工業(yè)縫紉機(jī)系統(tǒng)設(shè)計(jì)畢業(yè)設(shè)計(jì)論文

哈爾濱工業(yè)大學(xué)自動(dòng)控制元件及線(xiàn)路課程設(shè)計(jì)說(shuō)明說(shuō)明書(shū)HarbinInstituteofTechnology課程設(shè)計(jì)說(shuō)明書(shū)（論文）課程名稱(chēng)：自動(dòng)控制元件及線(xiàn)路設(shè)計(jì)題目：工業(yè)縫紉機(jī)系統(tǒng)設(shè)計(jì)院系：航天學(xué)院控制科學(xué)與工程系班級(jí)：1204201設(shè)計(jì)者：學(xué)號(hào)：指導(dǎo)教師：設(shè)計(jì)時(shí)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(chǎng)前景 41.1.2工業(yè)縫紉機(jī)驅(qū)動(dòng)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(dòng)方案 82.1電機(jī)方案對(duì)比 82.1.1直流有刷電機(jī)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(hào)與傳動(dòng)機(jī)構(gòu)選擇 102.2.1刺線(xiàn)機(jī)構(gòu)的結(jié)構(gòu)分析與運(yùn)動(dòng)分析 102.2.2傳動(dòng)機(jī)構(gòu)的選取 102.2.3電機(jī)的期望轉(zhuǎn)速計(jì)算 112.2.4電機(jī)的輸出力矩計(jì)算 112.2.5電機(jī)選型 122.3驅(qū)動(dòng)方案 152.3.1橋式逆變電路 152.3.2驅(qū)動(dòng)芯片 162.3.3驅(qū)動(dòng)框架 18第三章測(cè)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encoder 233.1.4光柵grating 243.1.5霍爾電流傳感器HallCurrentSensor 253.2測(cè)量元件選型 253.2.1位置測(cè)量 253.2.2速度測(cè)量 293.2.3電流測(cè)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(dòng)方式 334.2.1工業(yè)縫紉機(jī)制動(dòng)方法介紹 334.2.2制動(dòng)方式選擇 33第五章總結(jié) 355.1系統(tǒng)評(píng)價(jià)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(chǎng)前景縫紉機(jī)是制衣成套設(shè)備這個(gè)大家庭中最大的家族，也是最古老、應(yīng)用面最廣的門(mén)類(lèi)。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(guó)人湯姆斯發(fā)明第一臺(tái)縫紉機(jī)以來(lái)，經(jīng)過(guò)200多年的發(fā)展，到目前為止，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(shí)代步入機(jī)械電子時(shí)代，應(yīng)用范圍由初期只能用于簡(jiǎn)單的工序縫制到現(xiàn)在能滿(mǎn)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(wàn)轉(zhuǎn)?？p紉機(jī)性能的穩(wěn)定性、可靠性及振動(dòng)、噪聲和自動(dòng)化功能都已達(dá)到一個(gè)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(wàn)臺(tái)，縫紉機(jī)銷(xiāo)售額在60～70億美元左右，這幾年來(lái)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(wàn)臺(tái)，主要由中國(guó)生產(chǎn)；多功能家用縫紉機(jī)約500多萬(wàn)臺(tái)，主要產(chǎn)地有中國(guó)（包括臺(tái)灣地區(qū)）、日本和巴西；平縫機(jī)系列約400多萬(wàn)臺(tái)，包縫機(jī)系列也有300多萬(wàn)臺(tái)，主要產(chǎn)地有中國(guó)（包括臺(tái)灣地區(qū)）、日本、德國(guó)、意大利和韓國(guó)等；繃縫機(jī)系列有幾十萬(wàn)臺(tái)；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(wàn)臺(tái)。從國(guó)際產(chǎn)業(yè)的形勢(shì)來(lái)看，國(guó)際縫紉機(jī)制造產(chǎn)業(yè)經(jīng)過(guò)幾次大的轉(zhuǎn)移，發(fā)生了國(guó)際產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)的大變動(dòng)。德國(guó)百福、美國(guó)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(chǎng)家裁減人員。