專利名稱：新型直驅式平縫機電腦控制系統的制作方法
技術領域：
本發明涉及一種控制工業平縫機運行的控制系統，具體涉及一種新型直驅式平縫機電腦 控制系統。
二.
背景技術：
中國縫紉機工業經過建國近六十年，尤其是改革開放這些年來的發展，取得了舉世矚目 的成就，目前已經具備相當規模，產量居全球之首。但是，在提升縫紉機高科技水平的電腦 控制系統研究實現方面， 一直處于落后的狀態。直至上世紀90年代末，我國企業才開始皮帶 輪三自動平縫機電腦控制系統的研發。而在本世紀之初，日本為了繼續保持產品技術領先地 位，推出電機與機殼一體化的直驅式無油化新型工業縫紉機，使工業縫紉機再上一個新臺階。 目前我國縫紉機生產企業也已認識到開發高質量、高附加值產品的重要性，開始開發、生產 直驅式電腦平縫機，并對其電腦控制器提出了新的要求。從2005年起，有十數家大中型縫紉 機企業及眾多電機控制企業相繼斥資研發直驅平縫機電腦控制系統，如標準、中捷、飛躍、 寶石、杰克等縫機制造廠、安徽"精工"，浙江"韻升"、"臥龍"，上海"富山"以及江蘇南 通、張家港和廣東汕頭、東莞、深圳等多家電機控制企業。然而，由于縫紉機電腦控制系統 涵蓋了伺服電機、自動控制、電力電子、縫制機械等多個領域的專業知識，門檻很高、邁入 困難，故至今能形成質量穩定、大批量生產的成功者為數極少，使直驅式電腦控制系統研究 一直保持為最近幾年的熱點。
三.
發明內容
本發明的目的在于，基于當前的直驅平縫機控制系統的高可靠性和低成本要求，提供一 種新型直驅式平縫機電腦控制系統，本發明采用強、弱電之間的隔離耦合，防止強電對弱電 信號的竄擾，提高系統的可靠性；采用模塊化設計思想，在硬件設計上，將與軟件控制相關 功能放置在主控板上，與電機控制功能相關布放于電機驅動控制器上，與操作、顯示相關布 放于面板上，與速度調節相關布放于腳踏控制板上，從而便于產品的生產、安裝、維修、更 換；在軟件設計上，采用功能化、模塊化、層次化設計，可重用性強，使程序結構清晰，易 于編寫、維護。
本發明的實現方案 一種新型直驅式平縫機電腦控制系統，該系統包括主控制器1、腳 踏速度調節器2、操作面板3、電磁闊4、電源模塊5、電機6、電機驅動控制器7、光電耦合 隔離模塊8;其特征為所述的主控制器l由微處理器CPU、通訊模塊A2、電磁閥驅動保護模塊A6、速度控制模塊A3和電流控制模塊A4組成，微處理器CPU通過通訊模塊電路A2實 現與操作面板3間的雙向數據通訊，通過電磁閥驅動電路A6實現對縫紉機各個電磁閥的動作 控制與保護，通過速度控制模塊A3和電流控制模塊A4實現對電機6的變頻控制；主控制器 l分別與腳踏速度調節器2、操作面板3、電磁閥4、光電耦合隔離模塊8連接。
所述電機驅動控制器7由專用伺服驅動模塊B6和電流檢測模塊B4組成，專用伺服驅動 模塊B6的輸入端與主控制器1的電流控制模塊A4通過光電耦合隔離模塊8連接，輸出經過 電流檢測模塊B4連接到電機6驅動輸入端；電動機轉軸同軸安裝有位置傳感器，其輸出端與 主控制器1的速度控制模塊A4的反饋采樣端連接。
所述電源模塊5由濾波模塊、整流模塊、保護模塊和開關電源模塊組成。
所述的操作面板3由按鍵、發光二極管、LCD、速度調節器、參數設置器組成；用于實現 縫紉模式選擇、縫紉狀態顯示、按鍵狀態提示、縫紉參數設置存儲，并實現縫紉模式、參數、 故障信息與微處理器CPU的雙向傳輸。
