

兩相H橋SVPWM缺點(diǎn)，主要表現(xiàn)在：（1）與單極恒流和兩相三橋臂SVPWM多了2個(gè)驅(qū)動(dòng)管；（2）電子噪音和干擾問題；（3）算法復(fù)雜，對處理器要求較高。

結(jié)束語

在電子套結(jié)縫紉機(jī)控制系統(tǒng)當(dāng)中，預(yù)先設(shè)置的主軸轉(zhuǎn)速和真正的主軸轉(zhuǎn)速存在著一定的差異，這種差異產(chǎn)生的主要原因是送布機(jī)構(gòu)控制著整個(gè)系統(tǒng)，與主軸電機(jī)的轉(zhuǎn)速必須要保持同步的狀態(tài)，我們在衡量一套電子套結(jié)縫紉機(jī)控制系統(tǒng)效率的時(shí)候，一定要把主軸電機(jī)的實(shí)際轉(zhuǎn)速和布進(jìn)送料的具體時(shí)間充分的結(jié)合在一起，這樣才能達(dá)到套結(jié)機(jī)對縫紉線跡的高要求。

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