姜建奎　劉建成

摘 要：針對(duì)寬調(diào)速范圍高速工業(yè)平縫機(jī)無刷直流電機(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

中圖分類號(hào)：TM302.1文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

文章編號(hào)：1004-373X(2009)05-105-03

Research on Rotative Speed Measurement Method for High Speed

Wide-range Flat Sewing Machine

JIANG Jiankui,LIU Jiancheng

(School of Information Science and Engineering,Central South University,Changsha,410075,China)

Abstract：The rotative speed measurement method of high speed wide-range flat sewing machine brushless DC motor is 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.

Keywords：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300~8 000 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0.5%。

1 無刷直流電機(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：在刻度盤上均勻分布著一定數(shù)量的光電孔，當(dāng)光透過光電孔的時(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N0，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)角來計(jì)算速度。若時(shí)間間隔為采樣時(shí)間T璼，測(cè)量的脈沖數(shù)為M，則被測(cè)的速度由：

n=60MN0T璼(1)

計(jì)算得到。采樣周期T璼由控制系統(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)量可以通過如下的軟件流程完成，M由兩次采樣的差值獲得，即t=kT璼時(shí)刻的M值為:

M(k)=θ(k)·θ(k-1)

式中：θ(k)為t=kT璼時(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)間來計(jì)算速度。其中時(shí)間的測(cè)量可以通過微處理器的時(shí)鐘計(jì)數(shù)來獲得。若微處理器的時(shí)鐘頻率為f0，一個(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:

n=60f0N0m(2)

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)捕獲來計(jì)算速度［5］。LPC2138可以通過軟件配置其時(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構(gòu)成的直流無刷電機(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T璼,位置分辨率N0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：

Δn=60(M+1)N0T璼-60MN0T璼=60N0T璼(3)

相對(duì)精度為:

Δnn×100%=60N0T璼n×100%(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璼，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T璼為5 ms，可以計(jì)算得到各種轉(zhuǎn)速時(shí)的測(cè)量精度，見表1。

表1 采用脈沖計(jì)數(shù)法在各種轉(zhuǎn)速下的測(cè)量精度

電機(jī)轉(zhuǎn)速 /r/min速度測(cè)量精度 /%

3005.56

1 0001.67

3 0000.56

5 0000.33

8 0000.21

表1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:

Δn=60f0N0m-60f0N0(m+1)=

60f0N0m(m+1)=N0n2N0n+60f0(5)

得到相對(duì)速度精度為:

Δnn×100%=N0nN0n+60f0×100%(6)

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)量精度見表2。

表2 采用脈沖周期法在各種轉(zhuǎn)速下的測(cè)量精度

電機(jī)轉(zhuǎn)速 /r/min速度測(cè)量精度 /%

3000.030

1 0000.100

3 0000.300

5 0000.500

8 0000.793

通過表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N0=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。

圖1 兩種測(cè)速方法的速度n與精度S的曲線

這表示當(dāng)n＞n0時(shí)，采用的脈沖計(jì)數(shù)法測(cè)速精度可以高于0.407 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0.407 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0.462 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)速從低速上升到4 400 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)速從高速下降到3 600 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0.5%。

4 結(jié) 語

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。

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作者簡(jiǎn)介

姜建奎 男，1985年出生，在讀碩士研究生。主要研究方向?yàn)榍度胧较到y(tǒng)與自動(dòng)化控制。

劉建成 男，1963年出生，博士，副教授，碩士生導(dǎo)師。研究方向?yàn)槟：刂疲瑱C(jī)器學(xué)習(xí)等。