上述的新型直驅式平縫機電腦控制系統，其中，所述的主控制器l由微處理器CPU、位 置脈沖信號四倍頻鑒相電路A7、放大濾波電路A1、電流AD轉換電路A8、操作面板通訊電路 A2、電磁閥驅動保護電路A6、 P麗信號處理電路A5組成。腳踏速度調節器2輸出腳踏速度信 號，通過放大濾波電路Al連接到微處理器CPU;微處理器CPU通過操作面板通訊電路A2向 操作面板3發出控制信號;微控制器CPU通過電磁閥驅動保護電路A6來對電磁閥4進行控制。
上述的新型直驅式平縫機電腦控制系統，其中，所述的電機驅動控制器7有為專用伺服 驅動模塊B6提供的各種保護電路，包括低電源電壓保護電路B1，短路保護電路B2，限流保 護電路B3，溫度保護電路B5。低電源電壓保護電路B1與電源模塊5輸出的15V電源和專用 伺服驅動模塊B6連接；限流保護電路B3與專用伺服驅動模塊B6和電流檢測模塊B4連接； 短路保護電路B2、溫度保護電路B5與專用伺服驅動模塊B6連接。電流檢測模塊B4的輸入 端與專用伺服驅動模塊B6的輸出端連接，電流檢測模塊B4的輸出端與電機6連接。
上述的新型直驅式平縫機電腦控制系統，其中，所述的電源模塊5為整個系統提供電源。 它的輸入端與交流220V電壓連接；其輸出的24V電壓與電磁閥4連接；5V電壓與主控制器1 連接；15V電壓和300V電壓與電機驅動控制器7連接。
上述的新型直驅式平縫機電腦控制系統，其中，所述的腳踏速度調節器2獨立于主控制 器1和電機驅動控制器7，而安裝在腳踏板的連接軸上。
上述的新型直驅式平縫機電腦控制系統，其中，所述的光電耦合隔離模塊8分別于主控 制器1和電機驅動控制器7連接，并將它們隔離。
本發明與現有技術相比，具有以下的優點:
51. 層次分明的軟件程序架構及實現方式
本發明的軟件實現基于實時操作系統，將程序分成底層及邏輯層兩大層次。底層核心控 制部分采用先進的算法實現，獨立性強。邏輯層以模塊化方式實現，從而使整體軟件構架清 晰，魯棒性好，維護更加方便。
2. 可靠性的進一步提高。
在硬件上，由于本發明采用了獨特先進的隔離技術，使得整個系統抗干擾能力更強，可 靠性更高。另外，在電源部分和電機驅動部分，充分設計了各種保護電路及迅速散熱結構， 使得控制系統更加可靠、安全。另外，在軟件上，采用冗余設計技術、防死循環、多級復合 保護技術，使軟件的穩定性更好。
3. 操作面板更加易用方便
本發明的操作面板采用獨特設計，符合人體功能學。操作界面更加人性化、易操作化。 操作面板上有加速和減速快捷按鈕，使操作者更加方便地控制縫紉速度。
4. 關鍵縫紉技術指標的提升
本發明的技術指標提升表現在以下幾個方面低速時轉速非常平穩；啟動加速過程迅速， 無超調；停止過程無振蕩，高速度精準位置停針；倒縫針數準確，針跡重合度很高；電源紋 波系數小，整體電路耗電低。
四.
圖1是本發明新型直驅式平縫機電腦控制系統電路框圖。 圖2是本發明新型直驅式平縫機電腦控制系統主控制器電路框圖。 圖3是本發明新型直驅式平縫機電腦控制系統電機驅動控制器內部框圖。 圖4是本發明新型直驅式平縫機電腦控制系統供電電源電路框圖。 圖5是本發明新型直驅式平縫機電腦控制系統各電路板關系圖。 圖6是本發明新型直驅式平縫機電腦控制系統操作面板內部框圖。 圖7是本發明新型直驅式平縫機電腦控制系統電機驅動控制器基本原理圖。 圖8是本發明新型直驅式平縫機電腦控制系統電磁閥驅動電路圖。 圖9是本發明新型直驅式平縫機電腦控制系統開關電源原理圖。 圖10是本發明新型直驅式平縫機電腦控制系統基本工作流程圖。
6圖11是本發明新型直驅式平縫機電腦控制系統操作面板主程序流程圖。 圖12是本發明新型直驅式平縫機電腦控制系統電機控制流程圖。
五.
