电动缝纫机的制作方法

专利名称：电动缝纫机的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种缝纫机，尤其是一种改进了驱动结构的电动缝纫机。
背景技术：
工业用缝纫机一般采用电动机驱动，所用的电动机有异步电机、直流无刷电机和 交流伺服电机等。目前的电动缝纫机基本采用单电机驱动，电动机通过皮带或联轴器与主轴连接驱 动主轴，主轴通过同步带或者齿轮传动轴等与底轴连接，带动底轴转动。如图1所示为一种典型的缝纫机结构示意图。主要驱动结构包括主轴2、电动机通 过联轴器带动主轴2旋转，主轴2通过同步带4带动底轴3旋转，通过主轴2和底轴3带动 其他的机构运动，从而完成缝纫功能。由于主轴2需通过同步带4带动底轴3旋转，同步带4的受力大、变形大，容易磨 损。主轴2、底轴3以及连接在主轴2和底轴3上的机构连成一个整体，使缝纫机的振动大、 噪声大，振动也会影响缝纫机的缝纫质量。随着缝纫机高速、高质量的要求不断提高，以及 环保的需要，振动和噪声问题急需解决。专利200810006028. 0、200810005210. 4 和 95108467. 4 针对缝纫机的振动和噪声
对缝纫机进行了改进，有一定的效果。然而，由于缝纫机本身结构的限制，主轴2必然通过 传动机构带动底轴3旋转，使整个缝纫机耦合为一个整体，正是由于机构耦合、关联大，使 得缝纫机振动和噪声大，这是缝纫机振动和噪声的根源。基于上述现有技术中电动式缝纫机存在的缺陷，有必要提供一种磨损更小，缝纫 质量更高的缝纫机以满足工业生产和生活的需要。

发明内容
本发明要解决的技术问题在于，针对现有技术的不足，提供一种电动缝纫机，振动
小、噪声小、缝纫质量更高。为解决上述的技术问题，本发明提供一种电机缝纫机，包括机头，在所述机头上包 括主轴和底轴，还包括两个分别驱动主轴和底轴的电动机及控制器，通过控制器控制两个 电动机同步工作。优选地，在上述的电动缝纫机中，所述控制器也可为两个，分别用于控制两个电动 机工作，并且，所述两个控制器通过数据线进行同步通讯。优选地，所述电机与用于控制其工作的控制器可为一体设置。另外，在上述的电动缝纫集中，在每一电动机的轴上还包括位置检测装置，用于检 测电机轴的位置，并将该位置信息传送给相应的控制器，用于电机位置的精确控制。优选地，所述位置检测装置包括磁钢环、导磁环和磁感应元件，其特征在于，所述 导磁环由两段或多段同半径、同圆心的弧段构成，相邻两弧段留有缝隙，所述磁感应元件置 于该缝隙内，当磁钢环与导磁环发生相对旋转运动时，所述磁感应元件将感测到的磁信号转换为电压信号，并将该电压信号传输给相应的信号处理装置。优选地，所述的导磁环由两段同半径、同圆心的弧段构成，分别为1/4弧段和3/4 弧段，对应的磁感应元件为2个；或者，所述的导磁环由三段同半径的弧段构成，分别为1/3 弧段，对应的磁感应元件为3个；或者，所述的导磁环由四段同半径的弧段构成，分别为1/4 弧段，对应的磁感应元件为4个；或者，所述的导磁环由六段同半径的弧段构成，分别为1/6 弧段，对应的磁感应元件为6个。优选地，所述位置检测装置包括转子和将转子套在内部的定子，所述转子包括第 一磁钢环、第二磁钢环；其中，所述第一磁钢环和第二磁钢环可以分别固定在一电机轴上；在所述定子上，对应于第二磁钢环，以第二磁钢环的中心为圆心的同一圆周上设 有n(n = 0，1,2-n)个均勻分布的磁感应元件，所述第二磁钢环的磁极总数与以n为位数 排成的、相邻两位只有一位不同的格雷码的个数相同，磁极的极性为格雷码的首位为“0”对 应于“N”极，首位为“ 1 ”对应于“S”极；另外，在所述定子上，对应于第一磁钢环，以第一磁钢环的中心为圆心的同一圆周 上设有有m(m为2或3的整数倍)个呈一定角度分布的磁感应元件，所述第一磁钢环的磁 极总对数与第二磁钢环的磁极总数相等，并且相邻两极的极性相反；当转子相对于定子发生相对旋转运动时，所述磁感应元件将感测到的磁信号转变 为电压信号，并将该电压信号输出给一信号处理装置。优选地，在定子上对应于第一磁钢环的相邻两个磁感应元件之间的夹角，当m为2 或4时，该夹角为90° /g;当m为3时，该夹角为120° /g ；当m为6时，该夹角为60° /g， 其中，g为第二磁钢环的磁极总数。优选地，所述位置检测装置也包括转子和将转子套在内部的定子，所述转子包括 第一磁钢环、第二磁钢环；其中，所述第一磁钢环和第二磁钢环分别固定在电机轴上，所述第一磁钢环被均 勻地磁化为2n(n = 0，1，2丨11)对磁极，并且相邻两极的极性相反；所述第二磁钢环的磁极 总数为2n，其磁序按照磁序算法确定；优选地，在所述定子上，对应于第一磁钢环，以第一磁钢环的中心为圆心的同一圆 周上设有m(m为2或3的整数倍)个呈一定角度分布的磁感应元件；对应于第二磁钢环，以 第二磁钢环的中心为圆心的同一圆周上设有11(11 = 0，1，2丨11)个呈一定角度分布的磁感应 元件；当所述转子相对于定子发生相对旋转运动时，所述磁感应元件将感测到的磁信号 转变为电压信号，并将该电压信号输出给一信号处理装置。进一步，在定子上对应于第二磁钢环的相邻两个磁感应元件之间的夹角为 360° /2n。更进一步地，在定子上对应于第一磁钢环相邻两个磁感应元件之间的夹角，当m 为2或4时，每相邻两个磁感应元件之间的夹角为90° /2n，当m为3时，每相邻两个磁感应 元件之间的夹角为120° /2n;当m为6时，每相邻两个磁感应元件之间的夹角为60° /2n。另外，所述位置检测装置还包括两个内置于定子内表面、分别与第一磁钢环、第一 磁钢环对应的导磁环，每一所述导磁环是由多个同圆心、同半径的弧段构成，相邻两弧段留有空隙，对应于两个磁钢环的磁感应元件分别设在该空隙内。在本发明中，在所述电动缝纫机中，所述的导磁环的弧段端部设有倒角。