哈工大自控原件大作業(yè)

1、哈爾濱工業(yè)大學(xué) 自動控制元件及線路課程設(shè)計說明說明書Harbin Institute of Technology課程設(shè)計說明書（論文）課程名稱： 自動控制元件及線路 設(shè)計題目： 工業(yè)縫紉機(jī)系統(tǒng)設(shè)計 院 系： 航天學(xué)院控制科學(xué)與工程系 班 級： 1204201 設(shè) 計 者： 學(xué) 號： 指導(dǎo)教師： 趙輝 伊國興 設(shè)計時間： 2015年春季學(xué)期 哈爾濱工業(yè)大學(xué) 目錄第1章 緒言41.1工業(yè)縫紉機(jī)的現(xiàn)狀與發(fā)展41.1.1工業(yè)縫紉機(jī)的市場前景41.1.2工業(yè)縫紉機(jī)驅(qū)動電機(jī)的發(fā)展41.2工業(yè)縫紉機(jī)的機(jī)械組成61.3需求分析與性能指標(biāo)7第二章 電機(jī)選型與驅(qū)動方案82.1電機(jī)方案對比82.1.1 直流有刷電機(jī)

2、方案82.1.2 交流異步電機(jī)82.1.3 小功率同步電機(jī)82.1.4步進(jìn)電機(jī)92.1.5永磁交流電機(jī)92.2電機(jī)具體型號與傳動機(jī)構(gòu)選擇102.2.1刺線機(jī)構(gòu)的結(jié)構(gòu)分析與運(yùn)動分析102.2.2傳動機(jī)構(gòu)的選取102.2.3電機(jī)的期望轉(zhuǎn)速計算112.2.4電機(jī)的輸出力矩計算112.2.5電機(jī)選型122.3驅(qū)動方案152.3.1 橋式逆變電路152.3.2 驅(qū)動芯片162.3.3 驅(qū)動框架18第三章 測量元件193.1傳感器介紹193.1.1旋轉(zhuǎn)變壓器193.1.2感應(yīng)同步器213.1.3編碼器encoder233.1.4光柵grating243.1.5霍爾電流傳感器Hall Current Sen

3、sor253.2測量元件選型253.2.1位置測量253.2.2速度測量293.2.3電流測量30第四章 控制系統(tǒng)324.1三閉環(huán)PID控制策略324.2制動方式334.2.1工業(yè)縫紉機(jī)制動方法介紹334.2.2制動方式選擇33第五章 總結(jié)355.1系統(tǒng)評價與結(jié)論：355.2參考資料：35第1章 緒言1.1工業(yè)縫紉機(jī)的現(xiàn)狀與發(fā)展1.1.1工業(yè)縫紉機(jī)的市場前景縫紉機(jī)是制衣成套設(shè)備這個大家庭中最大的家族，也是最古老、應(yīng)用面最廣的門類。不單是制衣業(yè)要用到縫紉機(jī)，制鞋業(yè)、制帽業(yè)、手提包業(yè)等凡是有縫接的地方都要用到縫紉機(jī)。自1790 年由英國人湯姆斯發(fā)明第一臺縫紉機(jī)以來，經(jīng)過200 多年的發(fā)展，到目前為

4、止，世界上生產(chǎn)的縫紉機(jī)有4000 多種，已從初期的手搖機(jī)時代步入機(jī)械電子時代，應(yīng)用范圍由初期只能用于簡單的工序縫制到現(xiàn)在能滿足所有縫制生產(chǎn)工序要求，速度由初期的每分鐘幾百轉(zhuǎn)提高到現(xiàn)在的幾千轉(zhuǎn)甚至上萬轉(zhuǎn)?？p紉機(jī)性能的穩(wěn)定性、可靠性及振動、噪聲和自動化功能都已達(dá)到一個很高的水平。目前，就縫紉機(jī)產(chǎn)業(yè)而言，世界上年產(chǎn)各種縫紉機(jī)約1800 萬臺，縫紉機(jī)銷售額在6070 億美元左右，這幾年來幾乎一直維持在這一水平。按品種分：普通家用縫紉機(jī)約450 多萬臺，主要由中國生產(chǎn)；多功能家用縫紉機(jī)約500 多萬臺，主要產(chǎn)地有中國（包括臺灣地區(qū)）、日本和巴西；平縫機(jī)系列約400 多萬臺，包縫機(jī)系列也有300 多萬臺，

5、主要產(chǎn)地有中國（包括臺灣地區(qū)）、日本、德國、意大利和韓國等；繃縫機(jī)系列有幾十萬臺；其他特種縫紉機(jī)包括釘口機(jī)、鎖眼機(jī)、套結(jié)機(jī)、暗縫機(jī)、刺繡機(jī)、封包機(jī)及一些具有獨(dú)特功能的縫紉機(jī)械有近百萬臺。從國際產(chǎn)業(yè)的形勢來看，國際縫紉機(jī)制造產(chǎn)業(yè)經(jīng)過幾次大的轉(zhuǎn)移，發(fā)生了國際產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)的大變動。德國百福、美國勝家公司和日本勝家日鋼相繼倒閉停產(chǎn)，杜可普、重機(jī)等主要廠家裁減人員。使中國成為目前僅有的幾個縫紉機(jī)主要生產(chǎn)基地之一。國有企業(yè)積極改革逐步走出困境，民營企業(yè)發(fā)展勢頭強(qiáng)勁，三資企業(yè)迅速發(fā)展。行業(yè)內(nèi)多次組織出國參展，每次都取得了較好的效果，企業(yè)在國際上的知名度大大提高，很多國家的縫紉機(jī)經(jīng)銷商對我國縫紉設(shè)備越來越感興趣。

6、綜上所述，可以看出縫紉機(jī)具有廣闊的市場前景。1.1.2工業(yè)縫紉機(jī)驅(qū)動電機(jī)的發(fā)展隨著工業(yè)縫紉機(jī)的不斷發(fā)展，驅(qū)動工業(yè)縫紉機(jī)的電動機(jī)及其控制技術(shù)也在不斷地發(fā)展，到目前為止已經(jīng)有四代產(chǎn)品，即摩擦片式異步電動機(jī)（離合器電機(jī)）、渦流式異步電動機(jī)、混合步進(jìn)式電動機(jī)和交流伺服電動機(jī)。因為產(chǎn)品可靠、價格便宜，離合器電機(jī)應(yīng)用最為廣泛，目前主要應(yīng)用在中低檔的工業(yè)縫紉機(jī)上。交流伺服電動機(jī)從80年代后期開發(fā)應(yīng)用以來，因為優(yōu)越的性能滿足了工業(yè)縫紉機(jī)機(jī)電一體化的發(fā)展方向，已被高檔工業(yè)縫紉機(jī)廣泛采用。隨著交流伺服電動機(jī)的大量應(yīng)用，其他兩類產(chǎn)品的市場份額逐漸下降。1） 離合器電機(jī)是工業(yè)縫紉機(jī)上應(yīng)用時間最長的電機(jī)，主要由異步電動

