高速工業(yè)平縫機(jī)轉(zhuǎn)速測(cè)量方法研究

摘要：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，所提出的轉(zhuǎn)速測(cè)量方法較好地滿足了高速工業(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

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300～8 000 r/min速度范圍內(nèi)，控制在3圈內(nèi)停針，并且停針精度在±5 mm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O.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)。
    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。，轉(zhuǎn)速的算法可以采用兩種算法。
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Ts，測(cè)量的脈沖數(shù)為M，則被測(cè)的速度由：

   
計(jì)算得到。采樣周期Ts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t＝ksT，時(shí)刻的M值為：

   
式中：θ(k)為t=kTs時(shí)采用的位置信號(hào)，具體的實(shí)現(xiàn)后文會(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fo,一個(gè)位置脈沖信號(hào)周期內(nèi)計(jì)數(shù)的時(shí)鐘數(shù)為m，則被測(cè)試的速度可由：

   
計(jì)算得到。當(dāng)微處理器的時(shí)鐘f0和脈沖數(shù)N0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。LPC2138可以通過(guò)軟件配置其時(shí)鐘頻率，本設(shè)計(jì)中采用了12 MHz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)式(1)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)式(2)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240，720，1 024等，本設(shè)計(jì)采用輸出為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與采樣周期Ts，位置分辨率No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：

   
相對(duì)精度為：

   
    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Ts，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300～8 000 r／min，系統(tǒng)控制律設(shè)計(jì)的采樣周期Ts，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l中的數(shù)據(jù)表明，脈沖計(jì)數(shù)法在高轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)精度較高。該方法適用于電機(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f0、位置分辨率N0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：

   
    得到相對(duì)速度精度為：

   
    當(dāng)微處理器時(shí)鐘為，f0=12 MHz，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。

    通過(guò)表2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范圍。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)有較高的測(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No=720代入式(4)，式(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S0=0．407 4，轉(zhuǎn)速為n0=4 091 r／min。

    這表示當(dāng)n>n0，采用的脈沖計(jì)數(shù)法測(cè)速精度可以高于O．407 4％；而當(dāng)n<n0時(shí)，采用脈沖周期法時(shí)測(cè)速精度也能高于O．407 4％。
    所謂組合測(cè)速法即是當(dāng)轉(zhuǎn)速大于n0時(shí)使用脈沖計(jì)算法，而當(dāng)速度小于n0時(shí)使用脈沖周期法，保證整個(gè)轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)測(cè)試精度高于S0。
3．2 測(cè)量方法的切換
    采用組合測(cè)量的方法需要在圖1的兩條曲線的交點(diǎn)處對(duì)速度測(cè)量進(jìn)行切換，但是在實(shí)際的編程過(guò)程中，考慮到在某些情況下，轉(zhuǎn)速可能會(huì)在n0處反復(fù)切換，這樣會(huì)導(dǎo)致測(cè)量方法頻繁切換，影響測(cè)量精度。因此在實(shí)際的編程過(guò)程中，采用的方式是設(shè)置了一個(gè)速度測(cè)量切換區(qū)域。
    切換區(qū)域可以這樣設(shè)置，n2<n0<n1。根據(jù)需要，測(cè)量的精度必須小于0．5％，根據(jù)式(4)，計(jì)算在n2=3 600 r／min時(shí)，測(cè)量誤差為O．462 9％；根據(jù)式(6)，在n1=4 400 r／min時(shí)，測(cè)量的誤差為0．438 0％。因此實(shí)際的編程中，速度測(cè)量的切換是當(dāng)轉(zhuǎn)速?gòu)牡退偕仙? 400 r／min時(shí)，測(cè)速方法轉(zhuǎn)換為脈沖計(jì)數(shù)法，而當(dāng)轉(zhuǎn)速?gòu)母咚傧陆档? 600 r／min時(shí)轉(zhuǎn)換到脈沖周期法。這時(shí)全范圍的測(cè)速精度高于O．5％。

4 結(jié) 語(yǔ)
    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O．5％，滿足系統(tǒng)控制律的需要。