高速工業平縫機轉速測量方法研究

姜建奎　劉建成

摘 要：針對寬調速范圍高速工業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，所提出的轉速測量方法較好地滿足了高速工業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；高速工業平縫機；速度測量；寬范圍調速

中圖分類號：TM302.1文獻標識碼：A

文章編號：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

隨著近年縫制工業的發展，高速工業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，逐步取代傳統的機械式縫紉機。目前我國對工業縫紉機的需求巨大。高速工業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N0，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璼，測量的脈沖數為M，則被測的速度由：

n=60MN0T璼(1)

計算得到。采樣周期T璼由控制系統的性能決定，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t=kT璼時刻的M值為:

M(k)=θ(k)·θ(k-1)

式中：θ(k)為t=kT璼時采用的位置信號，具體的實現后文會有講述。

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來獲得。若微處理器的時鐘頻率為f0，一個位置脈沖信號周期內計數的時鐘數為m，則被測試的速度可由:

n=60f0N0m(2)

計算得到。當微處理器的時鐘f0和脈沖數N0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240，720，1 024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與采樣周期T璼,位置分辨率N0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：

Δn=60(M+1)N0T璼-60MN0T璼=60N0T璼(3)

相對精度為:

Δnn×100%=60N0T璼n×100%(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璼，或者較高的位置分辨率，并且與電機的轉速n成反比。本系統的調速范圍為300~8 000 r/min，系統控制律設計的采樣周期T璼為5 ms，可以計算得到各種轉速時的測量精度，見表1。

表1 采用脈沖計數法在各種轉速下的測量精度

電機轉速 /r/min速度測量精度 /%

3005.56

1 0001.67

3 0000.56

5 0000.33

8 0000.21

表1中的數據表明，脈沖計數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，計數脈沖m與時鐘頻率f0、位置分辨率N0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:

Δn=60f0N0m-60f0N0(m+1)=

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

得到相對速度精度為:

Δnn×100%=N0nN0n+60f0×100%(6)

當微處理器時鐘為f0=12 MHz，根據式(6)計算可以得到各種轉速時的測量精度見表2。

表2 采用脈沖周期法在各種轉速下的測量精度

電機轉速 /r/min速度測量精度 /%

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范圍。對于轉速范圍較大的調速系統，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N0=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。

圖1 兩種測速方法的速度n與精度S的曲線

這表示當n＞n0時，采用的脈沖計數法測速精度可以高于0.407 4%；而當n＜n0時，采用脈沖周期法時測速精度也能高于0.407 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域。

切換區域可以這樣設置，n2＜n0＜n1。根據需要，

測量的精度必須小于0.5%,根據式(4)，計算在n2=

3 600 r/min時，測量誤差為0.462 9%；根據式(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0.5%。

4 結 語

由于需要精確的停針控制，對高速工業平縫機的速度測量的精度要求較高，本文針對高速工業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%，滿足系統控制律的需要。

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作者簡介

姜建奎 男，1985年出生，在讀碩士研究生。主要研究方向為嵌入式系統與自動化控制。

劉建成 男，1963年出生，博士，副教授，碩士生導師。研究方向為模糊控制，機器學習等。