优选地，所述倒角为沿轴向或径向或同时沿轴向、径向切削而形成的倒角。另外，在所述电动缝纫机中，所述控制器包括一控制模块，该控制模块包括第一、 二电机控制子模块和同步控制子模块；优选地，所述第一、二电机控制子模块分别用于控制两个电动机工作，所述同步信 号控制子模块用于根据接收到的用户的角度指令，计算使两个电动机同步工作的用于发送 给第一或/和二电机控制子模块的角度指令。优选地，所述第一、二电机控制子模块分别包括数据处理单元、电机驱动单元和电 流传感器，所述数据处理单元接收用户输入的指令信号或同步信号控制子模块发送的指令 信息、电流传感器采集的电机输入电流信号和位置检测模块输出的电机位置信号，经过数 据处理，输出控制信号给所述电机驱动单元，所述电机驱动单元根据所述的控制信号输出 合适的电压给电机，从而实现对电机的精确控制。优选地，所述数据处理单元包括机械环控制子单元、电流环控制子单元、PWM控制 信号产生子单元和信号处理子单元；优选地，所述传感器信号处理子单元接收所述电流传感器检测到的电流信号，经 过A/D采样后输出给所述的电流环控制子单元；优选地，所述机械环控制子单元根据接收用户输入的指令信号或同步信号计算子 模块发送的指令信息和位置检测模块发送的电机轴的转动角度，经过运算得到电流指令， 并输出给所述的电流环控制子单元；所述电流环控制子单元根据接收到的电流指令和电流传感器输出的电流信号，经 过运算得到三相电压的占空比控制信号，并输出给所述的PWM控制信号产生子单元；所述PWM控制信号产生子单元根据接收到的三相电压的占空比控制信号，生成具 有一定输出顺序的六路PWM信号，分别作用于电机驱动单元。优选地，在上述电动缝纫机中，所述电机驱动单元包括六个功率开关管，所述开关 管每两个串联成一组，三组并联连接在直流供电线路之间，每一开关管的控制端受PWM控 制信号产生子单元输出的PWM信号的控制，每一组中的两个开关管分时导通。优选地，在上述信号处理单元中，所述信号处理子单元包括位置检测模块的信号 处理电路，用于根据所述位置检测模块的电压信号得到电机轴的转动角度，具体包括:A/D 转换电路，对位置检测模块中磁感应元件发送来的电压信号进行A/D转换，将模拟信号转 换为数字信号；合成电路，对位置检测模块发送来的经过A/D转换的多个电压信号进行取 舍，得到一基准信号D ；角度获取电路，根据该基准信号D，在一角度存储表中选择一与其相 对的角度作为偏移角度9 ；和存储电路，用于存储处理过程中的数据和角度存储表。优选地，在A/D转换电路和合成电路之间还包括温度补偿电路，用于消除温度对 位置检测装置发送来的电压信号的影响。所述温度补偿电路包括多个乘法器，每一所述乘 法器将经过A/D转换的、位置检测装置发送来的一个电压信号与输出信号K相乘，将相乘后 的结果输出给合成电路。如果位置检测装置发送来的一个电压信号为2或3的倍数，则在 所述温度补偿模块之前还包括一差动放大电路。优选地，在上述信号处理单元中还包括一系数矫正电路，其根据合成模块的输出进行运算，得到一输出信号K。另外，在上述信号处理单元中，所述信号处理子单元也包括位置检测模块的信号 处理电路，用于根据所述位置检测模块的电压信号得到电机轴的转动角度，具体包括:A/D 转换电路，对位置检测装置发送来的电压信号进行A/D转换，将模拟信号转换为数字信号； 相对偏移角度9工计算电路，用于计算位置检测装置中对应于第一磁钢环的磁感应元件发 送来的第一电压信号在所处信号周期内的相对偏移量9 1;绝对偏移量92计算电路，根据 位置检测装置中对应于第二磁钢环的磁感应元件发送来的第二电压信号，通过计算来确定 第一电压信号所处的信号周期首位置的绝对偏移量9 2 ；角度合成及输出电路，用于将上述 相对偏移量和绝对偏移量92相加，合成所述第一电压信号所代表的在该时刻的旋转角 度9 ；存储电路，用于存储处理过程中的数据。优选地，在信号处理模块中，还包括信号放大模块，用于在A/D转换模块进行A/D 转换之前，对来自于位置检测装置的电压信号进行放大。优选地，所述绝对偏移量e 2计算电路包括第二合成单元和第二角度获取子单元， 所述第二合成单元用于对对应于第二磁钢环的位置检测装置发送来的第二电压信号进行 译码，得到一信号E ；所述第二角度获取子单元根据该信号E在第二角度存储表中选择一与 其相对的角度作为第一电压信号所处的信号周期首位置的绝对偏移量0 2。本申请的优点1.振动小、噪声小。缝纫机采用双电机驱动，主轴和底轴分别用一个电机驱动，并 且两个电机始终保持同步运行，这样降低了缝纫机的机构耦合，将缝纫机分为上下两部分， 主轴和底轴不再靠同步带等的传动保持同步旋转，而是通过控制器，控制两台电机保持同 步运行，从而使主轴和底轴同步旋转。这样，主轴以及主轴上连接的机构为一个独立的部 分，底轴以及底轴上连接的机构为一个独立的部分，两部分之间没有动力传动，主轴和底轴 的振动不会相互影响，降低了振动和噪声。2.连接主轴和底轴的同步带等传动部件受力小、变形小，不易磨损。同步带不再起 主轴和底轴间动力传递的作用，因此受力小、变形小，不易磨损。保留同步带的原因是在缝 纫的时候，有时候需要手动转动主轴使缝纫机工作，因此需要保留同步带，但只有在手动时 才会起到传递力的作用。3.缝纫质量高。现有缝纫机主轴和底轴动力传动部件存在变形，同时振动较大，影 响缝纫质量。本专利主轴和底轴分别通过两台电机带动，始终保持同步运行，同时振动小， 缝纫质量高。4.故障率低。由于振动小，同步带等传动部件不易磨损，因此故障率低。