7、機(jī)、離合器和剎車片構(gòu)成。通電后，電動機(jī)一直在運(yùn)轉(zhuǎn)，當(dāng)離合器合上，帶動縫紉機(jī)工作，松開離合器，靠剎車片的摩擦，縫紉機(jī)快速剎車。主要的優(yōu)點(diǎn)是結(jié)構(gòu)簡單可靠，啟動和剎車時間短，滿足工業(yè)縫紉機(jī)快速啟停的要求，行業(yè)應(yīng)用量大、成本低，中低端的工業(yè)縫紉機(jī)主要采用離合器電機(jī)。缺點(diǎn)是整機(jī)效率低，特別縫紉機(jī)停止期間，電機(jī)仍然在工作并耗電，同時，離合器和摩擦片需定期更換，維護(hù)工作量較大。為了滿足定位定針的要求，摩擦片式電子定位定針電動機(jī)也有應(yīng)用，特點(diǎn)是起步快，但速度和針位控制精度差，且摩擦片的磨損會影響定位的可靠性，需經(jīng)常保養(yǎng)和維護(hù)。2） 針對擦片式電子定位定針電動機(jī)的缺點(diǎn)，渦流式異步電動機(jī)應(yīng)運(yùn)而生，主要由異步電動機(jī)

8、、渦流式電磁轉(zhuǎn)差離合器和直流勵磁電源等三個部分組成，通過控制勵磁電流改變磁場強(qiáng)度，使離合器產(chǎn)生大小不同的轉(zhuǎn)矩，從而達(dá)到調(diào)速的目的。渦流式異步電動機(jī)的優(yōu)點(diǎn)是結(jié)構(gòu)比較簡單，可無級調(diào)速，維護(hù)方便，運(yùn)行可靠，調(diào)速范圍也比較寬，對電網(wǎng)無干擾。缺點(diǎn)是高速區(qū)調(diào)速特性軟，不能全速運(yùn)行；低速區(qū)調(diào)速效率比較低。3） 混合步進(jìn)式定位定針電動機(jī)由混合式步進(jìn)電動機(jī)和相應(yīng)的步進(jìn)控制器構(gòu)成，具有控制方便的優(yōu)點(diǎn)，但啟動頻率、運(yùn)行頻率達(dá)不到高速工業(yè)縫紉機(jī)的要求，定針精度仍不理想。4） 交流伺服電動機(jī)主要由伺服電機(jī)（PMSM、BLDCM）、光學(xué)編碼器、伺服控制器和模式盒構(gòu)成。當(dāng)腳踩下踏板時，伺服控制器檢測到變化，啟動電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)，并

9、快速到達(dá)設(shè)定的轉(zhuǎn)速，松開踏板，伺服控制器根據(jù)光學(xué)編碼器的位置信號，把縫紉機(jī)停在設(shè)定的位置。采用永磁同步電機(jī)的交流伺服系統(tǒng)，電機(jī)采用銣鐵硼，因而轉(zhuǎn)動慣量小、體積小、重量輕、動態(tài)性能好，調(diào)速比達(dá)1：10000，具有定位精度高、節(jié)能效果好、壽命長、免維護(hù)、能在惡劣環(huán)境下使用等特點(diǎn)，目前價格也比較高，交流永磁同步伺服系統(tǒng)主要應(yīng)用在高檔的工業(yè)縫紉機(jī)上。綜上所述，工業(yè)縫紉機(jī)電機(jī)從離合器電機(jī)發(fā)展到交流伺服電動機(jī)，順應(yīng)了工業(yè)縫紉機(jī)從簡單控制到自動化和機(jī)電一體化的發(fā)展過程，不同的電機(jī)滿足不同自動化程度的要求。由于低檔的工業(yè)縫紉機(jī)仍然有大量的需求，因此離合器電機(jī)仍然會占一定的市場比例。為了解決離合器電機(jī)能耗問題，

10、市場上出現(xiàn)了有刷直流電機(jī)（俗稱節(jié)能電機(jī)），產(chǎn)品有一定的節(jié)能效果，但是因為碳刷的存在，維護(hù)工作量大。目前，市場上又出現(xiàn)了一種新的產(chǎn)品，是在交流伺服電動機(jī)的基礎(chǔ)上，采用異步電動機(jī)，去掉一些復(fù)雜的功能，僅保留了無級調(diào)速、定針和剪線等功能，成本大大降低，滿足了中高檔工業(yè)縫紉機(jī)對自動控制功能、節(jié)能和控制成本的綜合要求。但是，從目前的市場趨勢來看，交流伺服電動機(jī)是發(fā)展方向，不過目前價格較高，主要應(yīng)用在高檔的產(chǎn)品上。因此，我們本篇的研究就是基于永磁交流伺服電機(jī)系統(tǒng)的工業(yè)縫紉機(jī)設(shè)計。1.2工業(yè)縫紉機(jī)的機(jī)械組成圖 Error! Main Document Only.2-1 S-7300A工業(yè)縫紉機(jī)工業(yè)縫紉機(jī)的組

11、成包括：機(jī)體部分、針桿和挑線裝置、壓腳裝置、送料裝置、膝控提升裝置、倒縫裝置、旋梭裝置、穿線裝置、繞線裝置、切線裝置、松線裝置、掃線裝置、控制箱和馬達(dá)裝置等等。工業(yè)縫紉機(jī)的結(jié)構(gòu)精巧、緊湊，而且復(fù)雜，多個電機(jī)控制多個不同的功能單元，因此本文僅對針頭的伺服控制進(jìn)行設(shè)計與實(shí)現(xiàn)，也就是刺線裝置的伺服機(jī)構(gòu)。以日本Brother公司生產(chǎn)的S-7300A工業(yè)縫紉機(jī)為例，右側(cè)是此縫紉機(jī)的外形圖?？p紉機(jī)刺線部分的基本工作原理如下圖所示。針頭帶動棉線上下往復(fù)運(yùn)動，與挑線裝置配合，進(jìn)而完成縫紉工作。圖1.2-2 刺線裝置結(jié)構(gòu)圖1.3需求分析與性能指標(biāo)表1.3-1是S-7300A的基本參數(shù)表，參照此縫紉機(jī)的相關(guān)參數(shù)，

12、同時參照一些文獻(xiàn)的設(shè)計指標(biāo)，我們列出了如下指標(biāo)要求。首先，工業(yè)縫紉機(jī)要求·起動輕柔、迅速，起動時間小于200ms；·停針迅速、準(zhǔn)確，制動時間小于100ms；·要求縫紉機(jī)停位精度控制在皮帶輪對應(yīng)的上下針位±2.50mm以內(nèi)，縫紉機(jī)的定位精度要求在上下針位±3度范圍以內(nèi)；·制動后縫紉機(jī)從高速到停止動作連慣，沒有滯后的痕跡；表1.3-1 S-7300A的基本參數(shù)表2,000 sti/min·縫紉速度起碼能達(dá)到2000 sti/min。第二章 電機(jī)選型與驅(qū)動方案122.1電機(jī)方案對比對于電機(jī)選型，在背景介紹中已經(jīng)粗略的講過目前的發(fā)展

13、趨勢是永磁交流伺服電機(jī)，下面對不同的電機(jī)方案進(jìn)行具體的對比分析。2.1.1 直流有刷電機(jī)方案考慮到縫紉機(jī)要求的快速啟動、停車的性能要求，我們直接想到的就是直流有刷電機(jī)，它的啟動、制動轉(zhuǎn)矩大，易于快速啟動、停車。同時，直流電機(jī)的調(diào)速范圍廣，易于無極調(diào)速，也具備良好的線性控制特性，動、靜態(tài)控制性能好。但是，直流有刷電機(jī)的電刷和換向器結(jié)構(gòu)導(dǎo)致電機(jī)的應(yīng)用維護(hù)性差，安全性、適用性差，這些限制對于工業(yè)縫紉機(jī)的性能要求顯然是不利的，因此不能用直流有刷電機(jī)。2.1.2 交流異步電機(jī)交流異步電機(jī)配合離合器，也就是傳統(tǒng)的也是現(xiàn)在低檔縫紉機(jī)普遍采取的電機(jī)選擇。之所以選擇交流異步電機(jī)，是因為它的結(jié)構(gòu)簡單，維護(hù)容易，也

