微機(jī)控制高速平縫機(jī)兩個(gè)重要硬件系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

摘要：主要介紹了用于微機(jī)控制的高速平縫機(jī)的兩個(gè)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(lái)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(hào)，機(jī)頭同步定位器是用來(lái)產(chǎn)生上下針位信號(hào)和機(jī)頭感應(yīng)信號(hào)，主要用在縫紉機(jī)的精確定位和電機(jī)轉(zhuǎn)速的測(cè)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(dòng)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(guó)內(nèi)縫紉機(jī)廠家基本上是自己生產(chǎn)機(jī)械部分，而購(gòu)買國(guó)外或者臺(tái)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(rùn)。本文根據(jù)市場(chǎng)需求，設(shè)計(jì)了一種由196MC單片機(jī)和直流無(wú)刷電機(jī)組成的控制系統(tǒng)來(lái)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(gè)重要的硬件系統(tǒng)，一個(gè)是腳踏控制器，另外一個(gè)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(dòng)停針位、撥線、剪線功能。當(dāng)然，縫紉機(jī)作出這些動(dòng)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(dòng)信號(hào)，速度給定信號(hào)以及剪線信號(hào)的發(fā)生控制器，下面具體分析其工作原理。

速度給定信號(hào)產(chǎn)生的基本原理是利用線性霍爾器件檢測(cè)磁場(chǎng)的變化，反映腳踏板連桿上的磁鐵的運(yùn)動(dòng)狀況，再通過運(yùn)放對(duì)該信號(hào)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(dòng)勢(shì)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(duì)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(hào)外，還要給出開機(jī)和剪線信號(hào)，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?duì)管的發(fā)射光，從而得到反映連桿位置的兩個(gè)開關(guān)信號(hào)。

圖2為開機(jī)和剪線信號(hào)產(chǎn)生的原理圖，具有4個(gè)引腳的器件是光電對(duì)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(duì)管沒有被遮擋時(shí)，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(hào)為高；當(dāng)對(duì)管被遮擋時(shí)，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(hào)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(hào)原理圖

在具體的應(yīng)用過程中，還有一個(gè)各信號(hào)配合使用的問題，也就是說(shuō)，當(dāng)腳踏連桿位置變化時(shí)，上述3個(gè)信號(hào)出現(xiàn)的時(shí)序問題，為了說(shuō)明這個(gè)問題，我們先定義一個(gè)說(shuō)明問題的方法，即連桿的運(yùn)動(dòng)我們用角度來(lái)度量，該角度定義為運(yùn)動(dòng)時(shí)連桿軸線與連桿靜止時(shí)的軸線之間的夾角，向開機(jī)的方向運(yùn)動(dòng)稱為正向，向剪線方向運(yùn)動(dòng)稱為反向。

縫紉機(jī)對(duì)于這3個(gè)信號(hào)的要求是，當(dāng)開機(jī)信號(hào)到來(lái)的時(shí)候，要求速度信號(hào)Vs不能超過0V，否則，進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換以后會(huì)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(shí)達(dá)到運(yùn)放最大飽和輸出；當(dāng)連桿反向運(yùn)動(dòng)過程中，先有剪線信號(hào)，然后再有開機(jī)信號(hào)；經(jīng)過調(diào)節(jié)以后的各信號(hào)的測(cè)試曲線圖如圖3所示。橫坐標(biāo)就是連桿運(yùn)動(dòng)的角度，單位為度。對(duì)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(shí)的曲線。

圖3 正常工作時(shí)腳踏板各信號(hào)配合波形