微機(jī)控制高速平縫機(jī)兩個重要硬件系統(tǒng)的設(shè)計
摘要:主要介紹了用于微機(jī)控制的高速平縫機(jī)的兩個重要組成硬件的研制過程和工作原理。腳踏板控制器是用來控制電機(jī)轉(zhuǎn)速以及給出縫紉機(jī)的開機(jī)和剪線信號,機(jī)頭同步定位器是用來產(chǎn)生上下針位信號和機(jī)頭感應(yīng)信號,主要用在縫紉機(jī)的精確定位和電機(jī)轉(zhuǎn)速的測試。
關(guān)鍵詞:高速平縫機(jī);腳踏板;機(jī)頭同步器;霍爾傳感器
0 引言
由針線、梭線兩根縫線,通過機(jī)器的運(yùn)動形成鎖式線跡,將兩層或多層縫料縫合在一起的工業(yè)縫紉機(jī)稱為平縫機(jī)。它在縫紉業(yè)中用途最廣泛,品種也很多,是縫制設(shè)備制造行業(yè)的主導(dǎo)產(chǎn)品之一,亦是縫紉行業(yè)使用量最大的設(shè)備之一,按速度分為低速、中速和高速平縫機(jī)。
但是,目前國內(nèi)縫紉機(jī)廠家基本上是自己生產(chǎn)機(jī)械部分,而購買國外或者臺灣等一些公司的控制器,然后再組裝出售。這樣就大大增加了成本,降低了利潤。本文根據(jù)市場需求,設(shè)計了一種由196MC單片機(jī)和直流無刷電機(jī)組成的控制系統(tǒng)來控制高速平縫機(jī)。在縫紉機(jī)的研制過程中,除了主要的控制箱以外,還有兩個重要的硬件系統(tǒng),一個是腳踏控制器,另外一個是縫紉機(jī)機(jī)頭同步定位器。
1 腳踏板控制器
由微機(jī)控制的高速平縫機(jī)要求電機(jī)在150~4500r/min范圍內(nèi)可調(diào),并且能夠?qū)崿F(xiàn)自動停針位、撥線、剪線功能。當(dāng)然,縫紉機(jī)作出這些動作都是要在操作人員的具體操作下完成的,腳踏板控制器在縫紉機(jī)系統(tǒng)中起的就是這種作用:作為電機(jī)的啟動信號,速度給定信號以及剪線信號的發(fā)生控制器,下面具體分析其工作原理。
速度給定信號產(chǎn)生的基本原理是利用線性霍爾器件檢測磁場的變化,反映腳踏板連桿上的磁鐵的運(yùn)動狀況,再通過運(yùn)放對該信號進(jìn)行處理到
一定范圍內(nèi)(0~5V),提供給控制板上的單片機(jī),以進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換,從而實(shí)現(xiàn)用腳踏板控制速度的大小。
霍爾電動勢為
UH=KHICB=ICB(1)
式中:KH為霍爾元件靈敏度;
IC為控制電流;
B為磁感應(yīng)強(qiáng)度;
RH為霍爾系數(shù),由材料決定,N型半導(dǎo)體RH=1/(nq),其中n為載流子濃度,q為電子電荷量;
d為霍爾元件厚度。
由式(1)可以看到,對于確定的霍爾器件,UH決定于控制電流IC和磁感應(yīng)強(qiáng)度B。若保持IC不變,則UH就可以在一定的磁感應(yīng)強(qiáng)度范圍內(nèi)隨B線性變化,所以,關(guān)鍵問題就是使UH∝B。在給定的磁鐵和外形尺寸下,本文選用以InSb為材料的線性霍爾傳感器HW300B。其基本的資料可以參見HW300B的Data Sheet,這里僅給出其最基本的UH與B的線性曲線圖,如圖1所示。圖1中Vc為控制端所加的電壓,Ic為控制電流。
圖1 HW300B的UH~B曲線圖
腳踏板控制器除了給出速度給定信號外,還要給出開機(jī)和剪線信號,其基本原理是利用與腳踏板連桿相連的兩塊擋板在適當(dāng)?shù)奈恢谜趽豕怆妼艿陌l(fā)射光,從而得到反映連桿位置的兩個開關(guān)信號。
圖2為開機(jī)和剪線信號產(chǎn)生的原理圖,具有4個引腳的器件是光電對管,其腳2及腳4為發(fā)光二極管,腳1及腳3為輸出三極管。當(dāng)對管沒有被遮擋時,輸出三極管導(dǎo)通,腳3為低電平,外接的三極管截至,開關(guān)信號為高;當(dāng)對管被遮擋時,輸出三極管截至,腳3為高電平,外接的三極管導(dǎo)通,開關(guān)信號為低。這樣,就可以實(shí)現(xiàn)所要求的功能。
