工业缝纫机伺服系统技术指标的测量方法
摘 要:针对工业缝纫机伺服系统的技术指标:电机转速响应时间、停车性能的测量方法进行研究。对伺服控制系统引出的正交编码器A,B信号和停针信号进行采样,再对采集到的数据进行处理和分析后获得相应的技术指标数据。经过实践检验,证明了该方法的可行性,达到了不同伺服系统技术指标的量化比较。
关键词:工业缝纫机; 伺服控制系统; 转速响应时间; 停车性能
中图分类号:TP316 文献标识码:A
文章编号: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
随着服装行业的发展,服装的制作工艺日趋复杂,制作效率要求越来越高。而传统的工业缝纫机一般采用滑差调速的单相感应电动机作为驱动部件,系统存在着效率低、体积大、调速范围窄和位置控制精度低等缺点,已不能满足日益发展的需要。永磁同步电机(PMSM)伺服控制系统凭借其能够克服上述缺点的优势在工业缝纫机中正得以广泛应用。工业缝纫机伺服系统的主要技术难点在于启停的快速响应及快速精确的停针控制,由于目前市场上还没有专业设备用于上述性能的测定,因此,本文介绍一种有效的电机转速响应时间及停车性能的测量和评估方法。
1 工业缝纫机伺服系统的构成
工业缝纫机伺服控制系统的结构如图1所示。其中,220 V交流电源、整流桥、滤波电容、制动电路、逆变器和PMSM构成功率电路;电流检测、速度位置检测和DSP控制器构成控制回路,键盘与显示和各种功能电磁铁构成外围电路。交流220 V电压经过整流滤波后得到稳定的直流电源供给逆变器,逆变器在SVPWM调制下产生三相PWM电压供给PMSM,PMSM驱动工业缝纫机的机头进行缝纫工作。控制电路中,电动机的V相、W相电流信号经电流传感器检测后进入DSP的A/D口,由DSP完成电流的闭环控制。用于检测电动机转速和转子位置的编码器采用复合式的光电编码器,它是一种带有简单磁极定位功能的增量式光电编码器,它输出两组信息:一组是三路彼此相差120°且占空比为0.5的三路脉冲信号U,V,W,用于检测转子磁极位置,带有绝对信息功能;另一组与增量式光电编码器相同,输出正交方波脉冲A,B信号[1-2]。该信号进入DSP,DSP根据检测到的A脉冲或B脉冲计算得到零脉冲Z信号,实现电动机的速度和位置闭环。缝纫机工作时,脚踏板调速器给定PMSM一个转速信号,机头针位传感器给定PMSM运行的转数,并配合各个功能电磁铁,完成定长缝、自由缝、加固缝和W缝等缝纫工艺。
在工业缝纫机伺服控制系统中,电机起动与制动的快速响应和快速精确的停车是最关键的性能。第一个性能对应技术参数是阶跃输入的转速响应时间[3],它直接关系到工作效率,在某些特殊的缝纫工艺中显得更为突出。例如:在反复执行缝制5~6针停一下的工艺中,曾经做过实验:由一个熟练缝纫工分别操作两款电控,期间测量整个操作过程中电机平均转速,结果性能好的电控平均转速为2 500 r/min,性能差的电控平均转速为1 800 r/min。第二个性能对应技术参数是停车响应时间、停车超调角度及主轴停止位置偏差,它直接影响到工作效率、针迹质量、整机噪声及机头寿命等。
图1 工业缝纫机伺服控制系统的结构
2 伺服控制系统技术指标的测量
在工业缝纫机交流伺服系统中,DSP通过测量正交方波脉冲A,B信号,并经计算获得电机的转速[4]及电机轴的位置;DSP通过针位传感器方波脉冲的边沿信号,获得机头上/下停针的绝对位置。因此,从电控的外接接口处把A,B信号和停针信号引出到另一块DSP测量处理板,这样在DSP测量处理板就可以获得电机轴位置、电机转速及上/下停针绝对位置的信号,再对采集到的一系列数据经过分析处理,就可以得到相应的技术指标数据。下面举例说明伺服控制系统技术指标的测定方法。