图1为一种典型的缝纫机机头的结构示意图；图2为本发明中第一实施例的电动缝纫机机头的总体结构示意图；图3为本发明中第一实施例的电动缝纫机的伺服控制框图；图4为本发明中第二实施例的电动缝纫机机头的总体结构示意图；图5为本发明中第三实施例的电动缝纫机的机头总体结构示意图；图6为本发明中第三实施例的电动缝纫机的伺服控制框图7为本发明一种位置检测装置的的立体分解图；图8为本发明一种位置检测装置的安装于轴上的立体图；图9A-图9D为本发明一种位置检测装置的导磁环的倒角设计图；图10为本发明位置检测装置实施例1的结构示意图；图11为本发明位置检测装置实施例1的信号处理装置的框图；图12为本发明位置检测装置实施例2的位置检测装置的结构示意图；图13为本发明位置检测装置实施例2的信号处理装置的框图；图14为本发明位置检测装置实施例3的结构示意图；图15为本发明位置检测装置实施例3的信号处理装置的框图；图16为本发明位置检测装置实施例4和实施例5的立体结构分解图；图17为本发明位置检测装置实施例4对应于第二磁钢环设有3个磁感应元件时 得到的编码；图18为本发明位置检测装置实施例4对应于第二磁钢环设有3个磁感应元件时 第二磁钢环的充磁顺序；图19为本发明位置检测装置实施例4的第一磁钢环均勻磁化为6对极时对应2 个磁感应元件的布置图；图20为本发明位置检测装置实施例4的信号处理装置的电路框图；图21为本发明位置检测装置实施例4的另一种结构的立体分解图；图22为本发明位置检测装置实施例5的第一磁钢环充磁磁序及与磁感应元件的 位置关系图；图23为本发明位置检测装置实施例5中第二磁钢环的充磁磁序的算法流程图；图24为本发明位置检测装置实施例5的第二磁钢环充磁磁序及与磁感应元件的 位置关系图；图25为本发明位置检测装置实施例5对应于第二磁钢环的磁感应元件与导磁环、 定子的分布图。
具体实施例方式下面参照附图详细说明本发明的实施例。实施例一参照图2为本发明中第一实施例的电动缝纫机的总体结构示意图，所述电动缝纫 机与现有缝纫机一样，有主轴2、底轴3，主轴2与底轴3之间通过同步带4等传动部件连 接，伺服电机9a通过联轴器6a与主轴2相连。与现有电机不一样的地方在于，底轴3由一 个伺服电机％驱动，伺服电机9b通过联轴器6b与底轴3相连，这样构成了双电机缝纫机。 伺服电机9a与伺服控制器11a之间能过线缆12a连接，该线缆包括三相动力线和位置检测 模块的信号线，由伺服控制器11a控制伺服电机9a的运行。伺服电机9b与伺服控制器lib 之间通过线缆12b连接，该线缆包括三相动力线和编码器信号线，由伺服控制器lib控制伺 服电机9b的运行。伺服控制器11a和伺服控制器lib之间通过数据线13连接，用于通讯， 保持两者之间的同步，使伺服电机9a和伺服电机9b始终保持同步运行。在本发明中，同步 带4不再起从主轴2到底轴3的动力传递的作用，只是随着主轴2和底轴3的转动而转动，保留同步带的原因是在缝纫的时候，有时候需要手动转动主轴2使缝纫机工作。如图3所示为本实施例一的伺服控制框图。双电机缝纫机包含两个交流伺服系 统，两个交流伺服系统的伺服控制器之间通过数据线连接，用于数据通讯。交流伺服系统由 伺服控制器、交流伺服电机和位置检测装置组成。伺服控制器11a接收设定指令，根据设定 指令得到第一角度指令，作为伺服控制器11a机械环的输入，同时伺服控制器11a根据第一 角度指令，计算出第二角度指令，并将该第二角度指令通过数据线传递给伺服控制器11b， 作为伺服控制器lib机械环的输入。其中，第一角度指令和第二角度指令都是由伺服控制器11a给出，保证了两个交 流伺服控制器角度指令同步，伺服控制器11a需要由第一角度指令和同步带的传动比进行 计算，以计算出主轴2与底轴3同步转动需要的第二角度指令。然后交流伺服控制器11a，lib分别对两个交流伺服电机进行位置控制，控制精度 高，响应快，从而实现双电机缝纫机同步控制。在具体实施时，每一伺服控制器中的控制模块实施为一 MCU，其中，该MCU的内部 有CPU、A/D转换模块、同步通讯口和PWM信号产生模块等，A/D转换模块将电流传感器输入 到MCU的模拟信号转换为数字信号，从而得到电流反馈。在第一个系统中，位置检测模块将 交流伺服电机角度位置信息通过同步口通讯传递给MCU。伺服控制器接收输入的角度指令， 将其作为机械环的输入。MCU中的CPU根据电流反馈和角度反馈运行控制程序。控制程序 主要包含机械环和电流环，机械环根据角度指令和角度反馈，计算出电流指令，电流环根据 电流指令和电流反馈，计算出三相电压占空比。PWM信号产生模块根据三相电压占空比，产 生PWM信号，传递给IPM。IPM根据PWM信号，产生三相电压给交流伺服电机。CPU在根据电 流反馈和角度反馈运行控制程序时，根据第一角度指令和主轴与底轴之间的传动比计算第 二角度指令，并将其发送给第二个系统中的伺服控制器。在第二个系统中，伺服控制器接收第一个系统中的伺服控制器发送来的第二角度 指令，由MCU中的CPU根据电流反馈和角度反馈运行控制程序。由于第二个系统中伺服控 制器的内部结构与第一个系统中的伺服控制器相同，在此不再重说明。实施例二 参见图4为本发明第二实施例的电动缝纫机的总体结构示意图，在本实施例中， 大部分结构与实施例一相同，相同的结构在此不再赘述。不同的是，伺服电机与用于控制其 工作的伺服控制器一体化设置，通过一体化设置，缩短了位置检测装置信号的传输路径，降 低了信号干扰，因此，提高了控制的可靠性。基于本实施例的位置检测装置的信号处理方法 与实施例一的方法相同。实施例三参见图5为本发明第三实施例的电动缝纫机的总体结构示意图，在本实施例中， 大部分结构与实施例一相同，相同的结构在此不再赘述。不同的是，本实施例中使用单控制 器操控两台伺服电机。参见图6为本发明中第三实施例的电动缝纫机的伺服控制框图。在该控制器内包 括MCU和两个IPM(智能功率模块)，在MCU的内部有两个电机运行控制模块，分别为机械 环、电流环和PWM信号产生模块。MCU根据反馈的电流和角度信号，运行控制程序，产生两组 PWM信号，分别控制两个IPM。两个IPM将分别将三相电压加给两个交流伺服电机，从而实现对两个交流伺服电机的同步控制。