具體實施例方式
請參見圖1所示，請配合參見圖5，本發明新型直驅式平縫機電腦控制系統，包括主控 制器l、腳踏速度調節器2、操作面板3、電磁閥4、電源模塊5、電機6、電機驅動控制器7、 光電耦合隔離模塊8。
主控制器1與操作面板3雙向連接，主控制器1的輸入端與腳踏速度調節器2的輸出端 連接，主控制器l的輸出端與電磁閥4的輸入端和光電耦合隔離模塊8連接；腳踏速度調節 器2輸出控制縫紉機的速度及各執行機構的操作信息；電磁閥4用來執行倒縫、切線、掃線、 抬壓腳動作；光電耦合隔離模塊8隔離主控制器1和電機驅動控制器7。
光電耦合隔離模塊8的輸入端與主控制器1的輸出端連接，光電耦合隔離模塊8的輸出 端與電機驅動控制器7的輸入端連接；主控制器1輸出PWM(脈寬調制Pulse Width Modulation, 簡稱PWM)信號經過光電耦合隔離模塊8處理后輸入電機驅動控制器7。
電機驅動控制器7與電機6連接，電機6的位置傳感器將位置信號傳回給主控制器1;電 機驅動控制器7將電流信號傳回給主控制器1 。
電源模塊5的輸入端連接交流220V電壓，電源模塊5的輸出端分別與電磁閥4、主控制 器l、電機驅動控制器7連接；電源模塊5為電磁閥4提供24V直流電壓，電源模塊5為主 控制器1提供5V電壓，電源模塊5為電機驅動控制器7提供直流15V和直流300V電壓。
請參見圖2所示，配合參見圖3，新型直驅式平縫機電腦控制系統主控制器電路包括放 大濾波電路A1、通訊模塊A2、微處理器CPU、速度控制模塊A3、電流控制模塊A4、 PWM 信號生成電路A5、電磁閥驅動保護電路A6、位置信號四倍頻鑒相電路A7、 AD轉換電路A8。
腳踏速度信號進入主控制器1，經放大濾波電路Al后進入微控制器CPU，微控制器CPU 經過相應處理，再將處理過的信號送給主控器1內相應的電路。PWM信號生成電路A5生成 6路PWM、 PWM1、 PWM2、 PWM3、 PWM4、 PWM5、 PWM6。這6路信號經過光電耦合 隔離模塊8后進入電機驅動控制器7。微控制器CPU和操作面板3之間通過雙向通訊模塊 A2進行信號傳遞。微控制器CPU經過電磁閥驅動保護電路A6對各電磁閥進行控制。從電機 6的位置傳感器發出的位置反饋信號通過位置信號四倍頻鑒相電路A7反饋到速度控制模塊 A3，從電機驅動控制器7發出的電流反饋信號經AD轉換電路A8后進入電流控制模塊A4， 經過速度控制模塊A3和電流控制模塊A4的處理來調整PWM的占空比，從而達到精確控制 電機6的目的。
7請參見圖3所示，配合參見圖7，新型直驅式平縫機電腦控制系統電機驅動控制器內部 框圖包括專用伺服驅動模塊B6、電流檢測模塊B4、低電源電壓保護電路B1、短路保護電路 B2、限流保護電路B3、溫度保護電路B5。
從主控制器1輸出的6路PWM經過光電耦合隔離模塊8后輸出6路PWM': PWM1'、 PWM2'、 PWM3'、 PWM4'、 PWM5'、 PWM6'。這6路PWM'進入專用伺服驅動模塊B6 后驅動電機6轉動。電機驅動控制器7內部有多種保護電路低電源電壓保護電路B1，短路 保護電路B2，限流保護電路B3，溫度保護電路B5。當電壓很低時低電壓保護電路B1會使 得專用伺服驅動模塊B6終止輸入，直到電壓恢復正常為止；當內部電流超過安全值或發生 短路時，限流保護電路B3或短路保護電路B2會使得專用伺服驅動模塊B6終止輸入，直到 電流恢復正常位置；當溫度超過安全工作溫度后，溫度保護電路B5會使得專用伺服驅動模 塊B6終止輸入，直到溫度恢復正常為止。