14、可以滿足頻繁的啟動、制動需求。它主要由異步電動機(jī)、離合器和剎車片構(gòu)成。通電后，電動機(jī)一直在運(yùn)轉(zhuǎn)，當(dāng)離合器合上，帶動縫紉機(jī)工作，松開離合器，靠剎車片的摩擦，縫紉機(jī)快速剎車。主要的優(yōu)點(diǎn)是結(jié)構(gòu)簡單可靠，啟動和剎車時間短，滿足工業(yè)縫紉機(jī)快速啟停的要求，行業(yè)應(yīng)用量大、成本低，中低端的工業(yè)縫紉機(jī)主要采用離合器電機(jī)。缺點(diǎn)是整機(jī)效率低，特別縫紉機(jī)停止期間，電機(jī)仍然在工作并耗電，同時，離合器和摩擦片需定期更換，維護(hù)工作量較大。2.1.3 小功率同步電機(jī)小功率同步電機(jī)普遍（永磁式和磁阻式）存在啟動困難的缺陷，需要輔助電機(jī)、異步或變頻等方法啟動，并不適合需要頻繁啟停的縫紉機(jī)系統(tǒng)。即便是可以自啟動的磁滯式同步電機(jī)，它

15、的弱阻尼導(dǎo)致的易震蕩缺陷也是縫紉機(jī)所不能容忍的，再加上它成本高，功率因數(shù)又低，因此它沒有考慮的必要。至于電磁減速式同步電機(jī)，它的每分鐘只有百轉(zhuǎn)左右的轉(zhuǎn)速，遠(yuǎn)不能滿足縫紉機(jī)要求的千轉(zhuǎn)級轉(zhuǎn)速。2.1.4步進(jìn)電機(jī)雖然步進(jìn)電機(jī)的控制原理簡單，能實(shí)現(xiàn)數(shù)字控制，但是它的不足也是顯而易見的。首先是控制精度，兩相混合式步進(jìn)電機(jī)步距角一般是3.6°、1.8°，五相混合式步進(jìn)電機(jī)步距角一般是0.72°、0.36°，如果再想提高精度，相應(yīng)的成本則會大大增加，對于縫紉機(jī)來說不經(jīng)濟(jì)實(shí)用。此外，由于自身開環(huán)控制的缺陷，決定了它會受到啟動頻率的限制，不適合縫紉機(jī)頻繁且快速的啟停工作環(huán)

16、境。同時，開環(huán)控制可能造成它在工作中出現(xiàn)丟步或堵轉(zhuǎn)的問題、停轉(zhuǎn)時轉(zhuǎn)速過高易出現(xiàn)過沖的現(xiàn)象，這都會造成縫紉機(jī)縫毀布料的悲劇。最后，步進(jìn)電機(jī)的最高工作轉(zhuǎn)速一般在300600rpm，不能滿足縫紉機(jī)的高轉(zhuǎn)速需求。2.1.5永磁交流電機(jī)交流伺服電機(jī)的控制精度由旋轉(zhuǎn)編碼器保證，可達(dá)到角秒級；而且運(yùn)行非常平穩(wěn)，即使在低速時也不會出現(xiàn)震動；恒力矩輸出，額定轉(zhuǎn)速一般在2000rpm3000rpm，非常適合縫紉機(jī)的轉(zhuǎn)速要求，同時在額定功率下能實(shí)現(xiàn)恒功率輸出，也是很好的特性；閉環(huán)控制，控制性能更為可靠；速度響應(yīng)特性好，適合要求快速啟停的場合；永磁交流電機(jī)的轉(zhuǎn)子部分是永磁結(jié)構(gòu)，而非電勵磁，因此耗電顯著降低，節(jié)約能源。

17、但是永磁交流電機(jī)還分為無刷直流電機(jī)（BLDCM）和永磁同步電機(jī)（PMSM），目前市場上的趨勢是無刷直流電機(jī)正在取代傳統(tǒng)的離合式縫紉機(jī)，之所以主流不是PMSM，是因為PMSM的控制器成本太高，更適合于高精度驅(qū)動伺服系統(tǒng)，普通的中高檔的工業(yè)縫紉機(jī)無需采用PMSM電機(jī)。綜上所述，本文選擇無刷直流電機(jī)作為工業(yè)縫紉機(jī)的刺線機(jī)構(gòu)伺服電機(jī)。2.2電機(jī)具體型號與傳動機(jī)構(gòu)選擇2.2.1刺線機(jī)構(gòu)的結(jié)構(gòu)分析與運(yùn)動分析要設(shè)計針頭的伺服控制系統(tǒng)，首先要了解針頭的運(yùn)動規(guī)律和控制需求。下圖是縫紉機(jī)刺線機(jī)構(gòu)的結(jié)構(gòu)與結(jié)構(gòu)簡圖。圖2.2.1 縫紉機(jī)刺線機(jī)構(gòu)的結(jié)構(gòu)與結(jié)構(gòu)簡圖簡要來講，電機(jī)啟動后，經(jīng)過傳動減速裝置與刺線裝置的主軸相連

18、，這樣就能帶動主軸進(jìn)行轉(zhuǎn)動，而主軸上裝有的針桿連桿(7號件)就會隨之轉(zhuǎn)動，并且?guī)俞槜U連接柱(6號件)上下往復(fù)運(yùn)動，從而實(shí)現(xiàn)電機(jī)的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動到機(jī)針（1號件）的上下往復(fù)運(yùn)動。2.2.2傳動機(jī)構(gòu)的選取圖2.2.2縫紉機(jī)刺線機(jī)構(gòu)的結(jié)構(gòu)與結(jié)構(gòu)簡圖工業(yè)縫紉機(jī)的傳動機(jī)構(gòu)一般選擇同步齒輪帶，即由同步輪和同步皮帶組成的傳動裝置。因為在縫紉機(jī)構(gòu)中，如果因為錯誤的操作導(dǎo)致縫紉機(jī)的機(jī)針堵轉(zhuǎn)，那么就會導(dǎo)致滾珠絲杠折斷，這樣維護(hù)起來極為麻煩，而同步齒輪帶傳動則不存在此問題。右圖是日本Brother公司生產(chǎn)的S-7300A縫紉機(jī)的零件圖，是馬達(dá)裝置部分的零件圖。其中，同步輪為圖中的13號零件，同步帶為圖中的14號零件。目前

19、，縫紉機(jī)內(nèi)部多采用電機(jī)側(cè)皮帶輪與縫紉機(jī)主軸皮帶輪直接用皮帶互聯(lián)，稱為直接驅(qū)動，因此，我們也采用這個傳動方式，進(jìn)而設(shè)減速比i=1.1。2.2.3電機(jī)的期望轉(zhuǎn)速計算A 機(jī)針部分轉(zhuǎn)速計算根據(jù)縫紉機(jī)的參數(shù)表，可以得到針桿行程為31mm，需求的針?biāo)贋?000 sti/min，這樣可以得到需求的針桿的平均速度為Vz=31×2000×260×1000=2.07m/sB 主軸轉(zhuǎn)速計算主軸轉(zhuǎn)動一周，針桿上下往復(fù)運(yùn)動一次。根據(jù)此關(guān)系，可得1R12=Vz其中1是主軸的角速度，R1是主軸半徑，這里取R1=2cm，因此可算出1=206.7rad/sC 電機(jī)轉(zhuǎn)速計算根據(jù)減速比的定義i=21可

