摘 要：論文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。分析了脈沖計數法與脈沖周期法的原理與實現，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。實際應用結果表明，論文提出的轉速測量方法較好的滿足了高速工業(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 [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300-8000 r/min 速度范圍內，控制在3圈內停針，并且停針精度在 5mm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精度要求較高，本設計要求速度測量誤差不大于0.5%。 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[1][2]。 　　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的脈沖信號。這里假設電機旋轉一周產生的脈沖數為N[sub]0[/sub]，轉速的算法可以采用兩種算法[3]。 　　1.1脈沖計數法 　　在單位時間內對位置脈沖信號計數，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T[sub]s[/sub]，測量的脈沖數為M，則被測的速度為： 　　 （1） 　　計算得到。采樣周期T[sub]s[/sub]由控制系統(tǒng)的性能決定。則轉速n與單位時間內脈沖數成正比。 　　脈沖計數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，即時刻的M值為 　　 　　 式中為時采用的位置信號，具體的實現論文后面會有講述。 　　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。其中的時間的測量可 　　以通過微處理器的時鐘計數來獲得。若微處理器的時鐘頻率為f[sub]0[/sub]，一個位置脈沖信號的周期內的計數的時鐘數為m，則被測試的速度可由 　　 （2） 　　計算得到。當微處理器的時鐘f[sub]0[/sub]和脈沖數N[sub]0[/sub]確定后，轉速n與脈沖周期內時鐘數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 　　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，比較容易實現光電編碼器的脈沖信號捕獲來計算速度[5]。LPC2138作可以通過軟件配置其時鐘頻率，本設計中采用了12MHZ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目，根據（1）式可以計算出速度。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里面讀取定時器的寄存器的值，進而根據（2）式可以計算到速度。 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，常見的輸出脈沖數有240，720，1024等，本設計采用的是輸出為720的光電編碼器。下面分析速度測量的精度。 　　2.1 脈沖計數測量法的精度分析 　　在脈沖計數法的速度測量中，計數脈沖數M與采用周期T[sub]s[/sub]、位置分辨率N[sub]0[/sub]相關，當計數脈沖從M變化到M+1時，根據式1，脈沖計數測量法的速度誤差為： 　　 （3） 　　得到相對精度為 　　 （4） 　　顯然要提高轉速相對測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，并且與電機的轉速n成反比。本系統(tǒng)的調速范圍為300 – 8000 r/min，在系統(tǒng)控制律的設計的采樣周期T[sub]s[/sub]為5ms，可以計算得到各種轉速時的測量精度見表1，表中的數據為百分數。 　　表1中的數據表明，脈沖計數法高轉速范圍內精度較高。該方法適用與電機高速運行中。 　　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，計數脈沖m與時鐘頻率f[sub]0[/sub]、位置分辨率N[sub]0[/sub]相關，當計數脈沖由m變化到m+1時，根據式（2）脈沖測量法的誤差為 　　 （5） 　　得到相對速度精度為 　　 （6） 　　當微處理器時鐘為f[sub]0[/sub]=12MHZ，根據式（6）計算可以得到各種轉速時的測量精度見表2，表中的數據為百分數。 　　通過數據表中可以知道，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 　　根據以上的精度分析，脈沖計數法用于高速范圍，而脈沖周期法適用于低速。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N[sub]0[/sub]=720 代入式（4），（6），做出圖1的“精度/ 轉速（S/n）”曲線，圖中S代表精度，用百分數表示，n代表轉速。圖中兩條曲線的交點為S[sub]0[/sub]=0.4074，轉速為n[sub]0[/sub] = 4091 r/min. [align=center] 圖1 兩種測速方法的速度n與精度S的曲線[/align] 　　這表示當n>n[sub]0[/sub]時，采用的脈沖計數法測速精度可以高于0.4074%，而當n 4 結論 　　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0.5%，滿足系統(tǒng)控制律的需要。 參考文獻 　　[1]. 李為民, 姜漫. 基于光電編碼器的速度反饋與控制計數[J]. 現代電子技術, 2004（23）. 　　[2]. 姜慶民.一種基于光電編碼器的高精度測速和測加速度方法[J].微計算機信息，2004 　　[3]. 董云翔, 劉宇杰. 航空高速寬范圍調速電機的轉速測量方法研究[J].計算機測量與控制，2005.13（2） 　　[4]. 張琛. 直流無刷電動機原理及應用[M].北京:機械工業(yè)出版社，2001 　　[5]. LPC2131/2132/2138 User Manual. Philips Semiconductors 2004