圖2 開機(jī)和剪線信號原理圖
在具體的應(yīng)用過程中,還有一個各信號配合使用的問題,也就是說,當(dāng)腳踏連桿位置變化時,上述3個信號出現(xiàn)的時序問題,為了說明這個問題,我們先定義一個說明問題的方法,即連桿的運(yùn)動我們用角度來度量,該角度定義為運(yùn)動時連桿軸線與連桿靜止時的軸線之間的夾角,向開機(jī)的方向運(yùn)動稱為正向,向剪線方向運(yùn)動稱為反向。
縫紉機(jī)對于這3個信號的要求是,當(dāng)開機(jī)信號到來的時候,要求速度信號Vs不能超過0V,否則,進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換以后會超過縫紉機(jī)設(shè)定的最低轉(zhuǎn)速,應(yīng)該選擇在低于0V為宜;開機(jī)以后速度隨連桿角度的變化作線性變化,在接近角度最大值時達(dá)到運(yùn)放最大飽和輸出;當(dāng)連桿反向運(yùn)動過程中,先有剪線信號,然后再有開機(jī)信號;經(jīng)過調(diào)節(jié)以后的各信號的測試曲線圖如圖3所示。橫坐標(biāo)就是連桿運(yùn)動的角度,單位為度。對電路參數(shù)進(jìn)行適當(dāng)調(diào)節(jié),就可以得到正常工作時的曲線。
圖3 正常工作時腳踏板各信號配合波形
2 機(jī)頭同步定位器與速度傳感器
微機(jī)控制縫紉機(jī)的一個重要指標(biāo)是停機(jī)位置的準(zhǔn)確度,這里包括上針位和下針位的停機(jī),所以,縫紉機(jī)在這兩個位置必須各給出一個信號,單片機(jī)才可以通過檢測這兩個信號來控制電機(jī)停止。還有,如果要檢測縫紉機(jī)的轉(zhuǎn)速,可以通過機(jī)頭的速度傳感器來檢測,這樣,實(shí)際上機(jī)頭同時具有上述兩種功能。
上下針位信號的產(chǎn)生主要是依靠安裝在機(jī)頭上的兩塊極性相反的磁鐵(跟著電機(jī)旋轉(zhuǎn)),對兩個相反安裝的開關(guān)型霍爾傳感器(固定)作用,即每塊磁鐵僅對應(yīng)一個傳感器起作用。當(dāng)機(jī)頭旋轉(zhuǎn)到上針位或下針位位置上時,相應(yīng)的開關(guān)霍爾傳感器因?yàn)榇艌龅竭_(dá)其跳變的閾值,而產(chǎn)生輸出跳變,也就是需要的開關(guān)信號。速度檢測信號產(chǎn)生的基本原理是機(jī)頭內(nèi)包含一個環(huán)形空心鐵環(huán),其內(nèi)環(huán)為一個均勻分布、互相咬合的24對齒槽,空心環(huán)內(nèi)繞有線圈,則整個裝置相當(dāng)于一個24對極的感應(yīng)電機(jī),能夠產(chǎn)生頻率為轉(zhuǎn)速24倍的輸出感生電動勢。
開關(guān)型霍爾傳感器應(yīng)用非常簡單,僅按照典型接法即可。這里選用的是Allegro公司的U3144。外圍電路僅須連接一個輸入電阻與一個輸出上拉電阻。圖4為開關(guān)霍爾傳感器的典型應(yīng)用接法,圖5為該器件典型的動作與釋放磁感應(yīng)強(qiáng)度曲線圖。
圖4 開關(guān)霍爾傳感器的典型應(yīng)用接法
從圖5可以看到,該器件在Vo~B曲線上存在一個遲滯,提供一個有一定脈寬的信號。上、下針位信號對應(yīng)的傳感器要互相相反地安裝,因?yàn)橄鄳?yīng)的磁鐵也是相反安裝,則每個傳感器在機(jī)頭旋轉(zhuǎn)一周僅動作一次。
圖5 U314X動作與釋放磁感應(yīng)強(qiáng)度與溫度關(guān)系曲線圖
3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果和總結(jié)
本文所介紹的兩個硬件已經(jīng)應(yīng)用在微機(jī)控制的高速平縫機(jī)中了,而且性能良好,工作穩(wěn)定,能夠達(dá)到預(yù)先的要求。圖6為腳踏板控制器的輸出開機(jī)信號和速度控制給定信號。圖7為上下針位的信號。
圖6 開機(jī)信號和速度給定信號
圖7 上下針位信號