20、得2=i×1=1.1×206.7=227.3rad/s其中，2是電機(jī)的轉(zhuǎn)速，經(jīng)單位換算后，n1985 rpm。2.2.4電機(jī)的最大轉(zhuǎn)矩計算A. 啟動加速度a1縫紉機(jī)需要電機(jī)的起動要輕柔、迅速，而且起動時間小于200ms，據(jù)此可以得到啟動加速度a1=2t1=227.30.2=1136.8 rad/s2B. 負(fù)載轉(zhuǎn)矩Tl對于負(fù)載及摩擦產(chǎn)生的功率為P1=fV對于電機(jī)的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動，其功率為P2=T其中 f 為負(fù)載及摩擦產(chǎn)生的制動力，大約是15N，V為線速度，T為力矩。P1和P2的功率關(guān)系為fV=T式中為效率系數(shù)(齒輪、皮帶傳動：近似0.95)。根據(jù)上式換算得電機(jī)軸上負(fù)載轉(zhuǎn)矩為Tl=f

21、V=fR=fR0.31 NmC. 電機(jī)最大轉(zhuǎn)矩 Tmax Tmax =Tli+ Jm + Jl i2ia1其中 Jl =0.0027 kgm2 ，是負(fù)載的近似轉(zhuǎn)動慣量， Jm 是電機(jī)的轉(zhuǎn)動慣量，與電機(jī)轉(zhuǎn)子的尺寸和質(zhì)量有關(guān)。BLDCMTM90-04型號A0421極數(shù)P4P / 8P功率W400額定力矩N-m1.91Kg-cm19.4啟動力矩N-m3.82Kg-cm38.8電壓V24電流A21.5轉(zhuǎn)速RPM2000絕緣等級-B重量Kg3環(huán)境-20 40 / 20 80% RH2.2.5電機(jī)選型表2.2.5 電機(jī)參數(shù)表經(jīng)過上面的計算可知，電機(jī)的選擇要滿足額定轉(zhuǎn)速 n 與最大轉(zhuǎn)矩 Tmax 的要求，此

22、外，額定力矩也要滿足一定條件。根據(jù)經(jīng)驗，縫紉機(jī)電機(jī)的額定力矩一般為：夏裝、薄布料 1 Nm 左右，冬裝、厚布料、鞋類要求3Nm 左右。根據(jù)這些限制條件，可以進(jìn)行電機(jī)的選型。我們查找了幾家公司的不同種類的無刷直流電機(jī)，分別計算轉(zhuǎn)動慣量，然后帶入最大轉(zhuǎn)矩公式進(jìn)行驗證，最后選取的型號是韓國WOOJIN SERVO公司的TM90-04系列的A0421直流無刷電機(jī)，電機(jī)如圖所示，右表是該電機(jī)的參數(shù)表。圖2.2.5-1 TM90電機(jī)圖2.2.5-2 電機(jī)局部零件圖下面是我們對該電機(jī)性能指標(biāo)驗證的過程。A 最大轉(zhuǎn)矩（啟動轉(zhuǎn)矩）驗證右圖是電機(jī)的零件圖。近似認(rèn)為轉(zhuǎn)子的半徑為電機(jī)定子半徑的一半，結(jié)合零件圖上的尺寸

23、標(biāo)注，可以求得電機(jī)轉(zhuǎn)子的質(zhì)量為m=v1.09 kg進(jìn)而由圓柱體的轉(zhuǎn)動慣量公式可得電機(jī)近似轉(zhuǎn)動慣量為 Jm =12mR2=2.41×10-4 kgm2代入最大轉(zhuǎn)矩公式可得 Tmax =3.59 Nm B 額定轉(zhuǎn)矩驗證電機(jī)的額定轉(zhuǎn)矩關(guān)系到電機(jī)能否在該力矩下連續(xù)運(yùn)行，而不超過溫度限制。圖2.2.5-3 電機(jī)連續(xù)運(yùn)行右圖是電機(jī)連續(xù)運(yùn)行時的轉(zhuǎn)速曲線與轉(zhuǎn)矩曲線，在這里，我們以t0=100ms 作為機(jī)針上下運(yùn)動一次的時間，在每個 t0 內(nèi)，前25ms是機(jī)針在布料上方，中間50ms是機(jī)針在布料中運(yùn)動，后25ms是指針重新回到布料上方。在這一過程中，轉(zhuǎn)速與力矩均會發(fā)生如圖所示的波動，但是如果是近似計算

24、的話，這一波動影響很小，可以把t0時間內(nèi)的運(yùn)動看作恒轉(zhuǎn)矩運(yùn)動，轉(zhuǎn)矩大小為T2=Tl0.31 Nm這是因為，僅僅在機(jī)針剛接觸布料是轉(zhuǎn)矩會有大的變化，之后機(jī)針已經(jīng)把布料穿透，轉(zhuǎn)矩和 Tl 相差不大，因此可以這樣近似計算。首先計算啟動力矩，根據(jù)之前的計算可得T1= Tmax =3.59Nm然后是制動力矩，制動階段的加速度a2=2t3=227.30.1=2273 rad/s2則T3= Jm + Jl i2ia2-Tli=6.1 Nm設(shè)縫紉機(jī)的平均每6s 停車一次，即單次工作200針，然后歇停t4=1s，則Trms=T12t1+T22t2+T32t3t1+t2+t3+t4=0.94 Nm圖2.2.5-4

25、 電機(jī)零件圖參照表2.2.5，TM90A0421電機(jī)的起動轉(zhuǎn)矩是3.82 Nm，滿足200ms內(nèi)快速啟動的需求；額定轉(zhuǎn)速為2000 rpm ，滿足之前計算所得的3000 sti/min 的縫紉速度需求。同時，此電機(jī)的額定轉(zhuǎn)矩為1.91 Nm，除了鞋類、皮革和厚料，普通的中厚布料都可以縫紉。綜合來看，此電機(jī)符合性能指標(biāo)需求。下圖是此電機(jī)的零件圖。2.3驅(qū)動方案2.3.1 橋式逆變電路圖2.3.1-1 NTD32N06型號MOSFET首先，直流無刷電機(jī)要有配套的逆變電路來實(shí)現(xiàn)基本的換相功能，本電機(jī)是三相電機(jī)，采用星形接法，而且是二相導(dǎo)通六狀態(tài)工作，因此逆變電路共有三路橋。在逆變電路中，我們采用NT

26、D32N06型號的MOSFET功率管，它是專門為低壓、高速切換的工作場合設(shè)計，常用于電機(jī)控制和橋式電路設(shè)計。NTD32N06的的基本參數(shù)如又圖所示。其漏極允許加最大電壓為60V，允許的最大電流是32A，可以驅(qū)動我們選擇的電機(jī)。 圖2.3.1-2 MOSFET橋式逆變電路為了使BLDC 電機(jī)速度可變，必須在繞組的兩端加可變電壓。利用PWM控制技術(shù)，通過控制PWM 信號的不同占空比，則繞組上平均電壓可以被控制，從而控制電機(jī)轉(zhuǎn)速。在控制系統(tǒng)中采用DSP或單片機(jī)時，可利用器件中的PWM產(chǎn)生模塊產(chǎn)生PWM波形。然后根據(jù)轉(zhuǎn)速要求設(shè)定占空比，輸出6路PWM信號，加到6個功率管上。2.3.2 驅(qū)動芯片Vish

