高速缝制设备直驱智能伺服控制系统 【技术领域】
本发明涉及一种高速缝制设备直驱智能伺服控制系统，主要用于高速缝制设备，尤其是高速包缝机、绷缝机直驱伺服控制系统。
背景技术
我国是世界缝制设备生产大国，约有70％的缝制设备产自中国。我国服装行业的缝纫机使用保有量在1000万台以上。在这些设备中，约有40％是包缝机和绷缝机，90％以上的设备都是使用传统离合器电机的电力拖动方式。使用伺服控制系统，相比之下，可以节能50％-60％、功效提高30％以上。
应用于特种缝制设备的伺服控制器，长期以来核心技术都是由发达国家所垄断，价格昂贵。企业要花大量的资金购买伺服控制系统和相关的产品，制约了我国缝制设备机电一体化的发展和综合实力提高。随着服装行业的发展，对生产设备的技术要求越来越高，特别是高档针织服装和休闲服装的生产，对高速、高效、节能的设备需求量越来越大；而包缝机和绷缝机是针织服装生产的关键设备。从目前市场应用情况看，除了有极少的进口设备外，国内生产基本处于空白。该项技术的研究与应用，对我国的传统行业的技术改造、技术进步与发展、自主技术的发展有重大的推进作用。
【发明内容】
本发明要解决的技术问题是：针对上述存在的问题提供一种结构简单、体积小的高速缝制设备直驱智能伺服控制系统，降低运转中传动环节的能量损耗、提高安全系数，同时能快速起动，精确控制电机停车位置，在待机时不会发生电机空转。
本发明所采用的技术方案是：高速缝制设备直驱智能伺服控制系统，其特征在于该系统包括电源输入电路、电机驱动电路、CPU控制模块、伺服控制器部件、人机界面电路和过流制动电路，所述电机驱动电路由智能功率模块和高速光耦构成；CPU控制模块集成了数字信号处理器和可编程逻辑阵列；伺服控制器部件包括了直流伺服电机、光电编码器和同步器，其中：
电源输入电路，用于将220V的交流电压转化为300V的直流电压，供智能功率模块使用；
电机驱动电路，用于驱动直流伺服电机；
CPU控制模块，通过数字信号处理器和可编程逻辑阵列完成信号的接收、运算和指令的输出；
伺服控制器部件中的光电编码器用于感应电机输出轴的位置和速度，并直接传输给数字信号处理器；同时，伺服控制器部件中的同步器用于感应上下针位，并传输给可编程逻辑阵列；
人机界面电路，用于完成命令的输入、显示以及与CPU控制模块的通讯；
过流制动电路，用于比较从电机驱动电路输入的采样电压与开关电源内部的设定电压，并将比较结果传输至CPU控制模块，控制模块通过指令开启制动回路，进行制动放电。
所述电源输入电路在桥式整流的输出端接有两个容量为330uF/450V的电容C1和C2；
所述电机驱动电路中的智能功率模块型号为IRAMX16UP60A，其六个引脚H1N1、H1N2、H1N3、L1N1、L1N2、L1N3分别与六个高速光耦连接，六个高速光耦的另一端与数字信号处理器的输出端PWM1～PWM6相连；智能功率模块的三相输出U、V、W连接至直流伺服电机。
所述光电编码器通过3个位置信号发生器产生Sa、Sb、Sc和一个速度信号发生器产生M-Speed，以得到直流伺服电机转动特性，并经数据输出口Sa、Sb、Sc、A和B直接传输给数字信号处理器进行运算处理；所述同步器的两个针位信号输入口SYN_UP和SYN_DOWN接收来自直流伺服电机4-1的上下针位信号并传输给可编程逻辑阵列。
用于感应3个位置信号和一个速度信号的光电编码器和用于感应上下针位信号的霍尔传感器安装在同一个线路板上，并装置于直流伺服电机的转轴上。
