高速工業(yè)平縫機轉(zhuǎn)速測量方法研究

摘要：針對寬調(diào)速范圍高速工業(yè)平縫機無刷直流電機的轉(zhuǎn)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(zhuǎn)速的關(guān)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(diào)速范圍內(nèi)都可以得到精度較高的速度參數(shù)。實際應(yīng)用結(jié)果表明，所提出的轉(zhuǎn)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(yīng)時間以及精度的要求。
關(guān)鍵詞：無刷直流電機；高速工業(yè)平縫機；速度測量；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(shù)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(nèi)，控制在3圈內(nèi)停針，并且停針精度在±5 mm內(nèi)。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(shè)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(zhuǎn)速傳感器、測速發(fā)電機、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(zhuǎn)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(dāng)光透過光電孔的時，光敏傳感器產(chǎn)生邏輯“1”信號；當(dāng)發(fā)光二極管被遮住時，光敏傳感器產(chǎn)生邏輯“0”信號。如此，兩個光敏傳感器會產(chǎn)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(zhuǎn)一周可以產(chǎn)生不同的不同個數(shù)的脈沖信號。這里假設(shè)電機旋轉(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 脈沖計數(shù)法
在單位時間內(nèi)對位置脈沖信號計數(shù)，以獲得單位時間的轉(zhuǎn)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(zhuǎn)速n與單位時間內(nèi)脈沖數(shù)成正比。
脈沖計數(shù)方法對轉(zhuǎn)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(nèi)計數(shù)的時鐘數(shù)為m，則被測試的速度可由：

計算得到。當(dāng)微處理器的時鐘f0和脈沖數(shù)N0確定后，轉(zhuǎn)速n與脈沖周期內(nèi)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(chǎn)生外部中斷來測量脈沖的寬度，再由式(2)計算獲得轉(zhuǎn)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(shè)計中，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(shè)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(jīng)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(yīng)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(gòu)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(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)計采用輸出為720的光電編碼器。下面分析速度測量的精度。