27、ay公司生產(chǎn)的三相無刷直流電動機(jī)控制器SI9979，是無刷直流電動機(jī)的專用控制芯片，其內(nèi)部集成的MOSFET驅(qū)動電路使其可以容易地驅(qū)動N溝道的三相橋式電路，同時它采用了7mmSQFP封裝，可以簡化驅(qū)動電路并減小電路尺寸，降低成本。SI9979為無刷電動機(jī)控制提供諸如控制信號輸入、產(chǎn)生換向邏輯、門驅(qū)動輸出和保護(hù)電路等一些功能。下圖是此芯片的電路模塊圖。圖2.3.2-1 SI9979芯片電路模塊圖下面對此芯片進(jìn)行簡要介紹。首先，供電電壓V+的范圍是20V40V，邏輯電壓VDD=16V，內(nèi)部參考電壓VREF=4.2V，如下是對圖中比較重要的引腳進(jìn)行的說明：Pins 1-3：INA, INB, INC

28、換相傳感器輸入Pin 4: 60/120傳感器60°分布與120°分布片選Pin 6: F/R (Forward/Reverse)電機(jī)轉(zhuǎn)向片選Pin 7: QS (Quadrature Select)選擇低端MOSFET響應(yīng)PWM信號或低端和高端一起響應(yīng)PWM信號Pin 8: PWMPWM信號輸入端口Pin 9: BRK剎車片選端口Pin 11: FAULT錯誤指示端口Pin 17: RT/CT過流關(guān)斷定時RC端口Pin 19: IS+過流檢測端口Pin 25: GBCC相低端MOSFET的柵極驅(qū)動（16V/0.1v）Pin 26: GTCC相高端MOSFET的柵極驅(qū)動（1

29、6V/0.1V）Pin 25: SCC相高端MOSFET的負(fù)電源Pin 25: CAPCC相高端MOSFET的正電源（55V）從上面的電壓輸出可以看出，此芯片和我們之前選擇的NTD32N06型號MOSFET可以搭配使用，下圖是SI9979與逆變電路的實(shí)際連接圖。圖2.3.2-2 SI9979與逆變電路連接圖MOSFET電路的低端可以被Si9979的低端輸出信號（GB*）直接驅(qū)動，該信號在Si9979的內(nèi)部通過上拉電阻上拉到VDD（16V）。MOSFET的高端不能被Si9979的輸出直接驅(qū)動，Si9979的高端輸出信號通過其內(nèi)部的浮動電路（自舉電路）驅(qū)動MOSFET的高端。一旦MOSFET低端導(dǎo)

30、通，浮動電路的電容開始充電并在低端導(dǎo)通時保持到VDD，當(dāng)MOSFET低端截止時，該端輸出可以驅(qū)動MOSFET高端。2.3.3 驅(qū)動框架在控制系統(tǒng)中，DSP通過對傳感器返回的位置、速度、力矩信號進(jìn)行處理，產(chǎn)生相應(yīng)的PWM、方向和剎車控制信號，然后傳遞給Si9979驅(qū)動板，實(shí)現(xiàn)對無刷直流電動機(jī)的驅(qū)動。此外，Si9979電動機(jī)換向邏輯是根據(jù)三個霍爾元件返回的位置信號確定的，從而實(shí)現(xiàn)無刷電動機(jī)的無接觸換向。由于Si9979內(nèi)部邏輯變換需要數(shù)字輸入，因此電動機(jī)輸出霍爾位置信號需要在輸入Si9979之前轉(zhuǎn)換成TTL兼容的方波信號。由于無刷電動機(jī)霍爾位置傳感器輸出為模擬信號，而Si9979要求輸入信號與TT

31、L兼容，即數(shù)字信號，因此我們采用了光耦隔離電路，從而使比較電路的輸出與Si9979的 TTL輸入信號端隔開，保證系統(tǒng)設(shè)計的抗干擾能力，同時也滿足提升霍爾方波輸入信號電壓的要求。上述過程的電路結(jié)構(gòu)如下圖所示。圖2.3.3-1 驅(qū)動方案第三章 測量元件由于我們的系統(tǒng)采用的是電流、速度、位置三閉環(huán)控制，因此需要測量電機(jī)轉(zhuǎn)速、針頭位置以及電流大小，所以我們采用了位置傳感器和電流傳感器。目前在工業(yè)控制中常用的位置傳感器有旋轉(zhuǎn)變壓器、感應(yīng)同步器、編碼器、光柵等。通過比較這幾種位置傳感器的優(yōu)缺點(diǎn)，最終選出了一種適合于工業(yè)縫紉機(jī)伺服系統(tǒng)的傳感器。33.1傳感器介紹3.1.1旋轉(zhuǎn)變壓器旋轉(zhuǎn)變壓器是一種輸出電壓隨

32、轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)角以一定規(guī)律變化的交流微特電機(jī)角度測量元件。其外形結(jié)構(gòu)和電機(jī)相似，有定子和轉(zhuǎn)子。從原理上看，是一種可以旋轉(zhuǎn)的變壓器，原邊、副邊在定子和轉(zhuǎn)子上。原、副繞組之間的電磁耦合程度與轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)角有關(guān)，因此輸出電壓也與轉(zhuǎn)角有關(guān)。在此主要介紹正余弦旋轉(zhuǎn)變壓器，線性和多極旋轉(zhuǎn)變壓器不作介紹。A. 結(jié)構(gòu)圖 3.1.1-1旋轉(zhuǎn)變壓器的結(jié)構(gòu)B. 工作原理空載運(yùn)行時（輸出繞組接大阻抗負(fù)載時）定子繞組S1 S3接交流激磁電壓，頻率f為400Hz或50Hz。uf=u×sin(2ft)產(chǎn)生的脈振磁場m，位于S1 S3的軸線上。設(shè)繞組R1R3（余弦繞組）軸線與脈振磁場軸線的夾角為，該繞組的磁通的R13為：R13=

33、mcos 圖3.1.1-2 空載運(yùn)行時的正余弦旋轉(zhuǎn)變壓器該繞組感應(yīng)電勢有效值為：ER13=ERcos繞組R2R4（正弦繞組）: R24=Rsin ER24=ERsin根據(jù)變壓器原理，輸出繞組的感應(yīng)電勢的最大有效值為：ER=4.44fWRf=kuf負(fù)載時：將轉(zhuǎn)子電流磁密分解為直軸分量和交軸分量，副邊電流產(chǎn)生的直軸磁密被激磁繞組電流的負(fù)載分量抵消；原邊電流不能產(chǎn)生交軸磁勢，不能抵消轉(zhuǎn)子負(fù)載電流磁密的交軸分量，交軸磁密使磁場發(fā)生了改變。轉(zhuǎn)子電流產(chǎn)生的磁勢為FR13=IRWR 轉(zhuǎn)子電流為：IR=ER13ZL+Z13=ERcosZL+Z13 （1）因此負(fù)載電流越大，交軸磁勢引起的輸出誤差也越大。對磁勢進(jìn)

34、行分解，交軸磁勢為：FR13q=FR13sin=IRWRsin （2）圖 3.1.1-3轉(zhuǎn)子電流磁密分解圖聯(lián)立（1）（2）：FR13q=ERcosZL+Z13WRsin=ERWRsin22(ZL+Z13)不同，交軸磁勢和磁密也不同。當(dāng)=45°時，達(dá)到最大值，負(fù)載特性與空載特性之間出現(xiàn)最大偏差。交軸分量無法抵消，它不會在定子繞組中感應(yīng)出電動勢，但會在轉(zhuǎn)子繞組中感應(yīng)出電動勢。感應(yīng)電勢為ER13qL=Ke13qsin=Ke13sin2Ke=4.44fWR C. 副邊補(bǔ)償：圖 3.1.1-Error! Main Document Only.副邊補(bǔ)償副邊兩個繞組都接負(fù)載，使交軸磁勢互相抵消。兩