其中，根据第一角度指令计算第二角度指令的方法与实施例一相同。在上述三个实施例中，位置检测装置直接输出电机的角度信号，因此，伺服控制器 通过同步口接收该角度信号即可，在本发明中，位置检测装置也可以只输出电压信号，对该 电压信号的处理可以由伺服控制器中的MCU来完成，根据本发明以上的三种实施例，通过 以下详细描述本发明的位置检测装置及其信号处理装置与方法。图7是表示本发明的一种位置检测装置的立体结构分解图。如图3所示，本发明 的位置检测装置由磁感应元件板102、磁钢环103、导磁环104、骨架105组成；磁感应元件 板102由PCB板和磁感应元件106组成，，磁感应元件板102上还装有接插件108。磁钢环103装在轴107上，导磁环104固定在骨架105上，骨架105固定在电机的 合适位置。当轴107转动时，磁钢环103转动，产生正弦磁场，而导磁环104起聚磁作用，磁 钢环103产生的磁通通过导磁环104。PCB板上固定的磁感应元件106把通过导磁环104 的磁场转换成电压信号并输出，该电压信号直接进入主控板芯片。由主控板上芯片对电压 信号进行处理，最后得到位角位移。其中，在制作所述的位置检测装置时，导磁环104设置在骨架成型模具上，在所述 骨架一体成型时与骨架105固定在一起。图8是本发明的位置检测装置安装于轴上的总体的立体图。导磁环104安装于骨 架105上，磁钢环103安装轴107上，导磁环104与磁钢环103可以相对转动。本发明通过 合理安排各部件的布局，可以减少位置检测装置的尺寸。图9A到图9D以由1/4弧段和3/4弧段构成的导磁环为例，图示了本发明的导磁 环的倒角设计。如图9A到图9D所示，导磁环由两段或多段同半径、同圆心的弧段构成，图 9A所示的导磁环没有设计倒角，图9B到图9D所示的弧段端部设有倒角，所述倒角为沿轴向 (图9B)或径向(图9C)或同时沿轴向、径向(图9D)切削而形成的倒角，151、153表示轴 向切面，152、154表示径向切面。相邻两弧段间留有缝隙，磁感应元件置于该缝隙内，当磁钢 环与导磁环发生相对旋转运动时，所述磁感应元件将感测到的磁信号转换为电压信号，并 将该电压信号传输给相应的控制器。根据磁密公式可以知道，当 一定时候，可以通过减少S，增加B。
o因为永磁体产生的磁通是一定的，在导磁环中S较大，所以B比较小，因此可以减 少因为磁场交变而导致的发热。而通过减少导磁环端部面积能够增大端部的磁场强度，使 得磁感应元件的输出信号增强。这样的信号拾取结构制造工艺简单，拾取的信号噪声小，生 产成本低，可靠性高，而且尺寸小。以下通过实施例详细描述本发明的位置检测装置及其信号处理装置与方法。位置检测装置的实施例1 根据本位置检测装置的第一实施例，提供了设有两个磁感应元件的位置检测装置。图10是本发明位置检测装置第1实施例的结构示意图。如图10所示，导磁环由两 段同半径的弧段构成，分别为1/4弧段111和3/4弧段112，位置A和B相距角度为90°， 并开有狭缝，分别以109和110表示的两个磁感应元件氏、112放置于A和B处的狭缝中，采用此结构有利于减少磁场泄露，提高磁感应元件感应的磁通量，并且由于磁表面感应的磁 通是磁场的积分，因此有利用降低信号噪声以和信号中的高次谐波。在电机轴上，由两段同 半径的弧段111、112构成的导磁环与磁钢环113同心安装。图11是本发明第一实施例的信号处理装置的框图，磁感应元件氏和H2的输出信 号接MCU的内置A/D转换器模拟输入口，经模数转换后得到输出信号接乘法器1、2，系数矫 正器7的输出信号K接乘法器1、2的输入端，乘法器1、2的输出信号接合成器3的输入端， 合成器3输出信号D和R，系数矫正器7接收合成器3输出的信号D和R，通过运算得到信 号K，通过使磁感应元件&和H2的信号与该信号K进行相乘，以此来进行温度补偿，消除温 度对信号的影响。存储器4中存储有一角度存储表，MCU根据信号D在角度存储表中选择 与其相对的角度作为偏移角度0。位置检测装置的实施例2根据本发明位置检测装置的实施例2，提供了设有四个磁感应元件的位置检测装置。图12是本发明位置检测装置的实施例2的结构示意图。如图12所示，导磁环由四 段同半径的1/4弧段118、119、120和121构成，A，B, C，D四个位置角度依次相隔为90°， 并且都有一狭缝。分别以114、115、116和117表示的4个磁感应元件H” H2、H3、H4分别放 置于狭缝A、B、C和D处，采用此结构有利于减少磁场泄露，提高磁感应元件感应的磁通量， 并且由于磁表面感应的磁通是磁场的积分，因此有利用降低信号噪声以和信号中的高次谐 波。四段同半径的1/4弧段118、119、120和121构成的导磁环和磁钢环122同心安装。图13是本发明第二实施例的信号处理装置的框图。信号处理装置与处理方法与实施例1相类似，不同在于，由于本实施例2中有4 个互成90度的磁感应元件，因此，在信号处理装置上增加了减法器，即数字差分模块，通过 该减法器模块抑制温度和零点漂移，以此来提高数据精度，最终输出给合成器的信号仍为2 个，处理过程及方法与实施例1相同。因此，在此不再赘述。位置检测装置的实施例3根据本位置检测装置的实施例3，提供了设有三个磁感应元件的位置检测装置。图14是本发明第三实施例的位置检测装置的结构示意图。如图14所示，导磁环 由三段同半径的1/3弧段126、127和128构成，A，B, C三个位置依次相距120°，并且开有 一狭缝，分别以123、124和125表示的3个传感器Hi、H2、H3分别放置狭缝处，采用此结构有 利于减少磁场泄露，提高传感器感应的磁通量，并且由于传感器表面感应的磁通是磁场的 积分，因此有利用降低信号噪声以和信号中的高次谐波。三段同半径的1/3弧段126、127 和128构成的导磁环和磁钢环129同心安装。图15是本发明第三实施例的信号处理装置的框图。与实施例1不同的是，磁感应元件有三个，输出给合成器的信号为三个，合成器在 处理信号时与实施例1不同，其余与实施例1相同。在这里，仅说明合成器如何处理信号。在本实施例中，对信号的处理，即合成器4对信号的处理原则是先判断三个信号 的符合位，并比较符合位相同的信号的数值的大小，数值小的用于输出的信号D，信号D的 结构为{第一个信号的符合位，第二个信号的符合位，第三个信号的符合位，较小数值的信 号的数值位}。以本实施例为例0113
