微機控制高速平縫機兩個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轉速以及給出縫紉機的開機和剪線信號，機頭同步定位器是用來產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、梭線兩根縫線，通過機器的運動形成鎖式線跡，將兩層或多層縫料縫合在一起的工業縫紉機稱為平縫機。它在縫紉業中用途最廣泛，品種也很多，是縫制設備制造行業的主導產品之一，亦是縫紉行業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，目前國內縫紉機廠家基本上是自己生產機械部分，而購買國外或者***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。本文根據市場需求，設計了一種由196MC單片機和直流無刷電機組成的控制系統來控制高速平縫機。在縫紉機的研制過程中，除了主要的控制箱以外，還有兩個重要的硬件系統，一個是腳踏控制器，另外一個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，并且能夠實現自動停針位、撥線、剪線功能。當然，縫紉機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系統中起的就是這種作用：作為電機的啟動信號，速度給定信號以及剪線信號的發生控制器，下面具體分析其工作原理。

??? 速度給定信號產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動狀況，再通過運放對該信號進行處理到

??? 一定范圍內（0～5V），提供給控制板上的單片機，以進行A/D轉換，從而實現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線性變化，所以，關鍵問題就是使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的位置遮擋光電對管的發射光，從而得到反映連桿位置的兩個開關信號。

??? 圖2為開機和剪線信號產生的原理圖，具有4個引腳的器件是光電對管，其腳2及腳4為發光二極管，腳1及腳3為輸出三極管。當對管沒有被遮擋時，輸出三極管導通，腳3為低電平，外接的三極管截至，開關信號為高；當對管被遮擋時，輸出三極管截至，腳3為高電平，外接的三極管導通，開關信號為低。這樣，就可以實現所要求的功能。

圖2??? 開機和剪線信號原理圖

??? 在具體的應用過程中，還有一個各信號配合使用的問題，也就是說，當腳踏連桿位置變化時，上述3個信號出現的時序問題，為了說明這個問題，我們先定義一個說明問題的方法，即連桿的運動我們用角度來度量，該角度定義為運動時連桿軸線與連桿靜止時的軸線之間的夾角，向開機的方向運動稱為正向，向剪線方向運動稱為反向。

??? 縫紉機對于這3個信號的要求是，當開機信號到來的時候，要求速度信號Vs不能超過0V，否則，進行A/D轉換以后會超過縫紉機設定的最低轉速，應該選擇在低于0V為宜；開機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到運放最大飽和輸出；當連桿反向運動過程中，先有剪線信號，然后再有開機信號；經過調節以后的各信號的測試曲線圖如圖3所示。橫坐標就是連桿運動的角度，單位為度。對電路參數進行適當調節，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??? 機頭同步定位器與速度傳感器

??? 微機控制縫紉機的一個重要指標是停機位置的準確度，這里包括上針位和下針位的停機，所以，縫紉機在這兩個位置必須各給出一個信號，單片機才可以通過檢測這兩個信號來控制電機停止。還有，如果要檢測縫紉機的轉速，可以通過機頭的速度傳感器來檢測，這樣，實際上機頭同時具有上述兩種功能。

??? 上下針位信號的產生主要是依靠安裝在機頭上的兩塊極性相反的磁鐵（跟著電機旋轉），對兩個相反安裝的開關型霍爾傳感器（固定）作用，即每塊磁鐵僅對應一個傳感器起作用。當機頭旋轉到上針位或下針位位置上時，相應的開關霍爾傳感器因為磁場到達其跳變的閾值，而產生輸出跳變，也就是需要的開關信號。速度檢測信號產生的基本原理是機頭內包含一個環形空心鐵環，其內環為一個均勻分布、互相咬合的24對齒槽，空心環內繞有線圈，則整個裝置相當于一個24對極的感應電機，能夠產生頻率為轉速24倍的輸出感生電動勢。

??? 開關型霍爾傳感器應用非常簡單，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為開關霍爾傳感器的典型應用接法，圖5為該器件典型的動作與釋放磁感應強度曲線圖。