35、個磁勢的直軸分量方向相同，交軸分量則方向相反，互相抵消。若能使二者幅值相等，交軸磁勢就完全抵消。余弦繞組交軸磁勢FR13q=ERWRsin22(ZL+Z13)圖 3.1.1-5 副邊補(bǔ)償時的磁勢分解正弦繞組交軸磁勢FR24q=ERWRsin22(ZL'+Z24)交軸磁勢完全抵消的條件是ZL'=ZL，經(jīng)補(bǔ)償后的旋變能實(shí)現(xiàn)：角度測量，進(jìn)而進(jìn)行速度測量。D. 優(yōu)缺點(diǎn)：優(yōu)點(diǎn)：除了測角外，還可以用于解算，用途多構(gòu)造簡單，成本較低；對使用環(huán)境要求低（噪聲、振動、沖擊、溫度）；無接觸測量，可靠性高，壽命長；適合高速，最高可達(dá)60000r/min（光電3000r)；有絕對位置信號輸出；處理電路

36、相對簡單。缺點(diǎn)：精度較低。E. 主要技術(shù)參數(shù)(1) 額定電壓；(2) 額定頻率；(3) 變比；(4) 輸出相位移；(5) 開路輸入阻抗（空載輸入阻抗）。F. 誤差(1) 函數(shù)誤差；(2) 零位誤差；(3) 線性誤差（針對線性旋轉(zhuǎn)變壓器）；(4) 電氣誤差（評價數(shù)據(jù)傳輸用旋轉(zhuǎn)變壓器性能的主要指標(biāo)）。3.1.2感應(yīng)同步器圖3.1.2滑尺 定尺感應(yīng)同步器是一種將角位移和線位移變換為電信號的高精度測量元件。原理上和多級旋轉(zhuǎn)變壓器一樣，結(jié)構(gòu)上運(yùn)動部分和靜止部分均采用了印制繞組。由于我們需要測量的是直線位移，因此下面主要介紹直線式感應(yīng)同步器。直線式感應(yīng)同步器由定尺和滑尺兩部分組成，滑尺比定尺短。A. 工作

37、原理感應(yīng)同步器在工作時，如果在其中一種繞組上通以交流激勵電壓，由于電磁耦合，在另一種繞組上就產(chǎn)生感應(yīng)電動勢。該電動勢隨定尺和滑尺（對長感應(yīng)同步器而言）的相對位置不同呈正弦、余弦函數(shù)變化。根據(jù)滑尺正、余旋繞組上激磁電壓Us、 Uc供電方式的不同可構(gòu)成不同檢測系統(tǒng)鑒相型系統(tǒng)和鑒幅型系統(tǒng)。1) 鑒相式系統(tǒng)：兩相激磁式：在感應(yīng)同步器正弦繞組s、余弦繞組c 上加幅值和頻率相同、相位差90°的交流激磁電壓us=Umsint,uc=Umsin(t-2)單相繞組上感應(yīng)的電勢e2s=kUmsinecost,e2c=kUmcosesint應(yīng)用疊加原理可知單相繞組總感應(yīng)電勢e2=e2s+e2c=kUmsi

38、n(t+e)K電磁耦合系數(shù)，與繞組間最大互感系數(shù)有關(guān)；e滑尺繞組相對定尺繞組在空間的電氣相位角。單相激磁式：單相繞組加激磁電壓u=-Umcost，則單相繞組總感應(yīng)電勢e2=e2s+e2c=kUmsin(t+e)2) 鑒幅式系統(tǒng)：根據(jù)信號的幅值鑒別電角兩相激磁式：給定激磁電壓幅值為us=Umcos1sint,uc=-Umsin1sint其中1為已知的指令位移角。單相連續(xù)繞組的總感應(yīng)電勢為e2=kUmsin(e-1)cost單相激磁式：給定激磁電壓u=Umsint單相連續(xù)繞組的總感應(yīng)電勢為e2=kUmsin(e-1)costB. 優(yōu)點(diǎn)具有較高精度和分辨力：長（250mm）：精度±1.5m

39、m，分辨力0.05 mm；抗干擾能力強(qiáng)；使用壽命長，維護(hù)簡單；（定、滑尺不接觸）可以用于長距離位移測量；（可拼接，精度仍保持原單個定尺的精度）；工藝性好，成本較低，便于復(fù)制和成批生產(chǎn)。3.1.3編碼器encoder編碼器俗稱碼盤，用來測量轉(zhuǎn)角并把它轉(zhuǎn)換成脈沖或數(shù)字形式的輸出信號。A. 增量式編碼器1) 工作原理將位移轉(zhuǎn)換成周期性的電信號，再把這個電信號轉(zhuǎn)變成計數(shù)脈沖，用脈沖的個數(shù)表示位移的大小。將正、反轉(zhuǎn)脈沖分別送入可逆計數(shù)器就能正確計算出脈沖數(shù)n，再乘以一個脈沖對應(yīng)的角度增量，就得到相對初始位置的角度角位移增量n。計算軸的轉(zhuǎn)角要有基準(zhǔn)。增量碼盤事先規(guī)定一個基準(zhǔn)零點(diǎn)，稱為零位。相對這個零位的轉(zhuǎn)

40、角位置稱為絕對位置。增量碼盤有3個輸出端，分別稱為A、B和Z。Z相送出的脈沖就是零位脈沖。2) 優(yōu)點(diǎn)精度高（可用倍頻電路進(jìn)一步提高精度）；構(gòu)造簡單，成本較低；既適合測角也適合測速；無接觸測量，可靠性高，壽命長。3) 缺點(diǎn)開機(jī)后先要尋零；在脈沖傳輸過程中，干擾產(chǎn)生累計誤差；需要計數(shù)器、速度受到一定限制。B. 絕對式編碼器絕對式脈沖編碼盤是一種絕對角度位置檢測裝置，它的位置輸出信號是某種制式的數(shù)碼信號，它表示位移后所達(dá)到的絕對位置，要用起點(diǎn)和終點(diǎn)的絕對位置的數(shù)碼信號，經(jīng)運(yùn)算后才能得到位移量的大小。1) 結(jié)構(gòu)三大部分，旋轉(zhuǎn)的碼盤、光源和光電敏感元件。光學(xué)碼道，每個碼道上按一定規(guī)律分布著透明和不透明區(qū)

41、。2) 工作原理光源的光通過光學(xué)系統(tǒng)，穿過碼盤的透光區(qū)被窄縫后面的光敏元件接收，輸出為“1” ；若被不透明區(qū)遮擋，光敏元件輸出 為“0”。各個碼道的輸出編碼組合就表示碼盤的轉(zhuǎn)角位置。3) 優(yōu)點(diǎn)精度高,無接觸，壽命長；開機(jī)不需要尋零；沒有累計誤差；不需要計數(shù)器、允許轉(zhuǎn)速高。4) 缺點(diǎn)結(jié)構(gòu)復(fù)雜，體積大；價格貴3.1.4光柵grating光柵用于檢測線位移和角位移，精度很高。分為檢測線位移的直線光柵和測量角度的回轉(zhuǎn)光柵（俗稱圓光柵）兩種。也分為透射光柵和反射光柵兩大類，其中透射光柵是用光學(xué)玻璃作成的，透光與不透光線條；金屬反射光柵是在長條形金屬鏡面上制成全反射與漫反射間隔相等的密集線紋。A. 結(jié)構(gòu)透

