机电产品开发与创新0引言随着纺织服装、箱包、鞋帽等产业的不断发展，缝制业对缝制机械也提出了更高的要求，重点体现在缝制效率和缝制质量上。纵观国内外缝制机械技术的发展历程，缝制效率和缝制质量的提高大体上经历了专用化、高速化等几个发展阶段，目前缝制机械技术的发展已经全面进入一个新阶段，即机电一体化阶段。

　　由于机械部分采用了电气控制，因而在缝制效率上会有很大提高。但同时也带来了其他问题。因此本文在着重阐述工业缝纫机中的主轴驱动控制系统后，给出了针对机械的振动噪音所采取的切实有效的方法，并对改进结果进行了实验验证。

　　1缝纫机主轴驱动控制系统构成永磁同步电动机永磁同步电动机广泛应用于伺服驱动系统、中小型功率机床驱动、机器人系统应用等。永磁同步电动机能满足诸如伺服系统的一些高精度要求：气隙磁密高；高的功率质量比；大的转矩惯性比；转矩脉动小，尤其在低速并有高精度位置控制要求时；零转速时有控制转矩；能高速运行；高效率、高功率因数；装置紧凑。永久磁铁励磁的同步电动机主要用于伺服传动系统中，伺服系统常用于快速、准确、精密的位置控制场合，这就要求电动机有大的过载能力、小的转动惯量、小的转矩脉动、线性的转矩电流特性。控制系统有尽可能高的通频带和放大系数，以便整个伺服系统具备良好的动静态性能。因此，永磁同步电动机组成的伺服系统己经受到国内外的普遍重视。随着矢量控制技术的日渐成熟，永磁同步电动机的伺服性能越来越受到人们的重视，并获得了更加广泛的应用。

　　矢量控制系统直流电机由于可以对转矩电流与励磁电流分别调节，具有较好的调速性能，因此在调速及伺服领域也得到了广泛的应用。在交流异步电机中，如果也能够对负载电流磁场与励磁电流磁场分别进行调节，并使它们在空间上互差电角度，那么交流异步电机的调速性能就可与直流电机相当。而矢量控制的基本思想就是将交流电机模拟成直流电机进行控制数字滤波器在工业缝纫机中主轴振动抑制中的应用王志恒，胡文海，邢少鹏北京兴大豪科技开发有限公司，北京，男，山东即墨人，硕士研究生，驱动控制研发工程师。研究方向：缝纫机主轴伺服驱动控制；胡文海，男，山西祁县人，博士，电气设计高级工程师。研究方向：运动控制技术在工业缝制设备中的应用。

　　节滤波器。针对机械的振动噪声，系统从电机驱动控制方面采取了抑制措施。通过改进调节滤波器的增益设置和陷波滤波器，用于电流转矩给定输出，使整套机械的振动和噪声明显减小。文中对更改前后机械振动的频率分布进行了比较分析，验证了系统所做改动的有效性。？缝制机械专栏？

　　对于永磁同步电机来讲，在转子磁场定向坐标即坐标标上，将电流矢量分解成两个相互垂直、独立的分量，即磁通分量与转矩分量，然后分别进行调节，就可实现矢量控制，即实现解耦控制。转子磁场定向坐标系下，永磁同步电机的电磁转矩方程：通过数字芯片控制，使得三相合成电流矢量总保持在轴上，即方向与轴重合，即有时就可像控制直流电机那样，通过调整直流量来控制转矩，从而实现三相永磁同步电机的解耦控制、转矩的线性化控制。其控制原理如图所示。

　　调节滤波器调节滤波器结构。本伺服系统包含电流调节滤波器和速度调节滤波器。由于电机机轴和负载轴转动惯量的存在，速度时间常数较大，因此对速度的调节一般周期较大，例如系统中设置的周期为个电流采样周期，即1ms.电流调节器的作用有两个，其一是在起动和大范围加减速时起电流调节与限幅作用，其二是增强系统的抗电源扰动和负载扰动能力。一般而言，电磁时间常数较小，因此在扰动发生时，电流调节器会很快使电流稳定下来，不至于对电机的运行速度产生大的影响，使系统的快速性和稳定性得到改善。在电机的闭环控制中，速度调节器和电流调节器一般采用比例积分调节滤波器。实际应用中，控制器的输出量总要受一些物理量的限制，如电源电压、*大电流等，因此对于输出量还需要检验是否超出极限范围。引入积分环节的目的主要是为消除静态误差，提高控制精度。调节滤波器框图如图所示。

　　调节滤波器的使用策略。

　　在缝纫机系统中，需要进行频繁的起停操作，因此系统需要做两点：在运行过程中，主轴转速需要很好的达到目标转速；在停车过程中，主轴电机需要很好的达到目标值，准确无误的停在指定位置，且精度需要满足一定要求。

