一、技术领域

本发明涉及一种伺服系统，尤其是一种应用于缝纫机的伺服系统。

二、背景技术

自从缝纫机问世以来，人们对其作了不断的提高和改进，在操作的便利性和 提高缝纫效率方面作了不少的工作。早期的改进是将驱动机构由手摇改为脚踹， 后来又创制了电动式缝纫机，为缝制工业的规模化生产奠定了良好基础。

机电一体化缝纫机是大势所趋，现在高速平缝机在缝纫机行业也得到了广泛 应用。平缝机伺服系统按伺服电机的种类可分为5种，即摩擦片式、涡流式、混 合步进电机、直流电机和交流电机。

摩擦片式电子定位针电动机伺服系统起步快，但速度和针位控制精度差，且 摩擦片的磨损会影响定位可靠性，需经常保养和维修。

涡流式电子定位针电动机伺服系统虽然定位精度较高，但起步慢，噪声和振 动大。

混合式步进电机伺服系统虽具有控制方便的优点，但起动频率、运行频率达 不到高速平缝机的要求，定位精度仍不理想。

直流有刷电动机伺服系统运行效率高，无励磁损耗，调速性能好，运行可靠， 但是，直流有刷电机均采用机械方式换向，在电刷和换向器之间存在机械摩擦， 由此带来了噪声、火花、无线电干扰及寿命短等缺点。

交流电机伺服系统，即现在仍然使用的一种，是采用电磁离合器电机伺服系 统，调速范围广、速度调节平滑、起动转矩大。但是，由于普通离合电机是交流 异步电机，输出功率只有输入功率的70％左右；通过摩擦离合器传递扭矩到缝纫 机，效率又只有70％左右。所以，真正用于缝纫机的电能利用率只有50％左右。 另外普通离合电机开电源即会运转，存在空载用电，即当脚不踩、缝纫机不工作 时，也要耗电。因此，普通的电磁离合器电机伺服系统具有寿命短、效率低、体 积大、噪音大的缺点。

同时，国内现有的电磁离合器交流电机伺服系统，所用芯片为8031、8051 系列，信号为8位，传输速度低。驱动电路用分立元件组成，电器线路复杂。

三、发明内容

为了克服上述现有技术寿命短、效率低、体积大、噪音大、控制芯片传输 速度低、电器线路复杂等缺点，本发明采用了一种新的伺服系统，能够有效提高 控制芯片传输速度、节约能源、增高效率、延长寿命、减小体积、降低噪音。

该系统包括整流滤波电路、驱动器、电机、缝纫机头、传感器、人机界面、 控制器、开关电路和电磁阀，其中：所述的电机采用了三相直流无刷电机，电网 通过整流滤波电路和驱动器连接电机；电机连接缝纫机头；电机通过传感器连接 控制器，缝纫机头通过传感器连接控制器；控制器输出连接驱动器，控制器输出 通过开关电路和电磁阀连接缝纫机头。控制器的输入信息由人机界面取得。

电网通过整流滤波电路將电能输送到驱动器，当控制器接收到设定的输入信 息时，发出指令信号到驱动器，驱动器产生信号波控制电机速度，与电机相连的 传感器检测出电机的实际转速，又反馈到控制器，与人机界面上输入的设定速度 信息比较得到误差，再根据相应的输入指令，在相应程序的控制下完成启动、调 速、停车等。与机头相连的传感器检测出机头的上针位、下针位信号，也反馈到 控制器，由相应程序配合指令信号控制电磁阀的驱动，完成剪线、扫线、换向等。

本发明的控制程序包括人机接口扫描子程序、状态显示子程序、模式子程序、 运动状态模块、调速模块和制动模块，系统开始工作时，在经过初始化后检查有 无由人机接口模块输入的启动信号，若有，则进入相应的模式子程序运行，并在 经过运动状态模块判定、调速模块调速后由制动模块制动；若无，则再经人机接 口扫描子程序判定后经状态显示子程序并结束。其中：