使中國(guó)成為目前僅有的幾個(gè)縫紉機(jī)主要生產(chǎn)基地之一。國(guó)有企業(yè)積極改革逐步走出困境，民營(yíng)企業(yè)發(fā)展勢(shì)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(guó)參展，每次都取得了較好的效果，企業(yè)在國(guó)際上的知名度大大提高，很多國(guó)家的縫紉機(jī)經(jīng)銷(xiāo)商對(duì)我國(guó)縫紉設(shè)備越來(lái)越感興趣。綜上所述，可以看出縫紉機(jī)具有廣闊的市場(chǎng)前景。1.1.2工業(yè)縫紉機(jī)驅(qū)動(dòng)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(dòng)工業(yè)縫紉機(jī)的電動(dòng)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(dòng)機(jī)（離合器電機(jī)）、渦流式異步電動(dòng)機(jī)、混合步進(jìn)式電動(dòng)機(jī)和交流伺服電動(dòng)機(jī)。因?yàn)楫a(chǎn)品可靠、價(jià)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(dòng)機(jī)從80年代后期開(kāi)發(fā)應(yīng)用以來(lái)，因?yàn)閮?yōu)越的性能滿(mǎn)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(dòng)機(jī)的大量應(yīng)用，其他兩類(lèi)產(chǎn)品的市場(chǎng)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(shí)間最長(zhǎng)的電機(jī)，主要由異步電動(dòng)機(jī)、離合器和剎車(chē)片構(gòu)成。通電后，電動(dòng)機(jī)一直在運(yùn)轉(zhuǎn)，當(dāng)離合器合上，帶動(dòng)縫紉機(jī)工作，松開(kāi)離合器，靠剎車(chē)片的摩擦，縫紉機(jī)快速剎車(chē)。主要的優(yōu)點(diǎn)是結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單可靠，啟動(dòng)和剎車(chē)時(shí)間短，滿(mǎn)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(shí)，離合器和摩擦片需定期更換，維護(hù)工作量較大。為了滿(mǎn)足定位定針的要求，摩擦片式電子定位定針電動(dòng)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(huì)影響定位的可靠性，需經(jīng)常保養(yǎng)和維護(hù)。2）針對(duì)擦片式電子定位定針電動(dòng)機(jī)的缺點(diǎn)，渦流式異步電動(dòng)機(jī)應(yīng)運(yùn)而生，主要由異步電動(dòng)機(jī)、渦流式電磁轉(zhuǎn)差離合器和直流勵(lì)磁電源等三個(gè)部分組成，通過(guò)控制勵(lì)磁電流改變磁場(chǎng)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(dòng)機(jī)的優(yōu)點(diǎn)是結(jié)構(gòu)比較簡(jiǎn)單，可無(wú)級(jí)調(diào)速，維護(hù)方便，運(yùn)行可靠，調(diào)速范圍也比較寬，對(duì)電網(wǎng)無(wú)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(dòng)機(jī)由混合式步進(jìn)電動(dòng)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(dòng)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(dòng)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(shí)，伺服控制器檢測(cè)到變化，啟動(dòng)電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)，并快速到達(dá)設(shè)定的轉(zhuǎn)速，松開(kāi)踏板，伺服控制器根據(jù)光學(xué)編碼器的位置信號(hào)，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(dòng)慣量小、體積小、重量輕、動(dòng)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(zhǎng)、免維護(hù)、能在惡劣環(huán)境下使用等特點(diǎn)，目前價(jià)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(dòng)機(jī)，順應(yīng)了工業(yè)縫紉機(jī)從簡(jiǎn)單控制到自動(dòng)化和機(jī)電一體化的發(fā)展過(guò)程，不同的電機(jī)滿(mǎn)足不同自動(dòng)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(huì)占一定的市場(chǎng)比例。