摘要：針對寬調速范圍高速工業(yè)平縫機無刷直流電機的轉速測量方法進行研究。分析了脈沖計數(shù)法與脈沖周期法的原理與實現(xiàn)，測量精度與轉速的關系，提出在不同的速度段采用不同的速度測量方法，以保證在整個調速范圍內都可以得到精度較高的速度參數(shù)。實際應用結果表明，所提出的轉速測量方法較好地滿足了高速工業(yè)平縫機控制律的響應時間以及精度的要求。
關鍵詞：無刷直流電機；高速工業(yè)平縫機；速度測量；寬范圍調速
0 引 言
隨著近年縫制工業(yè)的發(fā)展，高速工業(yè)平縫機以其自動化程度高、操作簡單以及能大幅度提高縫制效率，逐步取代傳統(tǒng)的機械式縫紉機。目前我國對工業(yè)縫紉機的需求巨大。高速工業(yè)平縫機的主要技術難點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，控制在3圈內停針，并且停針精度在±5 mm內。這樣對停針控制算法有較高的要求，因此對提供給控制算法的速度參數(shù)精度要求較高，本設計要求速度測量誤差不大于O.5％。
1 無刷直流電機的速度測量
速度測量的方法有很多種，如霍爾轉速傳感器、測速發(fā)電機、光電式轉速傳感器、感應式轉速傳感器和旋轉變壓器式轉速傳感器等。在工業(yè)平縫機中，用的比較多的是增量式光電編碼器，它不但可以檢測電機的轉速，而且還可以測定電機的運動方向，增量式光電編碼器的工作原理是：在刻度盤上均勻分布著一定數(shù)量的光電孔，當光透過光電孔的時，光敏傳感器產生邏輯“1”信號；當發(fā)光二極管被遮住時，光敏傳感器產生邏輯“0”信號。如此，兩個光敏傳感器會產生A，B兩路相位相差90°的正交信號。
通過檢測光電編碼器輸出的脈沖，可以計算出平縫機的速度。通過選擇不同的光電編碼器，電機旋轉一周可以產生不同的不同個數(shù)的脈沖信號。這里假設電機旋轉一周產生的脈沖數(shù)為N。，轉速的算法可以采用兩種算法。
1.1 脈沖計數(shù)法
在單位時間內對位置脈沖信號計數(shù)，以獲得單位時間的轉角來計算速度。若時間間隔為采樣時間Ts，測量的脈沖數(shù)為M，則被測的速度由：
計算得到。采樣周期Ts由控制系統(tǒng)的性能決定，則轉速n與單位時間內脈沖數(shù)成正比。
脈沖計數(shù)方法對轉速的測量可以通過如下的軟件流程完成，M由兩次采樣的差值獲得，即t＝ksT，時刻的M值為：
式中：θ(k)為t=kTs時采用的位置信號，具體的實現(xiàn)后文會有講述。
1．2 脈沖周期法
測量位置信號一個周期的時間，以獲得固定角度的時間來計算速度。其中時間的測量可以通過微處理器的時鐘計數(shù)來獲得。若微處理器的時鐘頻率為fo,一個位置脈沖信號周期內計數(shù)的時鐘數(shù)為m，則被測試的速度可由：
計算得到。當微處理器的時鐘f0和脈沖數(shù)N0確定后，轉速n與脈沖周期內時鐘數(shù)m成反比。
脈沖周期測量方法，可以用光電編碼器的信號A或者B對微處理器的定時器產生外部中斷來測量脈沖的寬度，再由式(2)計算獲得轉速。
1．3 兩種測量方法的實現(xiàn)
在高速工業(yè)平縫機的硬件設計中，選用了基于ARM7內核的LPC2138作為主控制器，利用LPC2138的外部捕獲功能，通過軟件編程，比較容易實現(xiàn)光電編碼器的脈沖信號捕獲來計算速度。LPC2138可以通過軟件配置其時鐘頻率，本設計中采用了12 MHz的時鐘頻率。同時需要注意的是，為了保證電路的可靠性，光電編碼器的脈沖信號最好先經過高速光耦隔離后再接入LPC2138的捕獲引腳。對于脈沖計數(shù)法，利用定時器定時中斷，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)可以計算出速度。對于脈沖周期法，光電編碼器的脈沖信號會觸發(fā)處理器中斷，在相應的中斷處理函數(shù)里面讀取定時器的寄存器的值，進而根據(jù)式(2)可以計算到速度。
2 兩種測量方法的精度分析
