摘 要：論文針對(duì)寬調(diào)速范圍高速工業(yè)平縫機(jī)無(wú)刷直流電機(jī)的轉(zhuǎn)速測(cè)量方法進(jìn)行研究。分析了脈沖計(jì)數(shù)法與脈沖周期法的原理與實(shí)現(xiàn)，測(cè)量精度與轉(zhuǎn)速的關(guān)系，提出在不同的速度段采用不同的速度測(cè)量方法，以保證在整個(gè)調(diào)速范圍內(nèi)都可以得到精度較高的速度參數(shù)。實(shí)際應(yīng)用結(jié)果表明，論文提出的轉(zhuǎn)速測(cè)量方法較好的滿足了高速工業(yè)平縫機(jī)控制律的響應(yīng)時(shí)間以及精度的要求。 關(guān)鍵詞：無(wú)刷直流電機(jī);高速工業(yè)平縫機(jī);速度測(cè)量;寬范圍調(diào)速 [b][align=center]Rotative Speed Measurement Methods Researching for high - Speed Wide-Range Flat sewing machine[/align][/b]

JIANG Jian-kui LIU Jian-chen

Abstract: The rotative speed measurement methods of high - speed wide - range flat sewing machine brushless DC motor are discussed. Pulse numeration method and pulse period method are introduced in the paper, the precision of these two methods and the relation of precision and rotative speed are analyzed, based on the analysis a compounding method that is suitable for the whole speed range with higher precision is advanced. The application shows that the compounding method has reached the precision and respond time of the control rule. Key words: brushless DC motor, high-speed flat sewing machine, speed measurement, wide-range-timing 0 引言 　　隨著近年縫制工業(yè)的發(fā)展，高速工業(yè)平縫機(jī)以其自動(dòng)化程度高、操作簡(jiǎn)單以及能大幅度提高縫制效率，逐步取代傳統(tǒng)的機(jī)械式縫紉機(jī)。目前我國(guó)對(duì)工業(yè)縫紉機(jī)的需求巨大。高速工業(yè)平縫機(jī)的主要技術(shù)難點(diǎn)在于快速精確的停針控制，由于縫制工藝的特殊性，一般要求在300-8000 r/min 速度范圍內(nèi)，控制在3圈內(nèi)停針，并且停針精度在 5mm內(nèi)。這樣對(duì)停針控制算法有較高的要求，因此對(duì)提供給控制算法的速度參數(shù)精度要求較高，本設(shè)計(jì)要求速度測(cè)量誤差不大于0.5%。 1 無(wú)刷直流電機(jī)的速度測(cè)量 　　速度測(cè)量的方法有很多種，如霍爾轉(zhuǎn)速傳感器、測(cè)速發(fā)電機(jī)、光電式轉(zhuǎn)速傳感器、感應(yīng)式轉(zhuǎn)速傳感器和旋轉(zhuǎn)變壓器式轉(zhuǎn)速傳感器等。在工業(yè)平縫機(jī)中，用的比較多的是增量式光電編碼器，它不但可以檢測(cè)電機(jī)的轉(zhuǎn)速，而且還可以測(cè)定電機(jī)的運(yùn)動(dòng)方向，增量式光電編碼器的工作原理是:在刻度盤(pán)上均勻分布著一定數(shù)量的光電孔，當(dāng)光透過(guò)光電孔的時(shí)，光敏傳感器產(chǎn)生邏輯“1”信號(hào);當(dāng)發(fā)光二極管被遮住時(shí)，光敏傳感器產(chǎn)生邏輯“0”信號(hào)。如此，兩個(gè)光敏傳感器會(huì)產(chǎn)生A、B兩路相位相差90°的正交信號(hào)[1][2]。 　　通過(guò)檢測(cè)光電編碼器輸出的脈沖，可以計(jì)算出平縫機(jī)的速度。