在專用伺服驅動模塊B6內部有驅動管Tl、 T2、 T3、 T4、 T5、 T6; 二極管Dl、 D2、 D3、 D4、 D5、 D6。 Tl、 T4在一相；T2、 T5在一相；T3、 T6在一相。Tl、 T2、 T3、 T4、 T5、 T6的柵極分別接經過光電耦合隔離模塊8輸出的6路PWM'，這6路PWM'控制T1、 T2、 T3、 T4、 T5、 T6的導通和關閉。同一相的兩個驅動管不能同時導通。每一相均與電機6 連接，控制電機6的轉動。位置傳感器I3由安裝于電機6軸上的光柵片與安裝在電機6定子 上的光電元件組成，位置傳感器I3的輸出信號反饋到主控制器1。電流傳感器Il、 12分別接 在電機6的兩相上，電流傳感器Il、 12的輸出信號反饋到主控制器1。
請參見圖4所示，請配合參見圖9，新型直驅式平縫機電腦控制系統供電電源部分電路 框圖包括電源濾波模塊、電源保護模塊、整流模塊和開關電源模塊。
交流220V電壓輸入到電源濾波模塊濾波，然后進入電源保護模塊和整流模塊后輸出 300V直流電壓，這個300V直流電為專用伺服驅動模塊B6供電。經過整流后的直流電壓進 入開關電源模塊，經過處理之后分別輸出5V， 15V, 24V電壓。在開關電源模塊中采用了先 進的光偶隔離技術，U2為隔離電路部分。Ul采用先進的電源芯片能保證穩定的輸出所需電 壓。
請參見圖6所示，新型直驅式平縫機電腦控制系統操作面板3由28個按鍵，15個LED 燈，1個LCD和CPU及其外圍電路組成。每個按鍵和LED燈對應一個相應的功能。操作面 板CPUU3控制驅動電路U4，驅動電路U4使LCDU5顯示相應信息。操作面板3和主控制 器l連接進行數據、指令、故障信號的雙向傳輸。
請參見圖8所示，新型直驅式平縫機電腦控制系統共有4個電磁閥，分別為切線電磁閥、 掃線電磁閥、倒縫電磁閥、腳踏電磁闊。電磁閥驅動電路由cmos反相器、功率管Q1、功率 管Q2、功率管Q3、功率管Q4、電阻R1、電阻R2、電阻R3、電阻R4等器件組成。主控板1微處理器CPU輸出信號通過cmos反相器取反后分別串聯1個保護電阻Rl、 電阻R2、電阻R3、電阻R4連接到功率管Q1、功率管Q2、功率管Q3、功率管Q4的柵極， 當微處理器CPU向功率管Q1 (或功率管Q2、功率管Q3、功率管Q4)發送信號時，功率管 導通，相應的電磁閥吸合；功率管關斷時，相應的電磁閥釋放。
本發明的電路作用原理是，本發明的主控制器1和電機驅動控制驅動器7分別采用微處 理器CPU和專用伺服驅動模塊B6，設在主控制器l中的微處理器CPU，用于與操作人員可 接觸的部件操作面板3、腳踏速度調節器2和電磁閥4等電路的連接，該微處理器CPU接 收控制命令及反饋信號，在設計的縫紉機應用程式下完成諸如變速、位置控制以及自動縫紉 等功能。設在電機驅動控制驅動器7的專用伺服驅動模塊B6，用來專門實現電動機的驅動控 制策略。
