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1、课程设计说明书（论文）课程名称： 自动控制元件及线路 设计题目： 工业缝纫机系统设计 目录第1章 绪言31.1工业缝纫机的现状与发展31.1.1工业缝纫机的市场前景31.1.2工业缝纫机驱动电机的发展31.2工业缝纫机的机械组成31.3需求分析与性能指标3第二章 电机选型与驱动方案32.1电机方案对比32.1.1 直流有刷电机方案32.1.2 交流异步电机32.1.3 小功率同步电机32.1.4步进电机32.1.5永磁交流电机32.2电机具体型号与传动机构选择32.2.1刺线机构的结构分析与运动分析32.2.2传动机构的选取32.2.3电机的期望转速计算32.2.4电机的输出力矩计算32.2.
2、5电机选型32.3驱动方案32.3.1 桥式逆变电路32.3.2 驱动芯片32.3.3 驱动框架3第三章 测量元件33.1传感器介绍33.1.1旋转变压器33.1.2感应同步器33.1.3编码器encoder33.1.4光栅grating33.1.5霍尔电流传感器Hall Current Sensor33.2测量元件选型33.2.1位置测量33.2.2速度测量33.2.3电流测量3第四章 控制系统34.1三闭环PID控制策略34.2制动方式34.2.1工业缝纫机制动方法介绍34.2.2制动方式选择3第五章 总结35.1系统评价与结论：35.2参考资料：3第1章 绪言1.1工业缝纫机的现状与发展
3、1.1.1工业缝纫机的市场前景缝纫机是制衣成套设备这个大家庭中最大的家族，也是最古老、应用面最广的门类。不单是制衣业要用到缝纫机，制鞋业、制帽业、手提包业等凡是有缝接的地方都要用到缝纫机。自1790 年由英国人汤姆斯发明第一台缝纫机以来，经过200 多年的发展，到目前为止，世界上生产的缝纫机有4000 多种，已从初期的手摇机时代步入机械电子时代，应用范围由初期只能用于简单的工序缝制到现在能满足所有缝制生产工序要求，速度由初期的每分钟几百转提高到现在的几千转甚至上万转。缝纫机性能的稳定性、可靠性及振动、噪声和自动化功能都已达到一个很高的水平。目前，就缝纫机产业而言，世界上年产各种缝纫机约1800
4、 万台，缝纫机销售额在6070 亿美元左右，这几年来几乎一直维持在这一水平。按品种分：普通家用缝纫机约450 多万台，主要由中国生产；多功能家用缝纫机约500 多万台，主要产地有中国（包括台湾地区）、日本和巴西；平缝机系列约400 多万台，包缝机系列也有300 多万台，主要产地有中国（包括台湾地区）、日本、德国、意大利和韩国等；绷缝机系列有几十万台；其他特种缝纫机包括钉口机、锁眼机、套结机、暗缝机、刺绣机、封包机及一些具有独特功能的缝纫机械有近百万台。从国际产业的形势来看，国际缝纫机制造产业经过几次大的转移，发生了国际产业结构的大变动。德国百福、美国胜家公司和日本胜家日钢相继倒闭停产，杜可普、
5、重机等主要厂家裁减人员。使中国成为目前仅有的几个缝纫机主要生产基地之一。国有企业积极改革逐步走出困境，民营企业发展势头强劲，三资企业迅速发展。行业内多次组织出国参展，每次都取得了较好的效果，企业在国际上的知名度大大提高，很多国家的缝纫机经销商对我国缝纫设备越来越感兴趣。综上所述，可以看出缝纫机具有广阔的市场前景。1.1.2工业缝纫机驱动电机的发展随着工业缝纫机的不断发展，驱动工业缝纫机的电动机及其控制技术也在不断地发展，到目前为止已经有四代产品，即摩擦片式异步电动机（离合器电机）、涡流式异步电动机、混合步进式电动机和交流伺服电动机。因为产品可靠、价格便宜，离合器电机应用最为广泛，目前主要应用在