通過(guò)選擇不同的光電編碼器，電機(jī)旋轉(zhuǎn)一周可以產(chǎn)生不同的不同個(gè)數(shù)的脈沖信號(hào)。這里假設(shè)電機(jī)旋轉(zhuǎn)一周產(chǎn)生的脈沖數(shù)為N[sub]0[/sub]，轉(zhuǎn)速的算法可以采用兩種算法[3]。 　　1.1脈沖計(jì)數(shù)法 　　在單位時(shí)間內(nèi)對(duì)位置脈沖信號(hào)計(jì)數(shù)，以獲得單位時(shí)間的轉(zhuǎn)角來(lái)計(jì)算速度。若時(shí)間間隔為采樣時(shí)間T[sub]s[/sub]，測(cè)量的脈沖數(shù)為M，則被測(cè)的速度為： 　　 （1） 　　計(jì)算得到。采樣周期T[sub]s[/sub]由控制系統(tǒng)的性能決定。則轉(zhuǎn)速n與單位時(shí)間內(nèi)脈沖數(shù)成正比。 　　脈沖計(jì)數(shù)方法對(duì)轉(zhuǎn)速的測(cè)量可以通過(guò)如下的軟件流程完成，M由兩次采樣的差值獲得，即時(shí)刻的M值為 　　 　　 式中為時(shí)采用的位置信號(hào)，具體的實(shí)現(xiàn)論文后面會(huì)有講述。 　　1.2脈沖周期法 　　測(cè)量位置信號(hào)一個(gè)周期的時(shí)間，以獲得固定角度的時(shí)間來(lái)計(jì)算速度。其中的時(shí)間的測(cè)量可 　　以通過(guò)微處理器的時(shí)鐘計(jì)數(shù)來(lái)獲得。若微處理器的時(shí)鐘頻率為f[sub]0[/sub]，一個(gè)位置脈沖信號(hào)的周期內(nèi)的計(jì)數(shù)的時(shí)鐘數(shù)為m，則被測(cè)試的速度可由 　　 （2） 　　計(jì)算得到。當(dāng)微處理器的時(shí)鐘f[sub]0[/sub]和脈沖數(shù)N[sub]0[/sub]確定后，轉(zhuǎn)速n與脈沖周期內(nèi)時(shí)鐘數(shù)m成反比。 　　脈沖周期測(cè)量方法，可以用光電編碼器的信號(hào)A或者B對(duì)微處理器的定時(shí)器產(chǎn)生外部中斷來(lái)測(cè)量脈沖的寬度，再由式（2）計(jì)算獲得轉(zhuǎn)速。 　　1.3兩種測(cè)量方法的實(shí)現(xiàn) 　　在高速工業(yè)平縫機(jī)的硬件設(shè)計(jì)中，選用了基于ARM7內(nèi)核的LPC2138作為主控制器，利用LPC2138的外部捕獲功能，通過(guò)軟件編程，比較容易實(shí)現(xiàn)光電編碼器的脈沖信號(hào)捕獲來(lái)計(jì)算速度[5]。LPC2138作可以通過(guò)軟件配置其時(shí)鐘頻率，本設(shè)計(jì)中采用了12MHZ的時(shí)鐘頻率。同時(shí)需要注意的是，為了保證電路的可靠性，光電編碼器的脈沖信號(hào)最好先經(jīng)過(guò)高速光耦隔離后再接入LPC2138 的捕獲引腳。對(duì)于脈沖計(jì)數(shù)法，利用定時(shí)器定時(shí)中斷，在中斷處理程序里面讀取捕獲到的光電編碼器脈沖的數(shù)目，根據(jù)（1）式可以計(jì)算出速度。對(duì)于脈沖周期法，光電編碼器的脈沖信號(hào)會(huì)觸發(fā)處理器中斷，在相應(yīng)的中斷處理函數(shù)里面讀取定時(shí)器的寄存器的值，進(jìn)而根據(jù)（2）式可以計(jì)算到速度。 2 兩種測(cè)量方法的精度分析 　　在使用增量式光電編碼盤(pán)構(gòu)成的直流無(wú)刷電機(jī)位置檢測(cè)系統(tǒng)中，位置的測(cè)量精度取決于光電編碼器在電機(jī)旋轉(zhuǎn)一周中輸出的脈沖數(shù)，常見(jiàn)的輸出脈沖數(shù)有240，720，1024等，本設(shè)計(jì)采用的是輸出為720的光電編碼器。下面分析速度測(cè)量的精度。 　　2.1 脈沖計(jì)數(shù)測(cè)量法的精度分析 　　在脈沖計(jì)數(shù)法的速度測(cè)量中，計(jì)數(shù)脈沖數(shù)M與采用周期T[sub]s[/sub]、位置分辨率N[sub]0[/sub]相關(guān)，當(dāng)計(jì)數(shù)脈沖從M變化到M+1時(shí)，根據(jù)式1，脈沖計(jì)數(shù)測(cè)量法的速度誤差為： 　　 （3） 　　得到相對(duì)精度為 　　 （4） 　　顯然要提高轉(zhuǎn)速相對(duì)測(cè)量精度可以采用較大的采樣周期T[sub]s[/sub]，或者較高的位置分辨率，并且與電機(jī)的轉(zhuǎn)速n成反比。