1、运行模态模块：实现用户根据工艺要求选定若干个基本工作模式中的任 何一个，并进入相应的模式工作。

2、调速模块：包括电机的换相模块，速度PI控制器，电流PI控制器。

3、制动模块：软件制动和反接制动相互結合，实现系统的快速制动。

作为本发明的一个优选方案，所述的三相直流无刷电机采用了三相全控桥两 两导通结构。

作为本发明的另一个优选方案，所述的驱动器的脉宽调制电路产生的是六路 PWM波形。

作为本发明的第三个优选方案，所述的驱动器采用了专用智能模块ASIPM ps11015。

作为本发明的第四个优选方案，所述的控制器采用了单片机80C196MC。

本发明所述的电机电能利用率高达90％以上，与电磁离合器电机相比省电达 60-90％，无普通电机的空载耗电，节省能源；无更换摩擦片的麻烦；噪音极低， 该电机速度较快，可大大提高工作效率，并且启动快、制动灵、调速稳定，适宜 服装，鞋业，箱包，皮具等各种工业缝纫机配套使用。

该系统采用Intel公司推出的最新一代单片机80C196MC，是真正的16位微 控制器。它特别适合于电动机和反相器等高速控制领域，性能好，功能全，保证 了各项性能指标符合要求，具备自动缝纫、自动停车、自动加固缝、自动剪线、 自动扫线、自动缝纫，自动补针，功能显示等智能控制功能，其采用了功耗低的 CHMOS电路，具有省电的优点。

四、附图说明

图1是本发明的结构图

图2是本发明所述的控制程序流程图

图3是本发明所述的人机接口扫描子程序流程图

图4是本发明所述的状态显示子程序流程图

图5是本发明所述的调速模块子程序流程图

图6是本发明所述的运行模块子程序流程图

图7是本发明所述的系统制动子程序流程图

图8是本发明所述的无刷直流电机原理图

图9是本发明所述的无刷直流电机全桥控制电路图

图10是本发明所述的速度曲线图

图11是本发明所述的自由缝子程序流程图

图12是本发明所述的固定针数加固缝子程序流程图

图13是本发明所述的连续加固缝子程度流程图

图14是本发明所述的矩形缝子程序流程图

五、具体实施方式

图1所示的本发明，包括：整流滤波电路、驱动器、电机、缝纫机头、传感 器、人机界面、控制器、开关电路和电磁阀。其中：电网通过整流滤波电路和驱 动器连接电机；电机连接缝纫机头；电机通过传感器连接控制器，缝纫机头通过 传感器连接控制器；控制器输出连接驱动器，控制器输出通过开关电路和电磁阀 连接缝纫机头。控制器与人机界面相连接取得输入信息。工作时：电网通过整流 滤波电路將电能输送到驱动器，当控制器接收到设定的输入信息时，发出指令信 号到驱动器，驱动器产生信号波控制电机速度，与电机相连的传感器检测出电机 的实际转速，又返馈到控制器，与人机界面上输入的设定速度比较得到误差，再 根据相应的输入指令，在相应程序的控制下完成启动、停车、调速等。与机头相 连的传感器检测出机头的上针位、下针位信号，也返馈到控制器，由相应程序配 合指令信号控制电磁阀的驱动，完成剪线、扫线、换向等。

图2所示的控制程序流程图，包括：开始指令、系统初始化、有无起动信号 判断、进入键盘扫描程序、状态显示、进入模式子程序、运行状态、调速、制动、 结束。系统开始工作后，首先进行初始化，然后判断有无起动信号。若无起动信 号，系统进入键盘扫描程序，判断键盘有信号，系统返回到有无起动信号，重新 判断；判断键盘无信号，进行状态显示后结束。若有起动信号，系统进入模式子 程序工作状态，经运行状态、调速、制动三个工作过程，最后结束。

图3所示的人机接口扫描子程序流程图，包括：开始指令、是否有键闭合判 断、调用延时12ms、键闭合否判断、判断闭合键号、进入各键子程序。系统开 始工作后，判断是否有键闭合，若无键闭合，返回到是否有键闭合判断模块，重 新判断；若有键闭合，调用延时子程序延时12ms，再一次判断是否有键闭合， 若无键闭合，返回到第一个是否有键闭合判断模块，重新判断。若键闭合，再判 断闭合键号，然后进入各键子程序。