2.1 正阶跃输入的转速响应时间的测量
正阶跃输入的转速响应时间[3]:伺服系统输入由零到对应nN的正阶跃信号,从阶跃信号开始至转速第一次达到0.9nN的时间。为便于比较采用两款电控作为测试对象,电机联接平缝机的机头,控制电机转速由停止跳跃到4 500 r/min,为便于说明问题,DSP测量处理板采用M法测速[1](通过测量一段固定时间内编码器A,B脉冲数来确定转速)。光电编码器每转脉冲数为P,设在固定时间T内测得的编码器脉冲数为M,则转速为:N=60MPT。实际测量参数:P=1 440,T=2 ms。当前后两次测得的M数值变化时,就开始连续采样一系列M数值,再经计算得到电机转速的变化过程,实际测得的转速变化曲线如图2所示。
从测得的数据得出两种电控的正阶跃输入的转速响应时间:电控A为88 ms,电控B为120 ms。可见,电控A的正阶跃输入的转速响应明显优于电控B。
图2 两种电控的加速响应曲线
2.2 停车性能的测量
工业缝纫机按上/下针位停车,对停车的响应时间、停车超调角度及主轴停止位置偏差都有比较严格的要求,只有这样才能保证工业缝纫机高效率正常地运行。
2.2.1 停车响应时间的测量
停车响应时间参照负阶跃输入的转速响应时间[3]来标定,由于工业缝纫机的最终停车位置固定(上/下针位),因此停车响应时间还与发出停车信号的相对位置相关。在实测中采用测量10次数据,把停车响应时间最短的数据作为最终的数据。测试条件和方法同2.1,电机转速稳定在3 500 r/min时发出停车信号,实际测得的转速变化曲线如图3所示。
图3 两种电控的停车响应曲线
从图3中可以看出,电控A的转速变化比较平滑,停车所需的时间较短,因此,与电控A配合的缝纫机机头运行平稳、噪音小、寿命长,而且停车响应快。从测得的数据得出两种电控的停车响应时间:电控A为68 ms,电控B为94 ms。可见,电控A的停车响应明显优于电控B。
2.2.2 停车超调角度的测量
缝纫机在停车过程中,主轴停车最后一圈往往在越过停车位置(上/下针位)后,被反向拉回到停车位置停下。因此,停车超调角度是指主轴停车最后一圈越过停车位置的最大角度。测试条件同2.1,电机转速稳定在4 500 r/min时发出停车信号,当转速下降到较低时,开始连续采样一系列POSCNT[5]数值,实际测得的POSCNT变化曲线如图4所示。电控A、电控B电机采用分辨率为1 440的光电编码器,POSCNT为正交方波脉冲A,B信号的计数值,图4中ΔPOSCNT为正值说明电机正转,为负值说明电机反转。计算POSCNT连续为负值的最大累计数,再经转换即可得到停车超调角度。从测得的数据得出两种电控的停车超调角度:
电控A为:7×360°/1 440=1.75°。
电控B为:17×360°/1 440=4.25°。
图4 两种电控的停车超调曲线
可见,电控A的停车超调角度较小,也就是行业里说的“停车反拉”较小。
2.2.3 主轴停止位置偏差的测量
主轴停止位置偏差是指电控系统在正常运行情况下停车,针杆停止位置的偏差角度。该指标测量时除检测正交编码器输出的A,B信号外,还要检测机头上/下停针信号的边沿位置。在实际测量时,以停针信号的边沿位置作为基准,测量与针杆停止位置之间的偏差角度。对于实测数据及分析这里不再列举。
3 结 语
在工业缝纫机伺服控制系统中,对电机的快速启停响应和快速精确的停车要求较高。本文提出了这些技术指标的测量方法,经过实践检验,证明了该方法的可行性,实现对技术指标的有效测定,达到不同电控技术指标的量化比较。
参考文献
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