為了解決離合器電機(jī)能耗問(wèn)題，市場(chǎng)上出現(xiàn)了有刷直流電機(jī)（俗稱(chēng)節(jié)能電機(jī)），產(chǎn)品有一定的節(jié)能效果，但是因?yàn)樘妓⒌拇嬖?，維護(hù)工作量大。目前，市場(chǎng)上又出現(xiàn)了一種新的產(chǎn)品，是在交流伺服電動(dòng)機(jī)的基礎(chǔ)上，采用異步電動(dòng)機(jī)，去掉一些復(fù)雜的功能，僅保留了無(wú)級(jí)調(diào)速、定針和剪線(xiàn)等功能，成本大大降低，滿(mǎn)足了中高檔工業(yè)縫紉機(jī)對(duì)自動(dòng)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(chǎng)趨勢(shì)來(lái)看，交流伺服電動(dòng)機(jī)是發(fā)展方向，不過(guò)目前價(jià)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(jì)。1.2工業(yè)縫紉機(jī)的機(jī)械組成圖SEQFigure\*ARABIC1.2-1S-7300A工業(yè)縫紉機(jī)工業(yè)縫紉機(jī)的組成包括：機(jī)體部分、針桿和挑線(xiàn)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(xiàn)裝置、繞線(xiàn)裝置、切線(xiàn)裝置、松線(xiàn)裝置、掃線(xiàn)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(gè)電機(jī)控制多個(gè)不同的功能單元，因此本文僅對(duì)針頭的伺服控制進(jìn)行設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)，也就是刺線(xiàn)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)是圖SEQFigure\*ARABIC1.2-1S-7300A工業(yè)縫紉機(jī)縫紉機(jī)刺線(xiàn)部分的基本工作原理如下圖所示。針頭帶動(dòng)棉線(xiàn)上下往復(fù)運(yùn)動(dòng)，與挑線(xiàn)裝置配合，進(jìn)而完成縫紉工作。圖圖1.2-2刺線(xiàn)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)，同時(shí)參照一些文獻(xiàn)的設(shè)計(jì)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(dòng)輕柔、迅速，起動(dòng)時(shí)間小于200ms；·停針迅速、準(zhǔn)確，制動(dòng)時(shí)間小于100ms；·要求縫紉機(jī)停位精度控制在皮帶輪對(duì)應(yīng)的上下針位±2.50mm以?xún)?nèi)，縫紉機(jī)的定位精度要求在上下針位±3度范圍以?xún)?nèi)；·制動(dòng)后縫紉機(jī)從高速到停止動(dòng)作連慣，沒(méi)有滯后的痕跡；表1.3-1S-7300A的基本參數(shù)表2,000sti/min·縫紉速度起碼能達(dá)到2000表1.3-1S-7300A的基本參數(shù)表2,000sti/min第二章電機(jī)選型與驅(qū)動(dòng)方案2.1電機(jī)方案對(duì)比對(duì)于電機(jī)選型，在背景介紹中已經(jīng)粗略的講過(guò)目前的發(fā)展趨勢(shì)是永磁交流伺服電機(jī)，下面對(duì)不同的電機(jī)方案進(jìn)行具體的對(duì)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(dòng)、停車(chē)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(dòng)、制動(dòng)轉(zhuǎn)矩大，易于快速啟動(dòng)、停車(chē)。同時(shí)，直流電機(jī)的調(diào)速范圍廣，易于無(wú)極調(diào)速，也具備良好的線(xiàn)性控制特性，動(dòng)、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(duì)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?yàn)樗慕Y(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，維護(hù)容易，也可以滿(mǎn)足頻繁的啟動(dòng)、制動(dòng)需求。它主要由異步電動(dòng)機(jī)、離合器和剎車(chē)片構(gòu)成。通電后，電動(dòng)機(jī)一直在運(yùn)轉(zhuǎn)，當(dāng)離合器合上，帶動(dòng)縫紉機(jī)工作，松開(kāi)離合器，靠剎車(chē)片的摩擦，縫紉機(jī)快速剎車(chē)。