图4所示的状态显示子程序流程图，包括：开始指令、设置等于1(SET＝1) 判定、进入功能设置模块、修改参数、显示结果、光标在起点、模式选择、显示、 修改参数、结束。系统开始工作后，判断设置是否等于1，若设置等于1，进入 功能设置模块，去进行修改参数、显示结果，最后结束。若设置不等于1，判断 光标是否在起点，若光标在起点，进行模式选择、显示，最后结束。若光标不在 起点，进行修改参数、显示，最后结束。

图5所示的调速模块子程序流程图，包括：关中断、检测测速信号并计算实 际转速、给定转速是否大于实际转速、占控比控制量自增、延时、计算误差、进 行PID运算产生占控比控制量、占控比控制量是否超过上限、设定占控比控制 量等于上限、设定软件定时器控制字、占控比控制量是否低于下限、设定占控比 控制量等于下限、开中断。系统关中断之后，首先检测测速信号并计算实际转速， 接着判断给定转速是否大于实际转速？如果给定转速不大于实际转速，进行占控 比控制量自增、延时，然后返回到给定转速是否大于实际转速的入口，再次判断 给定转速是否大于实际转速，如果给定转速大于实际转速，首先计算误差，接着 进行PID运算产生占控比控制量，然后判断占控比控制量是否超过上限，若是 就设定占控比控制量等于上限，在设定软件定时器控制字之后，开中断；若不是 就判断占控比控制量是否低于下限，若是低于下限就设定占控比控制量等于下 限，最后开中断；若不是低于下限，则直接开中断。

图6所示的运行模块子程序流程图，包括：释所有的电磁阀、判断当前模式、 进入模式1、进入模式2、进入模式3、进入模式4、清PWM控制、关中断、延 时一段时间、结束。当系统工作状态进入释放所有的电磁阀后，立即判断当前模 式，根据需要可分别进入模式1、模式2、模式3、模式4中的一个，接着清除 脉冲宽度调制的控制信号，然后关中断，再延时一段时间后结束。

图7所示的系统制动子程序流程图，包括：开始指令、设实际速度n和假定 速度n’、n＜n’、软件制动、反接制动、结束。系统开始工作后，当系统检测到 停车信号时，首先使电机实际转速n从高速或低速达到一定的假定停车速度值 n′，进行n＜n’的判断。若n＜n’不成立，则先进行软件制动，直到n＜n’成立； 若n＜n’成立，切换到反接制动。最后结束。

其中：在非PWM调制期间，导通该无刷直流电机驱动系统下桥臂的功率管子， 形成能耗回路，但是由于反电动势的影响，电流反向，由力矩公式 $T=-\frac{2E}{w}{i}_c$ 得电磁力矩反向，与速度方向相反，电磁力矩变成制动力矩，可以使电机进入制 动状态。

工作时，系统检测到准确位置信号，持续导通其对应下桥臂的功率管子，形 成持续的制动力矩，电机就会很快制动下来。由于我们采用软件来导通功率管子， 所以称这种方法为软件制动。

在电气制动中，反接制动的效果最为明显，它把电机两端的电源极性对调一 下，这时使电枢电压与电机的运转速度方向相反，电机工作在第二象限，产生较 大的制动力矩，因为这时磁场和转向不便，故反电动势方向不变。

即U＝-U，E＝E；

所以电压反接制动时的电压平衡方程：

$-U=E+I_a*(R_a+R_b)+L*\frac{{\mathrm{dI}}_a}{\mathrm{dt}}$ 或-U≥E+Ia*(Ra+Rb)

整理后，得电枢电流

$I_a\le -\frac{U+E}{R_a+R_b}=-\frac{2U}{R_a+R_b}$

此时电枢电流反向，由式Tm＝CmId得，电磁转距也反向，此时电磁转距与 转速的方向相反，故变为制动转距。由上面的公式可得，这个时刻电机电枢两端 的电压增大二倍，这是反接制动的优点，能够产生双倍的制动力矩，所以电机能 在较短的时间内停下来。

按照上述原理，要想电机实现反接制动，根据三相电机的位置信号，导通与 电动时相反的功率管子，实现电机电源的反向。例如图9，电动时导通s1，s2两 个管子，在制动时，我们可以导通s5，s6，就可以使电机电枢电压反向，形成 反接制动。

