隨著制衣工業(yè)的規(guī)?；l(fā)展, 工業(yè)縫紉機發(fā)展迅猛, 每年生產(chǎn)工業(yè)用縫紉機在幾百萬臺, 主要機型有單針、雙針平縫機、包縫機、套結(jié)機、釘扣機、鎖眼機、曲折縫、繃縫機、封包機和繡花機[3]。從現(xiàn)有的情況, 除繡花機外, 其它種類的縫紉機仍然屬于機械類產(chǎn)品為主, 這已遠遠不能滿足規(guī)?；l(fā)展的制衣業(yè)的要求。為了提高縫制效率和質(zhì)量, 都希望縫紉機具備自動剪線、自動松線、自動返縫、自動撥線和自動抬壓腳等功能, 而傳統(tǒng)的工業(yè)縫紉機, 主軸驅(qū)動大多采用離合器電機, 其它功能都靠機械配合或人工完成, 存在效率低, 體積大, 調(diào)速范圍窄, 位置控制難, 造成縫紉機的功能單一, 自動化程度低。為此, 80年代開始, 國外開始研究工業(yè)縫紉機用交流伺服電動機系統(tǒng)。在此基礎(chǔ)上完成其它自動功能。1986年以來,德國的杜克普/阿德勒（DURKOOP/ALDER）、日本的重機（JUKI）、日本的三菱（MITSUBISHI）、日本的兄弟（BROTHER）等均已推出了其相應(yīng)產(chǎn)品, 將交流伺服電動機運用到各類工業(yè)縫紉機中, 實現(xiàn)了工業(yè)縫紉機的電子化, 并以每年12%的遞增速度替代原有的離合器電機等傳統(tǒng)電機。我國目前也有多家單位正在研究機電一體化、數(shù)字化工業(yè)縫紉機, 還處于樣機試制和小批量生產(chǎn)階段, 在2003年的工業(yè)縫紉機展覽會上, 工業(yè)縫紉機仍是國外或獨資、合資產(chǎn)品唱主角, 隨著服裝加工企業(yè)的規(guī)?；?jīng)營, 服裝產(chǎn)品的檔次提升, 加工企業(yè)對縫紉機的需求多樣化, 國內(nèi)企業(yè)正在加大力度研制開發(fā), 在2004年的工業(yè)縫紉機展覽會上會有更多的數(shù)字化產(chǎn)品。

1 電氣控制系統(tǒng)

縫紉機電氣系統(tǒng)包括控制器、驅(qū)動器、電機和電磁鐵, 如圖1所示。
控制器又稱為模式盒控制縫紉機完成不同的線跡, 它的功能隨縫紉機的種類不同而不同,主要分為兩類, 一類是控制單臺電機即主驅(qū)動電機的運動, 借助電磁鐵完成其它的輔助功能,如撥線、剪線、松線、前后加固、抬壓腳, 對應(yīng)的縫紉機有單針、雙針平縫機、包縫機、繃縫機、封包機。另一類則控制多臺電機的協(xié)調(diào)動作,如繡花機、套結(jié)機、釘扣機、鎖眼機, 還有控制針桿復(fù)合運動的曲折縫縫紉機。雖然這些控制器功能各異, 但硬件構(gòu)成卻基本相同。主要由操作者輸入?yún)?shù)的旋鈕、按鍵, 顯示工作參數(shù)的數(shù)碼管、液晶顯示器, 對操作命令、傳感器信號、執(zhí)行機構(gòu)（電機、電磁鐵）進行運算、判斷、控制的微控制器組成。硬件通用性強, 軟件則隨不同的縫紉機而異。 驅(qū)動器是電氣系統(tǒng)的核心, 它將控制信號轉(zhuǎn)變成執(zhí)行機構(gòu)的驅(qū)動信號,起著橋梁的作用。同樣也由硬件和軟件構(gòu)成。硬件除了微控制器及其它集成電路外, 還有功率器件構(gòu)成, 軟件則取決于不同種類的電機。與控制器類似, 驅(qū)動器的硬件具有可移植性, 相同功率的不同種類的電機可兼用。用于縫紉機的電機主要有感應(yīng)電機、步進電機和永磁同步伺服電機。功率范圍從400W到1500W，zui高轉(zhuǎn)速從每分鐘數(shù)百轉(zhuǎn)到9000轉(zhuǎn)[2]。

電磁鐵作為電氣系統(tǒng)的一部分, 也應(yīng)充分重視。 諸如上述提及的輔助功能, 都由電磁鐵作為執(zhí)行元件完成的。電磁鐵的力能參數(shù)、響應(yīng)過程對剪線速度、前后加固速度及線跡的美觀至關(guān)重要。

2 電氣系統(tǒng)的開發(fā)

目前我國市場上還沒有自己生產(chǎn)的成熟伺服產(chǎn)品, 進口的伺服產(chǎn)品價格高昂, 無法形成配套能力, 必須自主開發(fā)。構(gòu)成電氣系統(tǒng)的三部分依研制開發(fā)的技術(shù)難度從低到高依次為:控制器、電機和驅(qū)動器。

（1） 控制器

三部分中、技術(shù)zui成熟、實現(xiàn)zui容易、見效zui快。其構(gòu)成與市場上存在多年的單片機應(yīng)用系統(tǒng)相似, 具有借鑒作用。