　　考虑到上述要求，在系统中需要采用不同的模式进行控制。在运行过程中，需要采用速度模式进行控制，而在需要停车时，则需要将控制模式转换到位置模式，即增加位置环，使电机角度误差为调节器输入变量进行控制，使电机停车角度值满足要求。

　　缝纫机自身的运动特点是：需要频繁的进行起停操作。因此主轴在升降速过程中，实际转速是在不断变化的，即使是在匀速段，转速也是在一个区间范围内波动。而在系统实际应用中，为了达到更好的控制效果及考虑到机械自身的原因，在速度模式控制中，在不同的转速下采用了适应控制，这样可以使得在不同工况下，都表现出较好的性能。

　　2振动与噪声的抑制工业缝纫机运行时引起的振动与噪声的部分有诸多方面，其中包括主轴驱动部分。而主轴电机在运转过程中，会带动上下轴、偏心机构、连杆和齿轮等部分运动，这些机构在运动过程中，便会产生振动与噪声。因此下面将侧重从主轴驱动方面去分析解决机械振动噪音的问题。

　　由于对产品的要求不断增高，用户在使用中，希望由于机器的运转产生的噪声会小一些。而控制噪声的方式有以下几种：对声源进行控制；采用吸声装置；隔绝声音；对接收者进行保护。而在实际产品中，为了降低噪声，*根本的方法是对声源进行控制。而在声源的控制中，也有多种途径。

　　调节滤波器增益值的优化为获得更好的响应速度，在不同的负载和工况下，根据状态反馈重构了不同的调节滤波器。但上述控制策略存在的缺陷是，由于调节滤波器中的不同参数值，是根据不同的负载情况和运行速度，这样在实际运行中，滤波器就有可能在某不同的值之间频繁的切换。这样使得在控制中，力矩的输出不够平滑，加剧了机械的振动，从而使得机械振动和噪声加大。

　　上述问题的解决方法是，针对具体机械条件进行详细测试，设置具有代表性的通用滤波器参数，根据实际运行情况，选择性能较好的一组。同时，应尽量对相邻工况参数下的滤波器参数值进行内插，使其尽量保持均匀变化。

　　陷波滤波器的设计为了设计合理的滤波器，测量了三个不同部位的振动信号，并通过示波器采集了波形。这三个部位分别为：机臂的方向及机头的方向。

　　然后通过将上述波形读取成数据，进行快速傅里叶变化，获得其三个方向的频谱分布如图所示。

　　因机械的振动是由多方面引起的，而其中主要一方面是由主轴的转动引起的。而在主轴驱动控制系统中，？缝制机械专栏？

　　主轴的力矩输出主要由电流给定决定。

　　因此下面设计的滤波器也是针对电流给定而设计的。由上面的频谱分布可知，频率振幅的*大点在附近。而人耳对的频率感觉是*敏感的，因此需要设计一个陷波滤波器左右的频率振幅，从而可以很大程度上改善机械的振动与噪声。针对上述分析，本文采用有限脉冲响应控制器，而滤波器的只与，…相关。所采用滤波器的具体表达式为：下面对所采用的滤波器进行简要分析。而分析线性滤波器的一种方法是变换。

　　变换将离散时间序列转换到频域。下面给出变换的定义：在描述一种模拟系统的增益和相位时，可以使用其变换：。同样，使用数字滤波器的变换确定其增益和相位响应。由式可得：从而可以得到：经过整理可得：于是可以得到增益和相位为：增益姨相位通过作图工具，可以得到采用滤波器后，频率分布与增益的关系见图图中，横坐标为不同频率与系统频率的比值，即s.纵坐标为增益值。通过上述分析，可以得知应用此滤波器后，已知系统的采样频率为左右的频率幅值被极大衰减。

　　3实验验证为了验证实际效果，在程序更改后，又重新对上述三个测试点进行了振动情况测量。图是程序更改后三个振动测试点的频谱分析。

　　通过图中表现及分析可知，频率分布中的敏感频率幅值明显被衰减。

　　机械的振动及噪声明显减小，达到了预期效果。

　　4结论主轴驱动控制系统是缝纫机整套控制系统中很关键的一部分，因此本文对其做了着重阐述，主要包括永磁同步电动机的选用、矢量控制系统及所采用的滤波器控制策略。

　　针对机械的振动与噪音问题，主要从驱动方面解决问题。所采取的策略有：对重构调节滤波器进行了改进，使电机的转矩输出更平滑，从而减小了机械的振动噪声；对电流给定加入了陷波数字滤波器，进一步抑制了机械的振动与噪声。

　　为了验证实际效果，测量了程序更改后机械的振动信号，并通过的快速傅里叶变换对其进行了频率分析，从实验结果可以看出，敏感段频率幅值明显减小。振动的频谱分布及幅值均有所改善。从而也验证滤波器的改进确实减小了机械的振动噪声，提高了系统整体性能和绿色缝纫特性。

　　机械工业出版社，2003.