通过对系统制动方法的研究，提出了软件制动和反接制动相互結合的方法。 当系统检测到停车信号时，先进行软件制动，使电机从高速降到一定的速度(假 定值)时，切换到反接制动。

图8所示的本发明的直流无刷电机，包括电动机本体、位置传感器和功率变 换电路三部分，功率变换电路包括功率开关和电子换向电路。

普通直流电动机的电枢通过电刷和换向器与直流电源相连，电枢本身的电流 是交变的，而无刷直流电机保持着直流电机的优良控制特性，在工作原理上和直 流电机类似，但它的电枢绕组放在定子上，转子上没有绕组，采用稀土永磁体形 成主磁场。无刷直流电机用磁极位置检测电路和电力电子开关逆变器代替有刷电 机的电刷和换向器，即用电子换相代替机械换向。由位置传感器提供电机转子的 位置信号，在控制器中经过逻辑推理产生相应的开关信号，使逆变器按照一定的 顺序导通，将直流电源逐次加在电机的各相绕组上，产生三相电流和交变磁场， 与主转子磁极的旋转磁场相互作用，产生电磁转矩。

一般的永磁式直流电动机的定子由永磁钢组成，其主要的作用是在电动机气 隙中产生磁场。其电枢绕组通电后产生反应磁场。由于电刷的换向作用，使得这 两个磁场的方向在直流电动机运行的过程中始终保持相互垂直，从而产生最大转 距而驱动电动机不停地运转。直流无刷电机为了实现无电刷换向，首先要求把一 般直流电机的电枢绕组放在定子上，把永磁磁钢放在转子上，这与传统直流永磁 电动机的结构刚好相反。但仅这样做还是不行的，因为用一般直流电源给定子上 各绕组供电，只能产生固定磁场，它不能与运动中转子磁钢所产生的永磁磁场相 互作用以产生单一方向的转距来驱动转子转动。所以直流无刷电机除了有定子和 转子组成电动机的本体以外，还要有位置传感器、控制电路以及功率逻辑开关电 路共同构成的换向装置，使得直流无刷电机在运行过程中定子绕组所产生的磁场 和转动中的转子磁钢所产生的永磁磁场，在空间始终保持在(90°)左右的电角 度。

图9所示的是无刷直流电机的驱动系统，采用了三相全控桥两两导通结构。 所谓两两导通方式是指每一瞬间有两个功率导通管导通，每个1/6周期(60°电角 度)换相一次，每次换向一个功率管每一个功率管导通120°电角度。各功率管的 导通顺序是V1V6，V6V3，V3V2，V2V5，，V5V4，V4V1、…。当功率管V1V6 导通时，电流从V1管流入A相绕组，再从C相绕组流出，经V6管回到电源。 如果认定流入绕组的电流所参生的转矩为正，那麽从绕组流出所产生的转矩为 负。当电动机转过60°后，有V1V6通电换成V3V6通电。这时，电流从V3流 入B相绕组再从C相绕组流出，经V6管回到电源。而后每次换相一个功率管， 合成转矩矢量方向就随着转过60°电角度，但大小始终保持√3Ta不变。

所以，同样一台直流无刷电动机，每组绕组通过与三相半控电路同样的电流 时，采用三相星形联结全控电路，在两两换相的情况下，其合成转矩增加了√3 倍。

图10所示为本发明的梯形控制曲线。一般电机的速度曲线有3类：梯形、 三角形和双曲线。双曲线速度控制曲线是最理想的，最节省能量的，在两端位置 可提供平滑的加速和减速。但是，实施计算曲线将大大增加CPU的开销。三角 形的计算比双曲线简单的多，但在三角形的顶部，过渡的很不平滑。梯形曲线是 上两种曲线的折中，本系统选用梯形控制曲线。

在图10中，启动、加速阶段我们可以进行开环控制，使电机进行软启动， 以恒定的加速度进行加速，到达预定值时，进入稳态调速阶段，再用积分分离 PI控制算法进行稳态调速。