6、中低档的工业缝纫机上。交流伺服电动机从80年代后期开发应用以来，因为优越的性能满足了工业缝纫机机电一体化的发展方向，已被高档工业缝纫机广泛采用。随着交流伺服电动机的大量应用，其他两类产品的市场份额逐渐下降。1） 离合器电机是工业缝纫机上应用时间最长的电机，主要由异步电动机、离合器和刹车片构成。通电后，电动机一直在运转，当离合器合上，带动缝纫机工作，松开离合器，靠刹车片的摩擦，缝纫机快速刹车。主要的优点是结构简单可靠，启动和刹车时间短，满足工业缝纫机快速启停的要求，行业应用量大、成本低，中低端的工业缝纫机主要采用离合器电机。缺点是整机效率低，特别缝纫机停止期间，电机仍然在工作并耗电，同时，离合器
7、和摩擦片需定期更换，维护工作量较大。为了满足定位定针的要求，摩擦片式电子定位定针电动机也有应用，特点是起步快，但速度和针位控制精度差，且摩擦片的磨损会影响定位的可靠性，需经常保养和维护。2） 针对擦片式电子定位定针电动机的缺点，涡流式异步电动机应运而生，主要由异步电动机、涡流式电磁转差离合器和直流励磁电源等三个部分组成，通过控制励磁电流改变磁场强度，使离合器产生大小不同的转矩，从而达到调速的目的。涡流式异步电动机的优点是结构比较简单，可无级调速，维护方便，运行可靠，调速范围也比较宽，对电网无干扰。缺点是高速区调速特性软，不能全速运行；低速区调速效率比较低。3） 混合步进式定位定针电动机由混合式
8、步进电动机和相应的步进控制器构成，具有控制方便的优点，但启动频率、运行频率达不到高速工业缝纫机的要求，定针精度仍不理想。4） 交流伺服电动机主要由伺服电机（PMSM、BLDCM）、光学编码器、伺服控制器和模式盒构成。当脚踩下踏板时，伺服控制器检测到变化，启动电机运转，并快速到达设定的转速，松开踏板，伺服控制器根据光学编码器的位置信号，把缝纫机停在设定的位置。采用永磁同步电机的交流伺服系统，电机采用铷铁硼，因而转动惯量小、体积小、重量轻、动态性能好，调速比达1：10000，具有定位精度高、节能效果好、寿命长、免维护、能在恶劣环境下使用等特点，目前价格也比较高，交流永磁同步伺服系统主要应用在高档的
9、工业缝纫机上。综上所述，工业缝纫机电机从离合器电机发展到交流伺服电动机，顺应了工业缝纫机从简单控制到自动化和机电一体化的发展过程，不同的电机满足不同自动化程度的要求。由于低档的工业缝纫机仍然有大量的需求，因此离合器电机仍然会占一定的市场比例。为了解决离合器电机能耗问题，市场上出现了有刷直流电机（俗称节能电机），产品有一定的节能效果，但是因为碳刷的存在，维护工作量大。目前，市场上又出现了一种新的产品，是在交流伺服电动机的基础上，采用异步电动机，去掉一些复杂的功能，仅保留了无级调速、定针和剪线等功能，成本大大降低，满足了中高档工业缝纫机对自动控制功能、节能和控制成本的综合要求。但是，从目前的市场趋
10、势来看，交流伺服电动机是发展方向，不过目前价格较高，主要应用在高档的产品上。因此，我们本篇的研究就是基于永磁交流伺服电机系统的工业缝纫机设计。1.2工业缝纫机的机械组成图 1.2-1 S-7300A工业缝纫机工业缝纫机的组成包括：机体部分、针杆和挑线装置、压脚装置、送料装置、膝控提升装置、倒缝装置、旋梭装置、穿线装置、绕线装置、切线装置、松线装置、扫线装置、控制箱和马达装置等等。工业缝纫机的结构精巧、紧凑，而且复杂，多个电机控制多个不同的功能单元，因此本文仅对针头的伺服控制进行设计与实现，也就是刺线装置的伺服机构。以日本Brother公司生产的S-7300A工业缝纫机为例，右侧是此缝纫机的外形