约定
0114] 当数据X为有符号数时，数据X的第0位( 表示数据X为负，X_0 = 0表示数据X为正。进制左起第1位)为符号位，x_0 =
0115
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0120 0121 0122
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0135
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0138
0139
0140
0141
0142
X_D表示数据X的数值位(数据的绝对值)，即去除符号位剩下数据位。
如果{A_0 ;B_0 ;C_0} D = {A_0 ;B_0 如果{A_0 ;B_0 ;C_0} D = {A_0 ;B_0 如果{A_0 ;B_0 ;C_0} D = {A_0 ;B_0 如果{A_0 ;B_0 ;C_0} D = {A_0 ;B_0 如果{A_0 ;B_0 ;C_0} D = {A_0 ;B_0 如果{A_0 ;B_0 ;C_0} D = {A_0 ;B_0 如果{A_0 ;B_0 ;C_0} D = {A_0 ;B_0 如果{A_0 ;B_0 ;C_0} D = {A_0 ;B_0 如果{A_0 ;B_0 ;C_0} D = {A_0 ;B_0 如果{A_0 ;B_0 ;C_0} D = {A_0 ； B_0 ； 如果{A_0 ;B_0 ;C_0} D = {A_0 ； B_0 ； 如果{A_0 ;B_0 ;C_0} D = {A_0 ； B_0 ；
=010 并且 A_D ;C_0 ;C_D} =010 并且 A_D ；C_0 ;A_D} =101 并且 A_D ;C_0 ;C_D} =101 并且 A_D ；C_0 ;A_D} =Oil 并且 B_D ;C_0 ;C_D} =Oil 并且 B_D ；C_0 ;B_D} =100 并且 B_D ;C_0 ;C_D} =100 并且 B_D ；C_0 ;B_D} =001 并且 B_D ；C_0 ;A_D} =001 并且 B_D C_0 ;B_D} =110 并且 B_D C_0 ;A_D} =110 并且 B_D C_0 ;B_D}
>=C D
< C D
>=C D
< C D
>=C D
< C D
>=C D
< C D
>=A D
< A D
>=A D
< A D
TTTC
a = A-Bx cos( y)-Cx cos(y) / = 5xsin(y)-Cxsin(y)
R = s]a2+ p2
0143]位置检测装置实施例4
0144]参照附图，图16是本发明的位置检测装置实施例4的立体结构分解图。该位置检 则装置包括转子和将转子套在内部的定子，转子包括第一磁钢环201a和第二磁钢环201b 以及第一导磁环205a和第二导磁环205b，第一磁钢环201a和第二磁钢环201b分别固定在 电机轴200上，其中定子为支架203。 如图16，第一导磁环205a和第二导磁环205b分别由多个同圆心、同半径的弧段构成，相邻两个弧段之间留有空隙，对应于两个磁钢环的磁感应元件204分别设在该空隙内。对应于第二磁钢环201b，以第二磁钢环201b的中心为圆心的同一圆周上设有n(n =1，2…n)个均勻分布的磁感应元件，第二磁钢环的磁极磁化顺序使得n个磁感应原件输 出呈格雷码形式。磁极的极性为格雷码的首位为“0”对应于“N/S”极，首位为“1”对应于 “S/N，，极。第一磁钢环201a均勻的磁化为g(g的取值等于第二磁钢环中的磁极总数)对极 (N极和S极交替排列)，当第二磁钢环中的磁极总数为6时，第一磁钢环201a的极对数为6 对。以第一磁钢环201a的中心为圆心的同一圆周上，设置有m个磁感应元件，如2个，当转 子相对于定子发生相对旋转运动时，所述磁感应元件将感测到的磁信号转变为电压信号， 并将该电压信号输出给一信号处理装置。定义第一磁钢环中相邻一对“N-S”为一个信号周期，因此，任一“N-S”对应的机械 角度为360° /g(g为“N-S”个数)，假定转子在t时刻旋转角度e位于第nth信号周期内， 则此时刻角位移e可认为由两部分构成1.在第nth信号周期内的相对偏移量，磁感应元 件氏和H2感应第一磁钢环的磁场来确定在此“N-S”信号周期内的偏移量0 ！(值大于0小 于360° /g) ；2.第rith信号周期首位置的绝对偏移量92，用传感器氏，114，...扎感应磁环 2的磁场来确定此时转子究竟是处于哪一个“N-S”来得到e2。基于该位置检测装置及原理的信号处理装置包括A/D转换模块、相对偏移量0 : 计算模块、绝对偏移量92计算模块和存储模块。其信号处理流程如图8-11所示，对位置 检测装置中第一磁钢环和第二磁钢环发送来的电压信号进行A/D转换，将模拟信号转换为 数字信号；由相对偏移量e工计算模块对位置检测装置发送来的对应于第一磁钢环的第一 电压信号进行角度9工求解，计算对应于第一磁钢环的信号在所处信号周期内的相对偏移 量9 1;由绝对偏移量92计算模块对位置检测装置发送来的对应于第二磁钢环的第一电压 信号进行角度9 2求解，来确定第一电压信号所处的信号周期首位置的绝对偏移量02;通 过角度合成及输出模块，如加法器用于将上述相对偏移量和绝对偏移量e2相加，合成 所述第一电压信号所代表的在该时刻的旋转角度0。