高速工業平縫機轉速測量方法研究

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

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。
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。，轉速的算法可以采用兩種算法。
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＝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fo,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：

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。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。