高速工业平缝机转速测量方法研究

摘要：针对宽调速范围高速工业平缝机无刷直流电机的转速测量方法进行研究。分析了脉冲计数法与脉冲周期法的原理与实现，测量精度与转速的关系，提出在不同的速度段采用不同的速度测量方法，以保证在整个调速范围内都可以得到精度较高的速度参数。实际应用结果表明，所提出的转速测量方法较好地满足了高速工业平缝机控制律的响应时间以及精度的要求。
关键词：无刷直流电机；高速工业平缝机；速度测量；宽范围调速

0 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。