所述过流制动电路包括比较器IC1和开关电源，其中一个输入端IPMC经采样电阻Rt接智能功率模块的IC驱动芯片，另一个输入端IPMS接开关电源，比较器IC1的输出端连接至可编程逻辑阵列。
所述人机界面电路包括RS485通讯模块、单片机以及键盘和显示器，单片机的一端与键盘和显示器相连，用于操作和显示，另一端经RS485通讯模块的RXD和TXD与可编程逻辑阵列进行通讯。
所述直流伺服电机的转轴依次通过电机传动啮合机构和机头传动机构连接至缝纫机机头。
所述电机传动啮合机构包括通过螺钉与直流伺服电机的转轴同轴连接的圆柱形过渡件，该过渡件的连接端面上均匀布置三个与过渡件一体的插接块。
所述机头传动机构与缝纫机转轴同轴布置，且其中一个端面上开设三个与插接块相配合的插接槽。
本发明的有益效果是：发明以数字信号处理器、智能功率模块、可编程逻辑阵列为平台，设计基于高速多任务调度的驱动系统和智能作业软件体系，通过对直驱式高速包缝机、绷缝机的样机测试，达到8000rpm运转速度、2度的位置精度，远远超过缝制设备直接驱动业界水平(6000rpm)，同时使振动从原来的350μm降低至260μm以下，并减少能量损耗15％以上，解决了特种缝制设备高速运转情况下速度闭环控制高实时性、低功耗、噪音控制、电磁干扰抑制、位置控制精度等关键技术；配置多种智能化功能，自动完成多项工序，提高缝制运转工效；缩小了安装尺寸，节省原材料，实现整体微型化内嵌式环保节能设计，真正实现降低工人劳动强度、改善生产环境、绿色环保的目的。
本发明将电机转轴和缝纫机转轴直接连接，相对于现有技术来说不仅省去了皮带传动等复杂地传动机构，更降低了运转中传动环节的能量损耗，减小了运转时产生的振动，提高了安全系数，而且由于电机与缝纫机头直接连接，使得缝纫机可以快速起动，精确控制电机停车位置，在待机时不会发生电机空转，节能省电。
【附图说明】
图1是本发明的系统电路框图。
图2是本发明中直流伺服电机的主视图。
图3是图2的左视图。
图4是图2的俯视图。
图5是本发明中缝纫机的侧面视图。
图6是图5的A-A剖视图。
【具体实施方式】
如图1所示，本实施例高速缝制设备直驱智能伺服控制系统由电源输入电路1、电机驱动电路2、CPU控制模块3、伺服控制器部件4、人机界面电路5和过流制动电路6所组成。
本发明中直驱伺服电机由于采用了电机同轴驱动的模式，将能耗比提升的同时存在启动冲击过大的问题，本例的电机为直流伺服电机，因此在交流输入后电源输入电路1中的桥式整流1-1将220V的交流电压转化为300V的直流电压，供智能功率模块2-1使用。对于冲击过大的问题，本例采用了2个容量为330uF/450V的大电容C1和C2，并配合继电器，作为软启动电路，减小启动时的冲击电流。
所述电机驱动电路2用于驱动直流伺服电机4-1，电机驱动电路由智能功率模块2-1和高速光耦2-2构成。智能功率模块2-1型号为IRAMX16UP60A，内部由6个IGBT分别组成3个上桥和3个下桥的桥式电路和一个IC驱动芯片。从数字信号处理器3-1输出的6个控制信号PWM1～PWM6其中3个为3.3V的高电平信号，3个为0V的低电平信号，该6个信号经过6个高速光耦2-2(型号：6N137)隔离后分别周期性的产生3个5V高电平信号和3个0.2V的低电平信号，信号直接传输给智能功率模块2-1的6个引脚H1N1、H1N2、H1N3、L1N1、L1N2、L1N3，该6路信号经过智能功率模块2-1内的IC驱动芯片分别对6个IGBT产生门极驱动电压，来依次开通6个IGBT，使在1个相位内，不同路的上下桥2个IGBT导通，使U、V、W三相中的一相输出驱动电流。如此周期循环，使上下桥两两导通，形成6个相位，并周期按U、V、W三相输出，来驱动电机。