本系統(tǒng)的調(diào)速范圍為300 – 8000 r/min，在系統(tǒng)控制律的設(shè)計(jì)的采樣周期T[sub]s[/sub]為5ms，可以計(jì)算得到各種轉(zhuǎn)速時(shí)的測(cè)量精度見(jiàn)表1，表中的數(shù)據(jù)為百分?jǐn)?shù)。 　　表1中的數(shù)據(jù)表明，脈沖計(jì)數(shù)法高轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)精度較高。該方法適用與電機(jī)高速運(yùn)行中。 　　2.2 脈沖周期測(cè)量法的精度分析 　　脈沖周期法由處理器的時(shí)鐘計(jì)數(shù)，計(jì)數(shù)脈沖m與時(shí)鐘頻率f[sub]0[/sub]、位置分辨率N[sub]0[/sub]相關(guān)，當(dāng)計(jì)數(shù)脈沖由m變化到m+1時(shí)，根據(jù)式（2）脈沖測(cè)量法的誤差為 　　 （5） 　　得到相對(duì)速度精度為 　　 （6） 　　當(dāng)微處理器時(shí)鐘為f[sub]0[/sub]=12MHZ，根據(jù)式（6）計(jì)算可以得到各種轉(zhuǎn)速時(shí)的測(cè)量精度見(jiàn)表2，表中的數(shù)據(jù)為百分?jǐn)?shù)。 　　通過(guò)數(shù)據(jù)表中可以知道，脈沖周期法的測(cè)量方法，在電機(jī)低速范圍內(nèi)測(cè)量精度較高，在高速情況下精度較差。同時(shí)，在實(shí)際應(yīng)用中，采用脈沖周期測(cè)量法時(shí)，是通過(guò)光電編碼器的輸出脈沖引起處理器中斷，如果在高速階段使用該方法，會(huì)導(dǎo)致處理器頻繁中斷，大量耗費(fèi)處理器時(shí)間。 3 高速工業(yè)平縫機(jī)轉(zhuǎn)速測(cè)量方法 　　根據(jù)以上的精度分析，脈沖計(jì)數(shù)法用于高速范圍，而脈沖周期法適用于低速。對(duì)于轉(zhuǎn)速范圍較大的調(diào)速系統(tǒng)，采用以上的任一測(cè)速方法，都難以保全在全調(diào)速范圍內(nèi)有高的測(cè)速精度，只有將兩種方法組合才能得到較理想的結(jié)果。 　　3.1 轉(zhuǎn)速的組合測(cè)量方法 　　將N[sub]0[/sub]=720 代入式（4），（6），做出圖1的“精度/ 轉(zhuǎn)速（S/n）”曲線，圖中S代表精度，用百分?jǐn)?shù)表示，n代表轉(zhuǎn)速。圖中兩條曲線的交點(diǎn)為S[sub]0[/sub]=0.4074，轉(zhuǎn)速為n[sub]0[/sub] = 4091 r/min. [align=center] 圖1 兩種測(cè)速方法的速度n與精度S的曲線[/align] 　　這表示當(dāng)n>n[sub]0[/sub]時(shí)，采用的脈沖計(jì)數(shù)法測(cè)速精度可以高于0.4074%，而當(dāng)n 4 結(jié)論 　　由于需要精確的停針控制，對(duì)高速工業(yè)平縫機(jī)的速度測(cè)量的精度要求較高，本文針對(duì)高速工業(yè)平縫機(jī)提出的速度測(cè)量方法，經(jīng)過(guò)實(shí)踐檢驗(yàn)，證明了該方法的正確性和準(zhǔn)確性，能夠保證速度測(cè)量誤差小于0.5%，滿足系統(tǒng)控制律的需要。 參考文獻(xiàn) 　　[1]. 李為民, 姜漫. 基于光電編碼器的速度反饋與控制計(jì)數(shù)[J]. 現(xiàn)代電子技術(shù), 2004（23）. 　　[2]. 姜慶民.一種基于光電編碼器的高精度測(cè)速和測(cè)加速度方法[J].微計(jì)算機(jī)信息，2004 　　[3]. 董云翔, 劉宇杰. 航空高速寬范圍調(diào)速電機(jī)的轉(zhuǎn)速測(cè)量方法研究[J].計(jì)算機(jī)測(cè)量與控制，2005.13（2） 　　[4]. 張琛. 直流無(wú)刷電動(dòng)機(jī)原理及應(yīng)用[M].北京:機(jī)械工業(yè)出版社，2001 　　[5]. LPC2131/2132/2138 User Manual. Philips Semiconductors 2004