分別設在主控制器1和電機驅動控制驅動器7中的微處理器CPU和專用伺服驅動模塊 B6之間通過光電耦合隔離模塊8實現隔離連接，既可以雙向傳輸信息，又可將高壓電路中的 干擾信號隔離。設計的開關電源，能使主控制器1和電機驅動控制驅動器7之間隔離了強電 的干擾。是冷熱電路之間的隔離耦合變得非常簡單而且更合理。在這種配置下，不僅進一步 降低了制造成本，而且電路的設計和制造將大大簡化，可靠性進一步提高。
新型直驅式平縫機電腦控制系統軟件主要有以下模塊組成
操作面板模塊可以設置工作模式，工作參數，并且實時顯示工作狀態，如報警故障晁 示，針數顯示等。
控制算法模塊如PID算法，可以將系統形成閉環，如速度閉環，電流閉環等。
通訊模塊可使得微處理器CPU和操作面板3之間實現雙向的數據和指令傳輸。
自動剪線模塊當自動掃線、自動剪線有效時，可以實現自動掃線、自動剪線的操作。
電機啟動模塊實現電機從靜止到恒定速度的快速啟動，有需要時需要慢速啟動。
電機制動模塊在不同速度下，實現設定的停針位，并且電機停止迅速準確無誤。
縫紉模式辨別模塊根據用戶縫紉模式變量，進入相應的縫紉模式；縫紉模式包括自由 縫、定長縫、折返縫等。
電磁閥功能實現模塊控制切線、掃線、倒縫、抬壓腳電磁閥與機械結構配合完成相應操作。
請參見圖10所示，本發明新型直驅式平縫機電腦控制系統基本工作流程圖。上電之后， 系統初始化，此時査詢操作面板3的按鍵狀態，在查詢腳踏是否踩下，如果踩下了則去執行電機轉動或者是電磁閥的吸和，如果沒踩下則返回到系統初始化。結束當前狀態的縫紉控制， 電機停止轉動釋放電磁閥，重新查詢操作面板3的按鍵狀態。
請參見圖11所示，新型直驅式平縫機電腦控制系統操作面板主程序流程圖。系統上電 后，主控制器1若發送正常工作狀態信號，則初始化系統；操作面板3的初始化主要是對斷 電前的狀態進行恢復，向主控制器1發送參數，進入循環査詢有效鍵盤按鍵對按鍵進行相應 處理。
請參見圖12所示，新型直驅式平縫機電腦控制系統電機控制流程圖。上電之后，檢測 腳踏是否踩下，如果沒踩下則返回開始處重新檢測，如果踩下了則檢測電機的實際轉速，對 速度信號PID調節，采樣電機定子電流Ia、 Ib，經一系列的變化，SVPWM輸出，形成閉環。
綜上所述，本發明新型直驅式平縫機電腦控制系統采用冷熱電路之間隔離耦合，能提高 通信的安全可靠性；各部分采用模塊化設計思想，功能分割清楚并且便于產品的維修、更換， 簡化了程序編寫；使用安全方便。整機小巧，操作空間大，安裝快捷，運輸方便。各方面性 能都較原來的縫紉機控制系統有所提高，而整個系統的成本卻降低了。
10
權利要求
1.一種新型直驅式平縫機電腦控制系統，該系統包括主控制器1、腳踏速度調節器2、操作面板3、電磁閥4、電源模塊5、電機6、電機驅動控制器7、光電耦合隔離模塊8；其特征在于所述的主控制器1由微處理器CPU、通訊模塊A2、電磁閥驅動模塊A6、速度控制模塊A3和電流控制模塊A4組成，微處理器CPU通過通訊模塊A2電路實現與操作面板3間的雙向數據通訊，通過電磁閥驅動電路A6實現對縫紉機各個電磁閥的動作控制與保護，通過速度控制模塊A3，電流控制模塊A4實現對電機6的變頻控制；主控制器1分別與腳踏速度調節器2、操作面板3、電磁閥4、光電耦合隔離模塊8連接。所述電機驅動控制器7由專用伺服驅動模塊B6和電流檢測模塊B4組成，專用伺服驅動模塊B6的輸入端與主控制器1的電流控制模塊A4通過光電耦合隔離模塊8連接，輸出經過電流檢測模塊B4連接到電機6驅動輸入端；電動機轉軸同軸安裝有位置傳感器，其輸出端與主控制器1的速度控制模塊A3的反饋采樣端連接。所述電源模塊5由濾波模塊、整流模塊、保護模塊和開關電源模塊組成。