在使用增量式光電編碼盤構成的直流無刷電機位置檢測系統(tǒng)中，位置的測量精度取決于光電編碼器在電機旋轉一周中輸出的脈沖數(shù)，常見的輸出脈沖數(shù)有240，720，1 024等，本設計采用輸出為720的光電編碼器。下面分析速度測量的精度。
2.1 脈沖計數(shù)測量法的精度分析
在脈沖計數(shù)法的速度測量中，計數(shù)脈沖數(shù)M與采樣周期Ts，位置分辨率No相關，當計數(shù)脈沖從M變化到M+1時，根據(jù)式(1)，脈沖計數(shù)測量法的速度誤差為：
相對精度為：
顯然，要提高轉速相對測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，并且與電機的轉速n成反比。本系統(tǒng)的調速范圍為300～8 000 r／min，系統(tǒng)控制律設計的采樣周期Ts，為5ms，可以計算得到各種轉速時的測量精度，見表1。
表l中的數(shù)據(jù)表明，脈沖計數(shù)法在高轉速范圍內精度較高。該方法適用于電機高速運行中。
2．2 脈沖周期測量法的精度分析
脈沖周期法由處理器的時鐘計數(shù)，計數(shù)脈沖m與時鐘頻率f0、位置分辨率N0相關，當計數(shù)脈沖由m變化到m+1時，根據(jù)式(2)脈沖測量法的誤差為：
得到相對速度精度為：
當微處理器時鐘為，f0=12 MHz，根據(jù)式(6)計算可以得到各種轉速時的測量精度見表2。
通過表2可以知道，脈沖周期法的測量方法在電機低速范圍內測量精度較高，在高速情況下精度較差。同時，在實際應用中，采用脈沖周期測量法時，是通過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，會導致處理器頻繁中斷，大量耗費處理器時間。
3 高速工業(yè)平縫機轉速測量方法
根據(jù)以上的精度分析，脈沖計數(shù)法用于高速范圍，而脈沖周期法適用于低速范圍。對于轉速范圍較大的調速系統(tǒng)，采用以上的任一測速方法，都難以保全在全調速范圍內有較高的測速精度，只有將兩種方法組合才能得到較理想的結果。
3．1 轉速的組合測量方法
將No=720代入式(4)，式(6)，做出圖1的“精度／轉速(S／n)”曲線，圖中S代表精度，用百分數(shù)表示，n代表轉速。圖中兩條曲線的交點為S0=0．407 4，轉速為n0=4 091 r／min。
這表示當n>n0，采用的脈沖計數(shù)法測速精度可以高于O．407 4％；而當n<n0時，采用脈沖周期法時測速精度也能高于O．407 4％。
所謂組合測速法即是當轉速大于n0時使用脈沖計算法，而當速度小于n0時使用脈沖周期法，保證整個轉速范圍內測試精度高于S0。
3．2 測量方法的切換
采用組合測量的方法需要在圖1的兩條曲線的交點處對速度測量進行切換，但是在實際的編程過程中，考慮到在某些情況下，轉速可能會在n0處反復切換，這樣會導致測量方法頻繁切換，影響測量精度。因此在實際的編程過程中，采用的方式是設置了一個速度測量切換區(qū)域。
切換區(qū)域可以這樣設置，n2<n0<n1。根據(jù)需要，測量的精度必須小于0．5％，根據(jù)式(4)，計算在n2=3 600 r／min時，測量誤差為O．462 9％；根據(jù)式(6)，在n1=4 400 r／min時，測量的誤差為0．438 0％。因此實際的編程中，速度測量的切換是當轉速從低速上升到4 400 r／min時，測速方法轉換為脈沖計數(shù)法，而當轉速從高速下降到3 600 r／min時轉換到脈沖周期法。這時全范圍的測速精度高于O．5％。
4 結 語
由于需要精確的停針控制，對高速工業(yè)平縫機的速度測量的精度要求較高，本文針對高速工業(yè)平縫機提出的速度測量方法，經過實踐檢驗，證明了該方法的正確性和準確性，能夠保證速度測量誤差小于O．5％，滿足系統(tǒng)控制律的需要。
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