42、射式直線光柵由光源，長光柵，短光柵，光電元件等組成。長光柵安裝在活動部件上，短光柵固定長光柵和短光柵的刻線密度相同?？毯鄣膶挾燃由峡毯壑g的距離稱為光柵常數(shù)或柵距，記為a。B. 工作原理把指示光柵平面平行地放在標(biāo)尺光柵平面上，并使它們的刻線傾斜一個很小的角度，這時在指示光柵上就會出現(xiàn)較寬的明暗相間的條紋，稱為“莫爾條紋”。光柵左右移動，莫爾條紋上下移動，光柵移過一個柵距a時，莫爾條紋也移過一個莫爾條紋間距W。 特別小，莫爾條紋間距W較寬，等于將兩個光線條紋之間的距離由柵距 a 放大到莫爾條紋間距W，大大地減輕了光學(xué)系統(tǒng)和電子線路的負(fù)擔(dān)。W=asin=aC. 優(yōu)點(diǎn)精度高（可用倍頻電路進(jìn)一步提高精

43、度）；構(gòu)造簡單，成本較低；既適合位移也適合測速。D. 缺點(diǎn)開機(jī)后先要尋零；丟失或竄入脈沖時將會產(chǎn)生累計誤差；需要計數(shù)器、速度受到一定限制；對使用環(huán)境要求苛刻，避免震動油污。3.1.5霍爾電流傳感器Hall Current Sensor霍爾元件屬于磁敏式傳感器，是一種半導(dǎo)體器件，利用霍爾效應(yīng)制成。A. 工作原理圖 Error! Main Document Only.1.5 霍爾電流傳感器示意圖霍爾電流傳感器基于磁平衡式霍爾原理，根據(jù)霍爾效應(yīng)原理，從霍爾元件的控制電流端通入電流Ic，并在霍爾元件平面的法線方向上施加磁場 強(qiáng)度為B的磁場，那么在垂直于 電流和磁場方向(即霍爾輸出端之間)，將產(chǎn)生一個電

44、勢VH，稱其為霍爾電勢，其大小正比于控制電流I與磁場強(qiáng)度B的乘積。VH=KHICBsinKH霍爾系數(shù)，由霍爾元件的材料決定B. 優(yōu)點(diǎn)響應(yīng)時間快、低溫漂、精度高、體積小、頻帶寬、抗干擾能力強(qiáng)、過載能力強(qiáng)。3.2測量元件選型3.2.1位置測量由于我們采用矩形波驅(qū)動，而矩形波驅(qū)動時系統(tǒng)對轉(zhuǎn)速和位置測量的精度要求不是特別高，一般選用霍爾元件和碼盤來進(jìn)行測量?？紤]到旋轉(zhuǎn)變壓器對使用環(huán)境要求很低，對噪聲、振動、沖擊、溫度不敏感，相對來說更適用于工業(yè)化車間，但是服裝廠等使用工業(yè)縫紉機(jī)的場合中振動等干擾并不強(qiáng)烈，碼盤的抗干擾能力可以滿足要求。經(jīng)過搜索和比較我們發(fā)現(xiàn)旋轉(zhuǎn)變壓器的價格較碼盤而言更為昂貴，因此最終決

45、定采用碼盤作為速度和位置測量元件。 增量式編碼器直接將電機(jī)角度和位移的模擬信號轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號，輸出有A，B正交脈沖兩路，零脈沖Z一路。一般A、B端口每轉(zhuǎn)輸出10005000個脈沖，Z端口每轉(zhuǎn)輸出1個脈沖。Z信號用于校正每轉(zhuǎn)編碼器產(chǎn)生的脈沖個數(shù)，進(jìn)一步將誤差控制在每一轉(zhuǎn)之內(nèi)，避免了積累誤差的產(chǎn)生。若要區(qū)別電機(jī)轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)的方向，就要根據(jù)A，B兩路脈沖信號的相位來判斷正轉(zhuǎn)和反轉(zhuǎn)。增量式編碼器的優(yōu)點(diǎn)是易于實(shí)現(xiàn)小型化，響應(yīng)迅速，結(jié)構(gòu)簡單，其缺點(diǎn)是掉電后容易造成數(shù)據(jù)損失，且有誤差累積現(xiàn)象。A. 元件選型圖3.2.1.1 MS60編碼器由于絕對式和混合式光電碼盤制造工藝復(fù)雜，不易實(shí)現(xiàn)小型化，價格昂貴，因此我們

46、采用增量式光電碼盤。具體型號為MS60系列中的MS6008C-120BM-T526。由于要應(yīng)用于縫紉機(jī)，碼盤的體積必須很小且能夠安裝在電機(jī)軸上，我們選擇的碼盤出軸直徑為8mm，電機(jī)軸的直徑為18mm，因此碼盤可以安裝在電機(jī)軸上。碼盤輸出為A、B、Z三相輸出。如果采用四倍頻電路，則直接接到74HC175芯片的輸入端，如果采用eQEP單片，則需要將A、B、Z三路輸出接到EQEPA、EQEPB和EQEPS。碼盤的工作電壓為526V，輸出為高低電平，接線和具體電氣特性如圖所示。圖3.2.1.2 MS60的具體參數(shù)圖3.2.1.3 MS60的接線圖3.2.1.4 MS60的電氣特性A.B. 測量精度我們

47、選用的碼盤分辨率為120，即電機(jī)轉(zhuǎn)一圈發(fā)出120個脈沖，=3°，正好滿足測量指標(biāo)?？紤]到系統(tǒng)的實(shí)用性，可以使用四倍頻電路來提高精度。具體過程為：當(dāng)A為低電平時，B的下降沿產(chǎn)生1個加脈沖，上升沿產(chǎn)生1個減脈沖；當(dāng)A為高電平時，B的上升沿產(chǎn)生1個加脈沖，下降沿產(chǎn)生1個減脈沖；當(dāng)B為低電平時，A的上升沿產(chǎn)生1個加脈沖，下降沿產(chǎn)生1個減脈沖；當(dāng)B為高電平時，A的下降沿產(chǎn)生1個加脈沖，下降沿產(chǎn)生1個減脈沖。采用這種方法，原本碼盤旋轉(zhuǎn)1周輸出120個脈沖，引入四倍頻方法后，碼盤每旋轉(zhuǎn)1周，則輸出480個脈沖，這樣光電碼盤的分辨率就提高了4倍，提高了測量精度。圖3.2.1.5 采用D觸發(fā)器和4-1

48、6譯碼器的四倍頻和鑒相電路具體采用D觸發(fā)器和4-16譯碼器來實(shí)現(xiàn)鑒向和四倍頻功能，電路如圖所示。首先A脈沖輸入端為初始時刻設(shè)為0的頻率可調(diào)的脈沖信號，這里假設(shè)周期為T，B脈沖輸入端為初始時刻設(shè)為T/4的與A同頻率的脈沖信號，這樣滿足了A脈沖超前B脈沖90°，且CLK選用頻率大于A脈沖頻率8倍的時鐘信號；然后通過D觸發(fā)器和4-16譯碼器實(shí)現(xiàn)對A，B脈沖的判向和四倍頻。所以在正轉(zhuǎn)的情況下，每個周期XA都輸出4個脈沖，XB沒有輸出，同理可以推出反轉(zhuǎn)時XA口沒有輸出，XB口輸出了4個減脈沖。這樣，此電路就實(shí)現(xiàn)了四倍頻的功能，而且具備了鑒向功能，該方法能有效解決較多誤碼問題。C. 采樣周期的選