上述方案是在电压信号非常好的情况 下的方案，但是，如果信号不好，则可以在前述方案的基础上增加的信号放大模块，具体如 放大器，用于在A/D转换模块进行A/D转换之前，对来自于位置检测装置的电压信号进行放 大。再有，在进行角度9工求解之前，还包括温度补偿的过程，温度补偿的具体过程为，先进 行系数矫正，而后再将A/D转换器输出的信号与系数矫正的输出通过乘法器进行相乘的具 体方式来进行温度补偿。当然，温度补偿的具体方式还有很多种，在此就不一一介绍。相对偏移量e工计算模块包括信号合成单元、第一角度获取单元和温度补偿单元， 信号合成单元对不同位置检测装置发送来的经过A/D转换的电压信号进行处理，得到一基 准信号D ；所述第一角度获取单元根据该基准信号D，在第一标准角度表中选择一与其相对 的角度作为偏移角度e ！；其中，在得到基准信号D之前，先对输入给信号合成单元的信号 由温度补偿单元进行温度补偿，再将温度补偿后的信号进行处理得到信号D。这里所述的处 理将在后面详细说明。绝对偏移量e 2计算模块包括第二合成器和所述第二角度获取单元， 用于对对应于第二磁钢环的位置检测装置发送来的第二电压信号进行合成，得到轴转过信 号周期数，从而确定第一电压信号所处的信号周期首位置的绝对偏移量e 2，具体实现方式 是所述第二合成器对对应于第二磁钢环的位置检测装置发送来的第二电压信号进行合成，得到一信号E ；所述第二角度获取单元根据该信号E在第二标准角度表中选择一与其相对 的角度作为第一电压信号所处的信号周期首位置的绝对偏移量e 2。在实施例4中，对应于第二磁钢环设有3磁感应元件，对应于第一磁钢环设有2磁 感应元件。由于第二磁钢环的磁极磁化顺序使得n个磁感应原件输出呈格雷码形式。磁极的 极性为格雷码的首位为“0”对应于“N/S”极，首位为“1”对应于“S/N”极。因此，在本实施 例中，由于n为3时，得到如图17所示的编码，得到6个码，即得到6个极，充磁顺序如图18 所示，各磁感应元件均布周围进行读数。由于第二磁钢环的磁极总数为6，因此，第一磁钢环被均勻的磁化为6对极，其与2 个磁感应元件的布置图及磁序如图19所示。图20示出了本实施例中对应于第一磁钢环设有2个磁感应元件、第二磁钢环设有 3个磁感应元件时信号处理装置的电路框图。传感器1_1和1_2的输出信号接放大器2_1、 2_2进行放大，然后接A/D转换器3_1、3_2，经模数转换后得到输出信号接乘法器4、5，系数 矫正器10输出信号接乘法器4、5的输入端，乘法器4、5的输出信号A、B接合成器6的输入 端，第一合成器6对信号A、B进行处理，得到信号D、R，根据信号D从存储器8中存储的标 准角度表中选择一与其相对的角度作为偏移角度elt>其中，第一合成器6的输出信号R输 送给系数矫正器10，系数矫正器10根据信号R和从存储器9中查表得到信号礼得到信号 K,该信号K作为乘法器4、5的另一输入端，与从放大器2_1、2_2输出的信号CI、C2分虽相 乘得到信号A、B作为第一合成器6的输入。传感器1_3、1_4、. . . Hnl_n的输出信号分别接放大器2_3、2_4、. . . 2_n进行放大， 然后接A/D转换器进行模数转换后通过第二合成器7进行合成，得到一信号E ；根据该信号 E在存储器11中的第二标准角度表中选择一与其相对的角度作为第一电压信号所处的信 号周期首位置的绝对偏移量e2，e2通过加法器12得到测量的绝对角位移输出e。其中，第二合成器7的功能是，通过对传感器H3、H4、. . .Hn的信号进行合成，得到此 时刻转子处于哪一个“N-S”信号周期内。第二合成器7的处理是当数据X为有符号数时，数据X的第0位(二进制左起第 1位)为符号位，X_0 = 1表示数据X为负，X_0 = 0表示数据X为正。也即当感应的磁场 为N时，输出为X_0 = 0，否则为X_0 = 1。则对于本实施例，E= {C3_0 ；C4_0 ；Cn_0}。其中，第一合成器6对信号的处理是比较两个信号的数值的大小，数值小的用于 输出的信号D，信号D的结构为{第一个信号的符合位，第二个信号的符合位，较小数值的信 号的数值位}。具体如下这里约定(后文各合成器均使用该约定)，当数据X为有符号数时，数据X的第0 位(二进制左起第1位)为符号位，x_0 = 1表示数据X为负，X_0 = 0表示数据X为正。 X_D表示数据X的数值位(数据的绝对值)，即去除符号位剩下的数据位。如果A_D>=B_DD = {A_0 ;B_0 ;B_D}R= J A2 + B2 ；否则
D = {A_0 ;B_0 ;A_D}R= y/A2+B2 ；信号K 一般是通过将信号礼和R进行除法运算得到。对于第一、二标准角度表，在存储器中存储了两个表，每个表对应于一系列的码， 每一个码对应于一个角度。该表是通过标定得到的，标定方法是，利用本施例的检测装置和 一高精度位置检测模块，将本施例中的磁感应元件输出的信号和该高精度位置检测模块输 出的角度进行一一对应，以此建立出一磁感应元件输出的信号与角度之间的关系表。也就 是，对应于信号D存储了一个第一标准角度表，每一个信号D代表一个相对偏移量0lt)对 应于信号E，存储了一个第二标准角度表，每一个信号E代表一个绝对偏移量e 2。图21是本发明位置检测装置的实施例4的位置检测装置的另一种结构的立体分 解图。该位置检测装置包括转子和将转子套在内部的定子，转子包括第一磁钢环201a和第 二磁钢环201b，第一磁钢环201a和第二磁钢环201b分别固定在电机轴200上，其中定子为 支架203。磁感应元件204直接表贴在支架203的内表面。