高速工業(yè)平縫機中兩種測量方法的實現(xiàn)和精度分析

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。

2.1 脈沖計數(shù)測量法的精度分析

在脈沖計數(shù)法的速度測量中，計數(shù)脈沖數(shù)M與采樣周期Ts，位置分辨率No相關(guān)，當(dāng)計數(shù)脈沖從M變化到M+1時，根據(jù)式（1），脈沖計數(shù)測量法的速度誤差為：

相對精度為：

顯然，要提高轉(zhuǎn)速相對測量精度可以采用較大的采樣周期Ts，或者較高的位置分辨率，并且與電機的轉(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)計的采樣周期Ts，為5ms，可以計算得到各種轉(zhuǎn)速時的測量精度，見表1。

表l中的數(shù)據(jù)表明，脈沖計數(shù)法在高轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)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(shù)，計數(shù)脈沖m與時鐘頻率f0、位置分辨率N0相關(guān)，當(dāng)計數(shù)脈沖由m變化到m+1時，根據(jù)式（2）脈沖測量法的誤差為：

得到相對速度精度為：

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

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(nèi)測量精度較高，在高速情況下精度較差。同時，在實際應(yīng)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(dǎo)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(zhuǎn)速測量方法

根據(jù)以上的精度分析，脈沖計數(shù)法用于高速范圍，而脈沖周期法適用于低速范圍。對于轉(zhuǎn)速范圍較大的調(diào)速系統(tǒng)，采用以上的任一測速方法，都難以保全在全調(diào)速范圍內(nèi)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(jié)果。

3．1 轉(zhuǎn)速的組合測量方法

將No=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，用百分數(shù)表示，n代表轉(zhuǎn)速。圖中兩條曲線的交點為S0=0．407 4，轉(zhuǎn)速為n0=4 091 r／min。

這表示當(dāng)n》n0，采用的脈沖計數(shù)法測速精度可以高于O．407 4％；而當(dāng)n《n0時，采用脈沖周期法時測速精度也能高于O．407 4％。

所謂組合測速法即是當(dāng)轉(zhuǎn)速大于n0時使用脈沖計算法，而當(dāng)速度小于n0時使用脈沖周期法，保證整個轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)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(zhuǎn)速可能會在n0處反復(fù)切換，這樣會導(dǎo)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(shè)置了一個速度測量切換區(qū)域。

切換區(qū)域可以這樣設(shè)置，n2《n0《n1。根據(jù)需要，測量的精度必須小于0．5％，根據(jù)式（4），計算在n2=3 600 r／min時，測量誤差為O．462 9％；根據(jù)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(dāng)轉(zhuǎn)速從低速上升到4 400 r／min時，測速方法轉(zhuǎn)換為脈沖計數(shù)法，而當(dāng)轉(zhuǎn)速從高速下降到3 600 r／min時轉(zhuǎn)換到脈沖周期法。這時全范圍的測速精度高于O．5％。

4 結(jié) 語

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(jīng)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O．5％，滿足系統(tǒng)控制律的需要。

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