49、擇采樣周期的選擇：采樣周期T是指兩次速度采樣之間的時間間隔，它的長短對系統(tǒng)的控制性能影響較大。如果T過大，則延遲了速度反饋信號，系統(tǒng)實(shí)時性變差，難以實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定的快速響應(yīng)。但是電機(jī)運(yùn)行在低速段時，同步角頻率較小，系統(tǒng)動態(tài)變化較緩慢，適當(dāng)增大T不會明顯影響到系統(tǒng)的實(shí)時性。我們選取T=10ms為采樣周期。D. 位置檢測方法使用增量式編碼器實(shí)現(xiàn)電機(jī)轉(zhuǎn)子位置檢測的方法如下：假定在旋轉(zhuǎn)過程中給定時間T(s)內(nèi)碼盤給出脈沖數(shù)目為m，則電機(jī)轉(zhuǎn)速n(r/min)可表示為n=60fNm式中：N為光電編碼盤每轉(zhuǎn)輸出的脈沖數(shù)，N=480,T=10ms,因此n與m的關(guān)系為：n=6.25m假定電機(jī)在靜止時轉(zhuǎn)子的初始位置角(

50、電角度)是0，電機(jī)的極對數(shù)為p，則從靜止開始經(jīng)過時間T(s)后的電機(jī)轉(zhuǎn)子位置(機(jī)械角)與電機(jī)速度之間的關(guān)系為=0p+n×T60×2=0p+2×m/N若用電角度表示，則為=0+2×p×m/N在第i個采樣時間結(jié)束后，即第i個采樣值為i=i-1+2×p×mi/N式中：i為自然數(shù)；mi為第i個采樣周期的脈沖計數(shù)值。只要知道電機(jī)轉(zhuǎn)子的初始位置角0，則轉(zhuǎn)子任意時刻的位置都可求得。采用增量式光電編碼器測轉(zhuǎn)子初始位置:初始定位是在電機(jī)空載，轉(zhuǎn)子勵磁的情況下，三相定子繞組按下式通入直流電流：ia=IR ib=-0.5IR ic=-0.5IR式

51、中，IR為直流給定值，約為電機(jī)額定電流的1/3。電動機(jī)主回路通電后，電動機(jī)將朝初始位置旋轉(zhuǎn)，且在初始位置作減幅振蕩，待電機(jī)靜止后，記錄碼盤的輸出脈沖個數(shù)m0，則轉(zhuǎn)子的初始位置角0=2pm0/N。經(jīng)過多次初始定位，即可確定準(zhǔn)確的初始位置值。3.2.2速度測量A. 測量方法轉(zhuǎn)速是各類電機(jī)中的一個重要物理量，目前國內(nèi)外常用的測量轉(zhuǎn)速的方法有離心式轉(zhuǎn)速表測速法、微電機(jī)測速法、光電碼盤測速法以及霍爾元件測速法。離心式轉(zhuǎn)速表和微電機(jī)測速都有現(xiàn)成的測速儀表，容易得到。但轉(zhuǎn)速表或測速機(jī)都要與電機(jī)同軸連接，增加了電機(jī)機(jī)組安裝難度，另一方面有些電機(jī)功率很小，轉(zhuǎn)速表或測速機(jī)消耗的功率占了電機(jī)大部分，所以對有些電機(jī)的

52、測速，這兩種方法不適用?；魻栐凸怆姶a盤的測速方法基本類似，都是在轉(zhuǎn)軸上安裝一個很輕巧的傳感器，將電機(jī)的轉(zhuǎn)動信號通過霍爾元件或光電碼盤轉(zhuǎn)換為電脈沖，從而通過計算電脈沖的個數(shù)來測速。其中光電元件的測量精度相對較高，因此我們還是通過碼盤來測速。具體的測速方法有M法、T法和M/T法3種。在這3種方法中，M法在低速時分辨率不高，T法在高速時分辨率低，M/T法與速度幾乎無關(guān)。從精度角度而言，也是M/T法誤差小，精度高。但在低速時為保證結(jié)果的準(zhǔn)確性，該方法需要較長的檢測時間，這樣就無法滿足轉(zhuǎn)速檢測系統(tǒng)的快速動態(tài)響應(yīng)指標(biāo)。由于我們的電機(jī)一般工作在中低速狀態(tài)，因此采用T法測速。計時法（T法）是以一個高頻信號

53、f作為基準(zhǔn)，傳感器每周產(chǎn)生N個脈沖信號，測量兩個相鄰碼盤脈沖個數(shù)m，電機(jī)轉(zhuǎn)速為n=60fNm將N=480，T=10ms代入得：n=6.25m當(dāng)盤脈沖間隔固定時，通過統(tǒng)計時鐘脈沖個數(shù)，可以得出轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)過一個盤脈沖間隔所花的時間，由盤脈沖間隔除以時問即可得轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速。首尾兩個時鐘脈沖計數(shù)時可能產(chǎn)生誤差，誤差的大小為正負(fù)一個時鐘脈沖的間隔。B. 誤差分析通過查閱相關(guān)資料，我們得到了使用DSP擴(kuò)展模塊中的增強(qiáng)型正交編碼脈沖單元（eQEP）作為四倍頻和計數(shù)單元時的速度誤差公式。圖3.2.2 EQEP單元測速的精度與位置傳感器的精度和固定時間周期T有關(guān)。由編碼器輸出一個固定的位置變化信息，傳感器的精度確定了

54、每個脈沖的精度。通過計數(shù)器寄存器中的值計算兩個脈沖之間的時間，然后得到電機(jī)的轉(zhuǎn)速。編碼器線數(shù)為N，速度估計頻率為Fs，則最小位置測量精度為1/4N圈。設(shè)位置脈沖分頻數(shù)為1/Dp，捕獲定時器時鐘分頻數(shù)為1/Dc，系統(tǒng)時鐘為Cs，寄存器QCPRDLAT中的值為Qc，則電機(jī)轉(zhuǎn)速為：S=15×Dp×CsNQcDc它的相對測量誤差可表示為S=15N(aFs+bDpCsQc2Dc)從測量誤差的表達(dá)式中可以看出，隨著速度的增大，測量的相對誤差增大。3.2.3電流測量將霍爾電流傳感器置于電機(jī)三相繞組上，輸出的電壓信號反饋給控制器，可以防止電流過大對系統(tǒng)的損害，比如電機(jī)起動時或電機(jī)堵轉(zhuǎn)時產(chǎn)生

55、的大電流。測量精度：我們采用的HBC25LSP靈敏度為80mV/A。表3.2.3 霍爾電流傳感器的電氣特性第四章 控制系統(tǒng)12344.1三閉環(huán)PID控制策略12344.1傳統(tǒng)的控制策略是以PID控制為代表，由于PID控制具有結(jié)構(gòu)簡單、穩(wěn)定性好、可靠性高等優(yōu)點(diǎn)，因而在伺服控制系統(tǒng)中被廣泛應(yīng)用?？紤]到工業(yè)縫紉機(jī)是一個非線性、多變量、強(qiáng)耦合系統(tǒng)，要求調(diào)速平滑，起動迅速，停針位置定位精確可靠，在設(shè)計上需要速度環(huán)和位置環(huán)控制器；縫紉機(jī)需要對電機(jī)進(jìn)行轉(zhuǎn)矩控制以提高系統(tǒng)的動態(tài)性能，而轉(zhuǎn)矩控制的關(guān)鍵就是電流控制，所以在設(shè)計上需要有電流環(huán)控制器。電流環(huán)控制器有限流作用，可以防止電流過大對系統(tǒng)的損害，比如電機(jī)起動時或電機(jī)堵轉(zhuǎn)時。因此本系統(tǒng)采用的是電流、速度、位置三閉環(huán)控制