上述实施例4是在n = 2的情况下，m值变化的实施例，本位置检测装置不限于此， 第二磁钢环上的磁感应元件n可以是任意整数(n = 0，1，2"^)，当11 = 4时，其磁化顺序 及算法流程与上述位置检测装置的实施例2相同；当n = 3时，其磁化顺序及算法流程与上 述位置检测装置的实施例3相同。位置检测装置的实施例5在本实施例中，结构与实施例4基本相同，相同之处不再赘述，不同之处在于，所 述第一磁钢环被均勻地磁化为N对磁极，其中，N< = 2n(n = 0, l，2" n)，并且相邻两极的 极性相反；所述第二磁钢环的磁极总数为N，其磁序按照如图23所示的磁序算法确定；对应 于第一磁钢环，以第一磁钢环的中心为圆心的同一圆周上设有m(m为2或3的整数倍)个 呈一定角度分布的磁感应元件；对应于第二磁钢环，以第二磁钢环的中心为圆心的同一圆 周上设有n(n = 0，1,2-n)个呈一定角度分布的磁感应元件。如图22、24为例，图22为本 发明位置检测装置的实施例5的第一磁钢环充磁磁序及与磁感应元件的位置关系图，图24 为检测装置的实施例5的第二磁钢环充磁磁序及与磁感应元件的位置关系图。根据对应第 二磁钢环的磁感应元件的个数，在本实施例中，n = 3，可以确定第一磁钢环的极对数，最大 为n3 = 8，当然也可以小于8，在本实施例为8，第一磁钢环的总极数为8，其磁序由图23所 示的算法确定。如图22、24所示，对应于第一磁钢环201a的第一列磁感应元件204为2个，即m =2，用&和H2表示，这两个磁感应元件氏和H2分别放置于对应导磁环205a的两个夹缝 中。对应于第二磁钢环201b的第二列磁感应元件204为3个，即n = 3，用H3、H4和H5表 示。取磁极数N = 8，这样，对应于第二磁钢环201b的相邻两个磁感应元件204之间的夹角 为360° /8。对应于第一磁钢环201a的相邻两个磁感应元件308之间的夹角为90° /8。图23所示的算法如下首先进行初始化a
=“0……0”；然后将当前编码入编码集，即编码集中有 “0……0” ；接着检验入编码集的集合元素是否达到8，如果是则程序结束，反之将当前编码 左移一位，后面补0 ；然后检验当前编码是否已入编码集，如果未入编码集则将当前编码入 编码集继续进行上述步骤，如果已入编码集则将当前码末位去0补1 ；接着检验当前编码是否已入编码集，如果未入编码集则将当前编码入编码集继续进行上述步骤，如果已入编码 集则检验当前码是否为“0……0”，是则结束，否则将当前编码的直接前去码末位去0补1 ； 接着检验当前编码是否已入编码集，如果未入编码集则将当前编码入编码集继续进行上述 步骤，如果已入编码集则检验当前码是否为“0……0”，然后继续进行下面的程序。其中0磁 化为“N/S”，1磁化为“S/N”。这样得到了图24所示的磁钢环201b充磁结构图以及H3、H4 和H5的排布顺序。上述实施例4是在n = 2的情况下，m值变化的实施例，本位置检测装置不限于此， 第二磁钢环上的磁感应元件n可以是任意整数(n = 0，1，2 "11)，如图25所示，分别为当11 =3、4、5时的第二磁钢环、导磁环和磁感应元件的分布分。其各自的磁化顺序及算法流程 分别与图23、24类似，在此省略对它们的详细说明。上述的位置检测装置采用磁电式，由于元件放置方式及信号处理方式使得磁场分 布均勻，泄露小，原始信号质量好、幅值大、信号噪声小，提高了检测精度，在其信号处理上， 减少了因为模拟器件导致的温度和零点漂移，且磁感应元件可直接固定在电路板上，无需 转接件，提高了电路的可靠性和稳定性。本发明通过使用上述检测精度更高的位置检测装置，使得本发明能更加精确地实 现同步控制，因而减小了缝纫机的振动和噪音。最后应说明的是以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制。尽管参照 上述实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，依然可以对本发 明的技术方案进行修改和等同替换，而不脱离本技术方案的精神和范围，其均应涵盖在本 发明的权利要求范围当中。
权利要求
一种电动缝纫机，包括机头，在所述机头上包括主轴和底轴，其特征在于，还包括控制器及两个分别驱动主轴和底轴的电动机，由控制器控制两个电动机同步工作。
2.根据权利要求1所述的电动缝纫机，其特征在于，所述控制器为两个，分别用于控制 两个电动机工作，并且，所述两个控制器通过数据线进行同步通讯。
3.根据权利要求2所述的电动缝纫机，其特征在于，所述电机与用于控制其工作的控 制器一体设置。
4.根据权利要求1-3任一所述的电动缝纫机，其特征在于，在每一电动机的轴上还包 括位置检测装置，用于检测电机轴的位置，并将该位置信息传送给相应的控制器，用于电机 位置的精确控制。
5.根据权利要求4所述的电动缝纫机，其特征在于，所述位置检测装置包括磁钢环、导 磁环和磁感应元件，其特征在于，所述导磁环由两段或多段同半径、同圆心的弧段构成，相 邻两弧段留有缝隙，所述磁感应元件置于该缝隙内，所述磁钢环固定在电机轴上，所述导磁 环和磁感应元件固定在电动机本体上，当磁钢环与导磁环发生相对旋转运动时，所述磁感 应元件将感测到的磁信号转换为电压信号，并将该电压信号传输给相应的信号处理装置；所述的导磁环由两段同半径、同圆心的弧段构成，分别为1/4弧段和3/4弧段，对应的 磁感应元件为2个；或者，所述的导磁环由三段同半径的弧段构成，分别为1/3弧段，对应的 磁感应元件为3个；或者，所述的导磁环由四段同半径的弧段构成，分别为1/4弧段，对应的 磁感应元件为4个；或者，所述的导磁环由六段同半径的弧段构成，分别为1/6弧段，对应的 磁感应元件为6个。