所述CPU控制模块3集成了数字信号处理器3-1和可编程逻辑阵列3-2。所有的指令输入的终端都是CPU控制模块，CPU控制模块通过数字信号处理器3-1和可编程逻辑阵列3-2完成信号的接收、运算和指令的输出。
本发明由于采用了直驱式直流伺服电机4-1，取消了传统意义上的缝纫机头的手轮皮带装置，同时也改变了原有的I/O控制(同步器针位信号)，而采用光电编码器4-2和同步器4-3相结合的方式，由光电编码器4-2感应电机的位置和速度，产生3个位置信号(Sa、Sb、Sc)和一个速度信号M-Speed，并直接输出给数字信号处理器3-1(输入到数字信号处理器的输入口Sa、Sb、Sc、A和B)，进行运算处理。同步器4-3是感应上下针位，电机转动的同时，安装在轴上的磁钢，感应霍尔传感器，产生2个针位信号(SYN_UP和SYN_DOWN)，并传输给CPU控制模块3中的可编程逻辑阵列3-2(FPGA)。由于两个感应功能都是同轴转动来感应信号，因此将这两个功能块做于同一个线路板，并安装在电机转轴9上。
如同所有的电控设备，本实施例也同样具有人机界面电路5，它包括RS485通讯模块5-1、单片机5-2(型号89S52)以及键盘和显示器5-3，键盘通过按键信号传递命令给单片机5-2，同样单片机5-2产生信号给显示器5-3完成显示。单片机5-2通过RS485通讯模块5-1进行通讯，并产生TXD和RXD的信号给可编程逻辑阵列(FPGA)3-2，完成人机界面电路和CPU控制模块的通讯。
针对直驱电机制动惯量过大的问题，本例添加了过流制动电路6，包括比较器IC1和开关电源6-1。由于智能功率模块2-1中通过电阻Rt采样电机的相电流，使电机的电流转化为电压信号(IPMC)；而开关电源6-1在工作时会产生一个设定的电压IPMS，通过比较器IC1比较IPMC和IPMS的电压信号，产生一个电信号IPMFAULT传输给可编程逻辑阵列3-2，再通过可编程逻辑阵列3-2传输给数字信号处理器3-1，CPU接受信号后，通过指令开启制动回路，进行制动放电。
本发明完成直驱功能在机械上的改进是：将电机转轴9与缝纫机主轴10布置在同一轴线上，电机转轴9上同轴安装电机传动啮合机构7，缝纫机主轴10上同轴固定与电机传动啮合机构7配合连接的机头传动机构8。
所述电机传动啮合机构7包括通过螺钉与电机转轴9连接的圆柱形过渡件7-1，该过渡件的连接端面上均匀布置三个与过渡件7-1一体的插接块7-2，三个插接块7-2以过渡件7-1连接端面的圆心为中心，均布在过渡件7-1连接端面的边缘，与之相对应的，机头传动机构8上则开设三个与插接块7-2相配合的插接槽8-1。安装时，三个插接块7-2分别插入机头传动机构8上的三个插接槽8-1内，保证电机转轴9在转动的同时能够利用相互连接的插接块7-2和插接槽8-1带动缝纫机主轴10转动，带动缝纫机进行缝制动作。
所述电机传动啮合机构7与直流伺服电机4-1之间设置与电机转轴9同轴的圆盘形电机固定托台14，同时在缝纫机头11上开设与电机固定托台14相配合的电机定位槽12，该定位槽与缝纫机主轴10同轴布置。安装时，电机固定托台14紧靠电机定位槽12，使直流伺服电机4-1和缝纫机头11紧密连接，并保持在同一水平面上，然后用四颗长轴螺丝13将直流伺服电机4-1和缝纫机头11固定连接，形成一个完整的直驱电机传动机构。
本发明具有广泛的通用性，可以延伸至轻工、纺织等行业设备的应用，尤其是传统行业的技术改造和技术升级，具有重要意义；同时可带动相关行业的发展和进步。