11、图。缝纫机刺线部分的基本工作原理如下图所示。针头带动棉线上下往复运动，与挑线装置配合，进而完成缝纫工作。图1.2-2 刺线装置结构图1.3需求分析与性能指标表1.3-1是S-7300A的基本参数表，参照此缝纫机的相关参数，同时参照一些文献的设计指标，我们列出了如下指标要求。首先，工业缝纫机要求起动轻柔、迅速，起动时间小于200ms；停针迅速、准确，制动时间小于100ms；要求缝纫机停位精度控制在皮带轮对应的上下针位2.50mm以内，缝纫机的定位精度要求在上下针位3度范围以内；制动后缝纫机从高速到停止动作连惯，没有滞后的痕迹；表1.3-1 S-7300A的基本参数表2,000 sti/min缝纫
12、速度起码能达到2000 sti/min。第二章 电机选型与驱动方案122.1电机方案对比对于电机选型，在背景介绍中已经粗略的讲过目前的发展趋势是永磁交流伺服电机，下面对不同的电机方案进行具体的对比分析。2.1.1 直流有刷电机方案考虑到缝纫机要求的快速启动、停车的性能要求，我们直接想到的就是直流有刷电机，它的启动、制动转矩大，易于快速启动、停车。同时，直流电机的调速范围广，易于无极调速，也具备良好的线性控制特性，动、静态控制性能好。但是，直流有刷电机的电刷和换向器结构导致电机的应用维护性差，安全性、适用性差，这些限制对于工业缝纫机的性能要求显然是不利的，因此不能用直流有刷电机。2.1.2 交流
13、异步电机交流异步电机配合离合器，也就是传统的也是现在低档缝纫机普遍采取的电机选择。之所以选择交流异步电机，是因为它的结构简单，维护容易，也可以满足频繁的启动、制动需求。它主要由异步电动机、离合器和刹车片构成。通电后，电动机一直在运转，当离合器合上，带动缝纫机工作，松开离合器，靠刹车片的摩擦，缝纫机快速刹车。主要的优点是结构简单可靠，启动和刹车时间短，满足工业缝纫机快速启停的要求，行业应用量大、成本低，中低端的工业缝纫机主要采用离合器电机。缺点是整机效率低，特别缝纫机停止期间，电机仍然在工作并耗电，同时，离合器和摩擦片需定期更换，维护工作量较大。2.1.3 小功率同步电机小功率同步电机普遍（永磁
14、式和磁阻式）存在启动困难的缺陷，需要辅助电机、异步或变频等方法启动，并不适合需要频繁启停的缝纫机系统。即便是可以自启动的磁滞式同步电机，它的弱阻尼导致的易震荡缺陷也是缝纫机所不能容忍的，再加上它成本高，功率因数又低，因此它没有考虑的必要。至于电磁减速式同步电机，它的每分钟只有百转左右的转速，远不能满足缝纫机要求的千转级转速。2.1.4步进电机虽然步进电机的控制原理简单，能实现数字控制，但是它的不足也是显而易见的。首先是控制精度，两相混合式步进电机步距角一般是3.6、1.8，五相混合式步进电机步距角一般是0.72、0.36，如果再想提高精度，相应的成本则会大大增加，对于缝纫机来说不经济实用。此外
15、，由于自身开环控制的缺陷，决定了它会受到启动频率的限制，不适合缝纫机频繁且快速的启停工作环境。同时，开环控制可能造成它在工作中出现丢步或堵转的问题、停转时转速过高易出现过冲的现象，这都会造成缝纫机缝毁布料的悲剧。最后，步进电机的最高工作转速一般在300600rpm，不能满足缝纫机的高转速需求。2.1.5永磁交流电机交流伺服电机的控制精度由旋转编码器保证，可达到角秒级；而且运行非常平稳，即使在低速时也不会出现震动；恒力矩输出，额定转速一般在2000rpm3000rpm，非常适合缝纫机的转速要求，同时在额定功率下能实现恒功率输出，也是很好的特性；闭环控制，控制性能更为可靠；速度响应特性好，适合要求快速启停的场合；永磁交流电机的转子部分是永磁结构，而非电励磁，因此耗电显著降低，节约能源。但是永磁交流电机还分为无刷直流电机（BLDCM）和永磁同步电机（PMSM），目前市场上的趋势是无刷直流电机正在取代传统的离合式缝纫机，之所以主流不是PMSM，是因为PMSM的控制器成本太高，更适合于高精度驱动伺服系统，普通的中高档
