高速工業(yè)平縫機轉速測量方法研究

摘要：針對寬調速范圍高速工業(yè)平縫機無(wú)刷直流電機的轉速測量方法進(jìn)行研究。分析了脈沖計數法與脈沖周期法的原理與實(shí)現，測量精度與轉速的關(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(gè)調速范圍內都可以得到精度較高的速度參數。實(shí)際應用結果表明，所提出的轉速測量方法較好地滿(mǎn)足了高速工業(yè)平縫機控制律的響應時(shí)間以及精度的要求。
關(guān)鍵詞：無(wú)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(zhù)近年縫制工業(yè)的發(fā)展，高速工業(yè)平縫機以其自動(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(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，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精度要求較高，本設計要求速度測量誤差不大于O.5％。

1 無(wú)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(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(zhù)一定數量的光電孔，當光透過(guò)光電孔的時(shí)，光敏傳感器產(chǎn)生邏輯“1”信號；當發(fā)光二極管被遮住時(shí)，光敏傳感器產(chǎn)生邏輯“0”信號。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。
通過(guò)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(guò)選擇不同的光電編碼器，電機旋轉一周可以產(chǎn)生不同的不同個(gè)數的脈沖信號。這里假設電機旋轉一周產(chǎn)生的脈沖數為N。，轉速的算法可以采用兩種算法。
1.1 脈沖計數法
在單位時(shí)間內對位置脈沖信號計數，以獲得單位時(shí)間的轉角來(lái)計算速度。若時(shí)間間隔為采樣時(shí)間Ts，測量的脈沖數為M，則被測的速度由：

計算得到。采樣周期Ts由控制系統的性能決定，則轉速n與單位時(shí)間內脈沖數成正比。
脈沖計數方法對轉速的測量可以通過(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，具體的實(shí)現后文會(huì )有講述。
1．2 脈沖周期法
測量位置信號一個(gè)周期的時(shí)間，以獲得固定角度的時(shí)間來(lái)計算速度。其中時(shí)間的測量可以通過(guò)微處理器的時(shí)鐘計數來(lái)獲得。若微處理器的時(shí)鐘頻率為fo,一個(gè)位置脈沖信號周期內計數的時(shí)鐘數為m，則被測試的速度可由：

計算得到。當微處理器的時(shí)鐘f0和脈沖數N0確定后，轉速n與脈沖周期內時(shí)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(shí)器產(chǎn)生外部中斷來(lái)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(shí)現
在高速工業(yè)平縫機的硬件設計中，選用了基于A(yíng)RM7內核的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)現光電編碼器的脈沖信號捕獲來(lái)計算速度。LPC2138可以通過(guò)軟件配置其時(shí)鐘頻率，本設計中采用了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最好先經(jīng)過(guò)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(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目，根據式(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(huì )觸發(fā)處理器中斷，在相應的中斷處理函數里面讀取定時(shí)器的寄存器的值，進(jìn)而根據式(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(pán)構成的直流無(wú)刷電機位置檢測系統中，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(jiàn)的輸出脈沖數有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。