由于此种方法结合了无刷电机的调速特性，又发挥了软件比较容易修改的 特点，大大减少了电机能量的消耗及噪声，又保证了系统的稳定性和精确度。

图11所示的自由缝子程序流程图，包括：进入模式1指令、是否有前加固 判定、计算前加固正缝的针数并执行、吸合反缝阀、计算前加固反缝的针数并执 行、释放反缝阀、进入自由缝模式、脚踏板是否松开判定、关中断并退出自由缝、 脚踏板是否向前踩判定、向后踩并有剪线标志、补针、执行补针子程序、剪线挑 线、结束。工作时，系统进入模式1，即自由缝模式，启动时先判断，若有前加 固，则先运行A针，紧接者反向运行B针，然后自由缝，只要脚踏板踩下，就 一直运行，没有固定针数限制，当脚踏板回到原位时，则停止缝纫。这时若脚踏 板向前继续踩下，则重复刚才描述的动作；若脚踏板向后踩，判断向后踩后有无 剪线标志，若有剪线标志，执行补针子程序，可以补针；若无剪线标志，剪线键 有效，完成剪线挑线动作，最后结束。

图12所示的固定针数加固缝子程序流程图，包括：进入模式2指令、是否 有前加固判定、计算前加固正缝的针数并执行、吸合反缝阀、计算前加固反缝的 针数并执行、释放反缝阀、进入针数固定加固缝模式、脚踏板是否松开判定、关 中断并退出自由缝、脚踏板是否向前踩判定、向后踩并有剪线标志、补针、执行 补针子程序、剪线挑线、结束。工作时，系统进入模式2，即针数固定加固缝模 式，启动时先判断，若有前加固，则先运行A针，紧接者反向运行B针，然后 自由缝，只要脚踏板踩下，就一直运行，有固定针数限制，当脚踏板回到原位时， 缝纫继续，直到完成设定针数，才停止缝纫。这时若脚踏板向前继续踩下，则重 复刚才描述的动作；若脚踏板向后踩，判断向后踩后有无剪线标志，若有剪线标 志，执行补针子程序，可以补针；若无剪线标志，剪线键有效，完成剪线挑线动 作，最后结束。

图13所示的连续加固缝子程度流程图，包括：进入模式3指令、是否有前 加固判定、计算前加固正缝的针数并执行、吸合反缝阀、计算前加固反缝的针数 并执行、释放反缝阀、进入连续加固缝模式、脚踏板是否松开判定、关中断并退 出自由缝、脚踏板是否向前踩判定、向后踩并有剪线标志、补针、执行补针子程 序、剪线挑线、结束。工作时，系统进入模式3，即连续加固缝模式，启动时先 判断，若有前加固，则先运行A针，紧接者反向运行B针，然后自由缝，只要 脚踏板踩下，就一直运行，有固定针数限制，当脚踏板回到原位时，缝纫继续， 直到完成设定针数，才停止缝纫。这时若脚踏板向前继续踩下，则重复刚才描述 的动作；若脚踏板向后踩，判断向后踩后有无剪线标志，若有剪线标志，执行补 针子程序，可以补针；若无剪线标志，剪线键有效，完成剪线挑线动作，最后结 束。

图14所示的矩形缝子程序流程图，包括：进入模式4指令、是否有前加固 判定、计算前加固正缝的针数并执行、吸合反缝阀、计算前加固反缝的针数并执 行、释放反缝阀、进入矩形缝模式、脚踏板是否松开判定、关中断并退出自由缝、 脚踏板是否向前踩判定、向后踩并有剪线标志、补针、执行补针子程序、剪线挑 线、结束。工作时，系统进入模式，即矩形缝模式，启动时先判断，若有前加固， 则先运行A针，紧接者反向运行B针，然后自由缝，只要脚踏板踩下，就一直 运行，有固定针数限制，当脚踏板回到原位时，缝纫继续，直到完成设定针数， 才停止缝纫。由于矩形有四条边，因此需要脚踏板向前踩下四次。在矩形缝的过 程中，可以在任何一边中止，停止缝纫。这时若脚踏板向前继续踩下，则重复刚 才描述的动作；若脚踏板向后踩，判断向后踩后有无剪线标志，若有剪线标志， 执行补针子程序，可以补针；若无剪线标志，剪线键有效，完成剪线挑线动作， 最后结束。