6.根据权利要求4所述的电动缝纫机，其特征在于，所述位置检测装置包括固定在电 动机轴上的转子和将转子套在内部、固定在电动机本体上的定子，所述转子包括第一磁钢 环、第二磁钢环；其中，所述第一磁钢环和第二磁钢环分别固定在同一电机轴上；在定子上，对应于第二磁钢环，以第二磁钢环的中心为圆心的同一圆周上设有n(n = 1，2丨11)个均勻分布的磁感应元件，所述第二磁钢环的磁极磁化顺序使得n个磁感应元件 输出呈格雷码格式，相邻两个输出只有一位变化；在定子上，对应于第一磁钢环，以第一磁钢环的中心为圆心的同一圆周上设有有m(m 为2或3的整数倍)个呈一定角度分布的磁感应元件，所述第一磁钢环的磁极总对数与第 二磁钢环的磁极总数相等，并且相邻两极的极性相反；当转子相对于定子发生相对旋转运动时，所述磁感应元件将感测到的磁信号转变为电 压信号，并将该电压信号输出给信号处理装置；在定子上对应于第一磁钢环的相邻两个磁感应元件之间的夹角，当m为2或4时，该夹 角为90° /g;当m为3时，该夹角为120° /g;当m为6时，该夹角为60° /g，其中，g为第 二磁钢环的磁极总数。
7.如权利要求4所述的电动缝纫机，其特征在于，所述位置检测装置包括固定在电动 机轴上的转子和将转子套在内部、固定在电动机本体上的定子，所述转子包括第一磁钢环、 第二磁钢环；其中，所述第一磁钢环和第二磁钢环分别固定在同一电机轴上，所述第一磁钢环被均 勻地磁化为N对磁极，在这里，N<= 2n(n = 0，1，2…n)，并且相邻两极的极性相反；所述第二磁钢环的磁极总数为N，其磁序按照特定磁序算法确定；在定子上，对应于第一磁钢环，以第一磁钢环的中心为圆心的同一圆周上设有m个呈 一定角度分布的磁感应元件，在这里，m为2或3的整数倍；对应于第二磁钢环，以第二磁钢 环的中心为圆心的同一圆周上设有n个呈一定角度分布的磁感应元件；当转子相对于定子发生相对旋转运动时，所述磁感应元件将感测到的磁信号转变为电 压信号，并将该电压信号输出给一信号处理装置；在定子上对应于第二磁钢环的相邻两个磁感应元件之间的夹角为360° /2n ； 在定子上对应于第一磁钢环相邻两个磁感应元件之间的夹角，当m为2或4时，每相邻 两个磁感应元件之间的夹角为90° IT,当m为3时，每相邻两个磁感应元件之间的夹角为 120°为6时，每相邻两个磁感应元件之间的夹角为60° /2n。
8.如权利要求4所述的电动缝纫机，其特征在于，所述控制器包括一控制模块，该控制 模块包括第一、二电机控制子模块和同步控制子模块；其中，所述第一、二电机控制子模块分别用于控制两个电动机工作，所述同步信号控制 子模块用于根据接收到的用户的角度指令，计算使两个电动机同步工作的用于发送给第一 或/和二电机控制子模块的角度指令。
9.如权利要求15所述的电动缝纫机，其特征在于，所述第一、二电机控制子模块分别 包括数据处理单元、电机驱动单元和电流传感器，所述数据处理单元接收用户输入的指令 信号或同步信号控制子模块发送的指令信息、电流传感器采集的电机电流信号和位置检测 模块输出的电机位置信号，经过数据处理，输出控制信号给所述电机驱动单元，所述电机驱 动单元根据所述的控制信号输出合适的电压给电动机，从而实现对电动机的精确控制；所述数据处理单元包括机械环控制子单元、电流环控制子单元、PWM控制信号产生子单 元和信号处理子单元；所述传感器信号处理子单元接收所述电流传感器检测到的电流信号，经过A/D采样后 输出给所述的电流环控制子单元；所述机械环控制子单元根据接收用户输入的指令信号或同步信号计算子模块发送的 指令信息和位置检测模块发送的代表电机轴的位置信息，经过运算得到电流指令，并输出 给所述的电流环控制子单元；所述电流环控制子单元根据接收到的电流指令和电流传感器输出的电流信号，经过运 算得到三相电压的占空比控制信号，并输出给所述的PWM控制信号产生子单元；所述PWM控制信号产生子单元根据接收到的三相电压的占空比控制信号，生成具有一 定输出顺序的六路PWM信号，分别作用于电机驱动单元；所述电机驱动单元包括六个功率开关管，所述开关管每两个串联成一组，三组并联连 接在直流供电线路之间，每一开关管的控制端受PWM控制信号产生子单元输出的PWM信号 的控制，每一组中的两个开关管分时导通。
10.如权利要求9所述的电动缝纫机，其特征在于，所述信号处理子单元还包括位置检 测模块的信号处理电路，用于根据所述位置检测模块的电压信号得到电机轴的转动角度， 具体包括A/D转换电路，对位置检测模块中磁感应元件发送来的电压信号进行A/D转换，将模拟 信号转换为数字信号；合成电路，对位置检测模块发送来的经过A/D转换的多个电压信号进行取舍，得到一 基准信号D ；角度获取电路，根据该基准信号D，在一角度存储表中选择一与其相对的角度作为偏移 角度9 ；和存储电路，用于存储处理过程中的数据和角度存储表；或A/D转换电路，对位置检测装置发送来的电压信号进行A/D转换，将模拟信号转换为数字信号；相对偏移角度9工计算电路，用于计算位置检测装置中对应于第一磁钢环的磁感应元 件发送来的第一电压信号在所处信号周期内的相对偏移量e工；绝对偏移量9 2计算电路，根据位置检测装置中对应于第二磁钢环的磁感应元件发送来的第二电压信号，通过计算来确定第一电压信号所处的信号周期首位置的绝对偏移量 02；角度合成及输出电路，用于将上述相对偏移量和绝对偏移量e2相加，合成所述第 一电压信号所代表的在该时刻的旋转角度e ； 存储电路，用于存储处理过程中的数据。
全文摘要
本发明公开了一种电动缝纫机，主要包括机头、机架及电动机，所述缝纫机采用双电机驱动，主轴和底轴分别由一个电动机驱动，通过控制器，控制两台电动机保持同步运行，从而使主轴和底轴同步旋转。本发明提供的电动缝纫机，主轴和底轴的振动不会相互影响，降低了缝纫机的机构耦合，减小了振动和噪声，从而降低了故障率。
文档编号H02P5/00GK101876125SQ200910137779
公开日2010年11月3日 申请日期2009年4月30日 优先权日2009年4月30日
发明者郝双晖, 郝明晖 申请人:浙江关西电机有限公司