（2） 電機

以上種類的電機中, 感應(yīng)電機技術(shù)zui成熟, 但目前產(chǎn)品中仍沿用傳統(tǒng)的電磁滑差調(diào)速方法。電機經(jīng)過改進和優(yōu)化設(shè)計,可用變頻器替代機械離合器調(diào)速。步進電機經(jīng)過十多年的發(fā)展已趨成熟, 用在高速而且頻繁起停的情況下, 動態(tài)響應(yīng)性能需提高。永磁同步伺服電機已進入發(fā)展期, 愈來愈引起工業(yè)界的重視。單從電機本身來看, 國內(nèi)廠家*具備與國外廠家競爭的能力, 如設(shè)計能力、價格水平、制造工藝等。

（3） 驅(qū)動器

驅(qū)動器是制約電氣系統(tǒng)產(chǎn)業(yè)化的瓶頸, 主要技術(shù)原因有兩部分:

一是復(fù)雜準(zhǔn)確的電機模型難以在傳統(tǒng)的單片機上實現(xiàn);

二是功率電子器件的可靠性及系統(tǒng)設(shè)計水平低下, 由于近年數(shù)字信號處理器（DSP）和智能功率模塊（ASIPM）的發(fā)展, 難度大大降低。

從縫紉機的性能要求和市場發(fā)展方向來看, 永磁同步伺服電機及驅(qū)動器起著至關(guān)重要的作用, 是電氣系統(tǒng)中技術(shù)難度zui高的部分, 是開發(fā)縫紉機電氣系統(tǒng)的突破口, 它的成功開發(fā)可將其技術(shù)演化到其它種類的電機和驅(qū)動器上, 起到事半功倍的效果。

3 開發(fā)實例

上工集團近來分別開發(fā)了平縫機和套結(jié)機兩種電氣系統(tǒng), 兩種系統(tǒng)的控制器框圖分別如圖2和圖3所示。
（1） 平縫機

圖2中, DSP接收鍵盤輸入的命令, 如縫紉模式、輔助功能。腳踏板位置決定縫紉速度及剪線、抬壓腳等功能, 信號由4位數(shù)字編碼形成。針桿位置傳感器為安裝在伺服電機軸端的編碼器, DSP對編碼器的A、B、Z脈沖計數(shù),決定上、下針位，并在特定位置觸發(fā)相應(yīng)電磁鐵動作。DSP輸出脈沖和電平信號控制伺服電機驅(qū)動器，脈沖個數(shù)控制針桿的位置，脈沖頻率決定針桿的速度，電平信號控制針桿的旋轉(zhuǎn)方向。

（2） 套結(jié)機

圖3與圖2不同的是需要控制X、Y方向的步進電機驅(qū)動器, 步進電機的控制信號與伺服電機驅(qū)動器相同, 控制器根據(jù)伺服電機的位置和速度控制步進電機的起停。X、Y方向的傳感器決定縫紉不同花樣時套結(jié)機的機械原點。（3） 兩種縫紉機的主驅(qū)動電機—永磁同步伺服電機

兩種縫紉機的主驅(qū)動電機都采用永磁同步伺服電機, 如圖4（a）所示, 輸入電壓190V到240V, 額定功率375W, 恒轉(zhuǎn)矩運行到6000r/min。面裝式磁鋼結(jié)構(gòu)保證電機能以高的功率因數(shù)運行。分數(shù)槽繞組有效地抑制了齒諧波, 減小了振動和噪聲。較低的轉(zhuǎn)矩波動, 使縫紉機有寬廣的速度調(diào)節(jié)范圍, 并能快速準(zhǔn)確停車。安裝該電機的縫紉機實物照片如圖4（b）所示。圖4（c）為平縫機的控制器。
（4） 驅(qū)動器
驅(qū)動器如圖5所示, 由DSP和ASIPM組成, 對永磁同步電機實行磁場定向控制。功率變換由ASIPM完成, 內(nèi)部集成了整流、逆變、前置驅(qū)動、多種保護等功能, 與DSP電平兼容。DSP的正交編碼器和捕獲單元電路對位置信號進行處理,與控制器發(fā)出的命令信號比較, PI調(diào)節(jié)后得到轉(zhuǎn)矩電流分量iq*。DSP內(nèi)部的模數(shù)轉(zhuǎn)換器將來自電流傳感器的模擬信號轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號, 經(jīng)靜止的Clark變換和旋轉(zhuǎn)的Park變換, 得到實際的轉(zhuǎn)矩電流分量iq和磁場電流分量id, 經(jīng)電流PI調(diào)節(jié)得到旋轉(zhuǎn)的電壓分量ud和uq, Park逆變換將它們變換成靜止坐標(biāo)系中的電壓分量uα和uβ,空間矢量PWM算法對uα和uβ運算后得到PWM開關(guān)信號, 控制ASIPM的逆變部分。DSP的快速運算能力（指令周期25ns），的指令功能, 以及專為控制而集成的傳感器接口電路和PWM輸出電路, *地提高了系統(tǒng)的控制性能。

根據(jù)這些理論分析, 我們在平縫機和套結(jié)機進行了實際開發(fā), 取得了良好的效果, 現(xiàn)正在進行長時間的壽命實驗。圖6為套結(jié)機樣機縫制的部分圖案。
4 結(jié)束語

對工業(yè)縫紉機電氣系統(tǒng)的特點和分類進行了探討，概述了控制器、驅(qū)動器、電機和電磁鐵的功能, 闡述了開發(fā)電氣系統(tǒng)的技術(shù)路線及開發(fā)重點, 通過兩個開發(fā)實例, 討論了兩種控制器的異同點, 重點介紹了基于DSP的永磁同步伺服電機磁場定向控制方法, 從實驗的結(jié)果看, 取得了預(yù)期的效果, 準(zhǔn)備進入小批量生產(chǎn)。