2. 如權利要求1所述的新型直驅式平縫機電腦控制系統，其特征在于，所述的操作面板3 由按鍵、發光二極管、LCD、速度調節器、參數設置器組成；用于實現縫紉模式選擇、縫紉 狀態顯示、按鍵狀態提示、縫紉參數設置存儲，并實現縫紉模式、參數、故障信息與微處理 器CPU的雙向傳輸。
3. 如權利要求1所述的新型直驅式平縫機電腦控制系統，其特征在于，所述的主控制器 1由微處理器CPU、位置脈沖信號四倍頻鑒相電路A7、放大濾波電路A1、電流AD轉換電 路A8、操作面板通訊電路A2、電磁陶驅動保護電路A6、 PWM信號生成電路A5組成。腳 踏速度調節器2輸出腳踏速度信號，通過放大濾波電路Al連接到微處理器CPU;微處理器 CPU通過操作面板3的通訊電路A2向操作面板3發出控制信號；微控制器CPU通過電磁閥 驅動保護電路A6來對電磁閥4進行控制。
4. 如權利要求1所述的新型直驅式平縫機電腦控制系統，其特征在于，所述的電機驅動 控制器7有為專用伺服驅動模塊B6提供的各種保護電路，包括低電源電壓保護電路B1，短 路保護電路B2，限流保護電路B3，溫度保護電路B5。低電源電壓保護電路B1的輸入端與 電源模塊5輸出的15V電源連接，其輸出端與專用伺服驅動模塊B6連接；限流保護電路B3 與專用伺服驅動模塊B6和電流檢測模塊B4連接；短路保護電路B2、溫度保護電路B5與專 用伺服驅動模塊B6連接。電流檢測模塊B4的輸入端與專用伺服驅動模塊B6的輸出端連接， 電流檢測模塊B4的輸出端與電機6連接。
5. 如權利要求1所述的新型直驅式平縫機電腦控制系統，其特征在于，所述的電源模塊 5為整個系統提供電源。它的輸入端與交流220V電壓連接；其輸出的24V電壓與電磁閥4 連接；5V電壓與主控制器1連接；15V電壓和300V電壓與電機驅動控制器7連接。
6. 如權利要求1所述的新型直驅式平縫機電腦控制系統，其特征在于，所述的腳踏速度調節器2獨立于主控制器1和電機驅動控制器7，而安裝在腳踏板的連接軸上。
7.如權利要求1所述的新型直驅式平縫機電腦控制系統，其特征在于，所述的光電耦合 隔離模塊8分別于主控制器1和電機驅動控制器7連接，并將它們隔離。
全文摘要
本發明涉及一種新型直驅式平縫機電腦控制系統，該系統包括主控制器、腳踏速度調節器、操作面板、電磁閥、電源模塊、電機、電機驅動控制器、光電耦合隔離模塊；其特征在于主控制器由微處理器CPU、通訊模塊、電磁閥驅動模塊、速度控制模塊和電流控制模塊組成，微處理器CPU通過通訊模塊電路實現與操作面板間的雙向數據通訊，通過電磁閥驅動電路實現對縫紉機各個電磁閥的動作控制與保護，通過速度控制模塊，電流控制模塊實現對電機的變頻控制；主控制器分別與腳踏速度調節器、操作面板、電磁閥、光電耦合隔離模塊連接。電機驅動控制器由專用伺服驅動模塊和電流檢測模塊組成。
文檔編號D05B19/00GK101560720SQ200810180869
公開日2009年10月21日 申請日期2008年11月26日 優先權日2008年11月26日
發明者呂一松, 巍 左, 梅 帥, 樂 張, 張巍威, 鑫 李 申請人:北京天宇科創科技發展有限公司