微機控制高速平縫機兩個(gè)重要硬件系統的設計

摘要：主要介紹了用于微機控制的高速平縫機的兩個(gè)重要組成硬件的研制過(guò)程和工作原理。腳踏板控制器是用來(lái)控制電機轉速以及給出縫紉機的開(kāi)機和剪線(xiàn)信號，機頭同步定位器是用來(lái)產(chǎn)生上下針位信號和機頭感應信號，主要用在縫紉機的精確定位和電機轉速的測試。

關(guān)鍵詞：高速平縫機；腳踏板；機頭同步器；霍爾傳感器

0 引言

由針線(xiàn)、梭線(xiàn)兩根縫線(xiàn)，通過(guò)機器的運動(dòng)形成鎖式線(xiàn)跡，將兩層或多層縫料縫合在一起的工業(yè)縫紉機稱(chēng)為平縫機。它在縫紉業(yè)中用途最廣泛，品種也很多，是縫制設備制造行業(yè)的主導產(chǎn)品之一，亦是縫紉行業(yè)使用量最大的設備之一，按速度分為低速、中速和高速平縫機。

但是，目前國內縫紉機廠(chǎng)家基本上是自己生產(chǎn)機械部分，而購買(mǎi)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。本文根據市場(chǎng)需求，設計了一種由196MC單片機和直流無(wú)刷電機組成的控制系統來(lái)控制高速平縫機。在縫紉機的研制過(guò)程中，除了主要的控制箱以外，還有兩個(gè)重要的硬件系統，一個(gè)是腳踏控制器，另外一個(gè)是縫紉機機頭同步定位器。

1 腳踏板控制器

由微機控制的高速平縫機要求電機在150～4500r/min范圍內可調，并且能夠實(shí)現自動(dòng)停針位、撥線(xiàn)、剪線(xiàn)功能。當然，縫紉機作出這些動(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系統中起的就是這種作用：作為電機的啟動(dòng)信號，速度給定信號以及剪線(xiàn)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(xiàn)性霍爾器件檢測磁場(chǎng)的變化，反映腳踏板連桿上的磁鐵的運動(dòng)狀況，再通過(guò)運放對該信號進(jìn)行處理到

一定范圍內（0～5V），提供給控制板上的單片機，以進(jìn)行A/D轉換，從而實(shí)現用腳踏板控制速度的大小。

霍爾電動(dòng)勢為

UH=KHICB=ICB（1）

式中：KH為霍爾元件靈敏度；

IC為控制電流；

B為磁感應強度；

RH為霍爾系數，由材料決定，N型半導體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和磁感應強度B。若保持IC不變，則UH就可以在一定的磁感應強度范圍內隨B線(xiàn)性變化，所以，關(guān)鍵問(wèn)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(xiàn)性霍爾傳感器HW300B。其基本的資料可以參見(jiàn)HW300B的Data Sheet，這里僅給出其最基本的UH與B的線(xiàn)性曲線(xiàn)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(xiàn)圖

腳踏板控制器除了給出速度給定信號外，還要給出開(kāi)機和剪線(xiàn)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的位置遮擋光電對管的發(fā)射光，從而得到反映連桿位置的兩個(gè)開(kāi)關(guān)信號。

圖2為開(kāi)機和剪線(xiàn)信號產(chǎn)生的原理圖，具有4個(gè)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。當對管沒(méi)有被遮擋時(shí)，輸出三極管導通，腳3為低電平，外接的三極管截至，開(kāi)關(guān)信號為高；當對管被遮擋時(shí)，輸出三極管截至，腳3為高電平，外接的三極管導通，開(kāi)關(guān)信號為低。這樣，就可以實(shí)現所要求的功能。

圖2 開(kāi)機和剪線(xiàn)信號原理圖

在具體的應用過(guò)程中，還有一個(gè)各信號配合使用的問(wèn)題，也就是說(shuō)，當腳踏連桿位置變化時(shí)，上述3個(gè)信號出現的時(shí)序問(wèn)題，為了說(shuō)明這個(gè)問(wèn)題，我們先定義一個(gè)說(shuō)明問(wèn)題的方法，即連桿的運動(dòng)我們用角度來(lái)度量，該角度定義為運動(dòng)時(shí)連桿軸線(xiàn)與連桿靜止時(shí)的軸線(xiàn)之間的夾角，向開(kāi)機的方向運動(dòng)稱(chēng)為正向，向剪線(xiàn)方向運動(dòng)稱(chēng)為反向。

縫紉機對于這3個(gè)信號的要求是，當開(kāi)機信號到來(lái)的時(shí)候，要求速度信號Vs不能超過(guò)0V，否則，進(jìn)行A/D轉換以后會(huì )超過(guò)縫紉機設定的最低轉速，應該選擇在低于0V為宜；開(kāi)機以后速度隨連桿角度的變化作線(xiàn)性變化，在接近角度最大值時(shí)達到運放最大飽和輸出；當連桿反向運動(dòng)過(guò)程中，先有剪線(xiàn)信號，然后再有開(kāi)機信號；經(jīng)過(guò)調節以后的各信號的測試曲線(xiàn)圖如圖3所示。橫坐標就是連桿運動(dòng)的角度，單位為度。對電路參數進(jìn)行適當調節，就可以得到正常工作時(shí)的曲線(xiàn)。

圖3 正常工作時(shí)腳踏板各信號配合波形