高速工业平缝机中两种测量方法的实现和精度分析

引 言

随着近年缝制工业的发展，高速工业平缝机以其自动化程度高、操作简单以及能大幅度提高缝制效率，逐步取代传统的机械式缝纫机。目前我国对工业缝纫机的需求巨大。高速工业平缝机的主要技术难点在于快速精确的停针控制，由于缝制工艺的特殊性，一般要求在300～8 000 r/min速度范围内，控制在3圈内停针，并且停针精度在±5 mm内。这样对停针控制算法有较高的要求，因此对提供给控制算法的速度参数精度要求较高，本设计要求速度测量误差不大于O.5％。

1 无刷直流电机的速度测量

速度测量的方法有很多种，如霍尔转速传感器、测速发电机、光电式转速传感器、感应式转速传感器和旋转变压器式转速传感器等。在工业平缝机中，用的比较多的是增量式光电编码器，它不但可以检测电机的转速，而且还可以测定电机的运动方向，增量式光电编码器的工作原理是：在刻度盘上均匀分布着一定数量的光电孔，当光透过光电孔的时，光敏传感器产生逻辑“1”信号；当发光二极管被遮住时，光敏传感器产生逻辑“0”信号。如此，两个光敏传感器会产生A，B两路相位相差90°的正交信号。

通过检测光电编码器输出的脉冲，可以计算出平缝机的速度。通过选择不同的光电编码器，电机旋转一周可以产生不同的不同个数的脉冲信号。这里假设电机旋转一周产生的脉冲数为N。，转速的算法可以采用两种算法。

1.1 脉冲计数法

在单位时间内对位置脉冲信号计数，以获得单位时间的转角来计算速度。若时间间隔为采样时间Ts，测量的脉冲数为M，则被测的速度由：

计算得到。采样周期Ts由控制系统的性能决定，则转速n与单位时间内脉冲数成正比。

脉冲计数方法对转速的测量可以通过如下的软件流程完成，M由两次采样的差值获得，即t＝ksT，时刻的M值为：

式中：θ（k）为t=kTs时采用的位置信号，具体的实现后文会有讲述。

1．2 脉冲周期法

测量位置信号一个周期的时间，以获得固定角度的时间来计算速度。其中时间的测量可以通过微处理器的时钟计数来获得。若微处理器的时钟频率为fo，一个位置脉冲信号周期内计数的时钟数为m，则被测试的速度可由：

计算得到。当微处理器的时钟f0和脉冲数N0确定后，转速n与脉冲周期内时钟数m成反比。

脉冲周期测量方法，可以用光电编码器的信号A或者B对微处理器的定时器产生外部中断来测量脉冲的宽度，再由式（2）计算获得转速。

1．3 两种测量方法的实现

在高速工业平缝机的硬件设计中，选用了基于ARM7内核的LPC2138作为主控制器，利用LPC2138的外部捕获功能，通过软件编程，比较容易实现光电编码器的脉冲信号捕获来计算速度。LPC2138可以通过软件配置其时钟频率，本设计中采用了12 MHz的时钟频率。同时需要注意的是，为了保证电路的可靠性，光电编码器的脉冲信号最好先经过高速光耦隔离后再接入LPC2138的捕获引脚。对于脉冲计数法，利用定时器定时中断，在中断处理程序里面读取捕获到的光电编码器脉冲的数目，根据式（1）可以计算出速度。对于脉冲周期法，光电编码器的脉冲信号会触发处理器中断，在相应的中断处理函数里面读取定时器的寄存器的值，进而根据式（2）可以计算到速度。

2 两种测量方法的精度分析

在使用增量式光电编码盘构成的直流无刷电机位置检测系统中，位置的测量精度取决于光电编码器在电机旋转一周中输出的脉冲数，常见的输出脉冲数有240，720，1 024等，本设计采用输出为720的光电编码器。下面分析速度测量的精度。

2.1 脉冲计数测量法的精度分析

在脉冲计数法的速度测量中，计数脉冲数M与采样周期Ts，位置分辨率No相关，当计数脉冲从M变化到M+1时，根据式（1），脉冲计数测量法的速度误差为：

相对精度为：

显然，要提高转速相对测量精度可以采用较大的采样周期Ts，或者较高的位置分辨率，并且与电机的转速n成反比。本系统的调速范围为300～8 000 r／min，系统控制律设计的采样周期Ts，为5ms，可以计算得到各种转速时的测量精度，见表1。

表l中的数据表明，脉冲计数法在高转速范围内精度较高。该方法适用于电机高速运行中。

2．2 脉冲周期测量法的精度分析

脉冲周期法由处理器的时钟计数，计数脉冲m与时钟频率f0、位置分辨率N0相关，当计数脉冲由m变化到m+1时，根据式（2）脉冲测量法的误差为：

得到相对速度精度为：

当微处理器时钟为，f0=12 MHz，根据式（6）计算可以得到各种转速时的测量精度见表2。

通过表2可以知道，脉冲周期法的测量方法在电机低速范围内测量精度较高，在高速情况下精度较差。同时，在实际应用中，采用脉冲周期测量法时，是通过光电编码器的输出脉冲引起处理器中断，如果在高速阶段使用该方法，会导致处理器频繁中断，大量耗费处理器时间。

3 高速工业平缝机转速测量方法

根据以上的精度分析，脉冲计数法用于高速范围，而脉冲周期法适用于低速范围。对于转速范围较大的调速系统，采用以上的任一测速方法，都难以保全在全调速范围内有较高的测速精度，只有将两种方法组合才能得到较理想的结果。

3．1 转速的组合测量方法

将No=720代入式（4），式（6），做出图1的“精度／转速（S／n）”曲线，图中S代表精度，用百分数表示，n代表转速。图中两条曲线的交点为S0=0．407 4，转速为n0=4 091 r／min。

这表示当n》n0，采用的脉冲计数法测速精度可以高于O．407 4％；而当n《n0时，采用脉冲周期法时测速精度也能高于O．407 4％。

所谓组合测速法即是当转速大于n0时使用脉冲计算法，而当速度小于n0时使用脉冲周期法，保证整个转速范围内测试精度高于S0。

3．2 测量方法的切换

采用组合测量的方法需要在图1的两条曲线的交点处对速度测量进行切换，但是在实际的编程过程中，考虑到在某些情况下，转速可能会在n0处反复切换，这样会导致测量方法频繁切换，影响测量精度。因此在实际的编程过程中，采用的方式是设置了一个速度测量切换区域。

切换区域可以这样设置，n2《n0《n1。根据需要，测量的精度必须小于0．5％，根据式（4），计算在n2=3 600 r／min时，测量误差为O．462 9％；根据式（6），在n1=4 400 r／min时，测量的误差为0．438 0％。因此实际的编程中，速度测量的切换是当转速从低速上升到4 400 r／min时，测速方法转换为脉冲计数法，而当转速从高速下降到3 600 r／min时转换到脉冲周期法。这时全范围的测速精度高于O．5％。

4 结 语

由于需要精确的停针控制，对高速工业平缝机的速度测量的精度要求较高，本文针对高速工业平缝机提出的速度测量方法，经过实践检验，证明了该方法的正确性和准确性，能够保证速度测量误差小于O．5％，满足系统控制律的需要。

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