主要的優(yōu)點(diǎn)是結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單可靠，啟動(dòng)和剎車(chē)時(shí)間短，滿(mǎn)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(shí)，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(dòng)困難的缺陷，需要輔助電機(jī)、異步或變頻等方法啟動(dòng)，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(dòng)的磁滯式同步電機(jī)，它的弱阻尼導(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(méi)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(mǎn)足縫紉機(jī)要求的千轉(zhuǎn)級(jí)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(jiǎn)單，能實(shí)現(xiàn)數(shù)字控制，但是它的不足也是顯而易見(jiàn)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(huì)大大增加，對(duì)于縫紉機(jī)來(lái)說(shuō)不經(jīng)濟(jì)實(shí)用。此外，由于自身開(kāi)環(huán)控制的缺陷，決定了它會(huì)受到啟動(dòng)頻率的限制，不適合縫紉機(jī)頻繁且快速的啟停工作環(huán)境。同時(shí)，開(kāi)環(huán)控制可能造成它在工作中出現(xiàn)丟步或堵轉(zhuǎn)的問(wèn)題、停轉(zhuǎn)時(shí)轉(zhuǎn)速過(guò)高易出現(xiàn)過(guò)沖的現(xiàn)象，這都會(huì)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300—600rpm，不能滿(mǎn)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(jí)；而且運(yùn)行非常平穩(wěn)，即使在低速時(shí)也不會(huì)出現(xiàn)震動(dòng)；恒力矩輸出，額定轉(zhuǎn)速一般在2000rpm—3000rpm，非常適合縫紉機(jī)的轉(zhuǎn)速要求，同時(shí)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(chǎng)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(lì)磁，因此耗電顯著降低，節(jié)約能源。但是永磁交流電機(jī)還分為無(wú)刷直流電機(jī)（BLDCM）和永磁同步電機(jī)（PMSM），目前市場(chǎng)上的趨勢(shì)是無(wú)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?yàn)镻MSM的控制器成本太高，更適合于高精度驅(qū)動(dòng)伺服系統(tǒng)，普通的中高檔的工業(yè)縫紉機(jī)無(wú)需采用PMSM電機(jī)。綜上所述，本文選擇無(wú)刷直流電機(jī)作為工業(yè)縫紉機(jī)的刺線(xiàn)機(jī)構(gòu)伺服電機(jī)。2.2電機(jī)具體型號(hào)與傳動(dòng)機(jī)構(gòu)選擇2.2.1刺線(xiàn)機(jī)構(gòu)的結(jié)構(gòu)分析與運(yùn)動(dòng)分析要設(shè)計(jì)針頭的伺服控制系統(tǒng)，首先要了解針頭的運(yùn)動(dòng)規(guī)律和控制需求。下圖是縫紉機(jī)刺線(xiàn)機(jī)構(gòu)的結(jié)構(gòu)與結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖。圖2.2.1縫紉機(jī)刺線(xiàn)機(jī)構(gòu)的結(jié)構(gòu)與結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖簡(jiǎn)要來(lái)講，電機(jī)啟動(dòng)后，經(jīng)過(guò)傳動(dòng)減速裝置與刺線(xiàn)裝置的主軸相連，這樣就能帶動(dòng)主軸進(jìn)行轉(zhuǎn)動(dòng)，而主軸上裝有的針桿連桿(7號(hào)件)就會(huì)隨之轉(zhuǎn)動(dòng)，并且?guī)?dòng)針桿連接柱(6號(hào)件)上下往復(fù)運(yùn)動(dòng)，從而實(shí)現(xiàn)電機(jī)的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)到機(jī)針（1號(hào)件）的上下往復(fù)運(yùn)動(dòng)。2.2.2傳動(dòng)機(jī)構(gòu)的選取圖2.2.2縫紉機(jī)刺線(xiàn)機(jī)構(gòu)的結(jié)構(gòu)與結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖工業(yè)縫紉機(jī)的傳動(dòng)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(dòng)裝置。因?yàn)樵诳p紉機(jī)構(gòu)中，如果因?yàn)殄e(cuò)誤的操作導(dǎo)致縫紉機(jī)的機(jī)針堵轉(zhuǎn)，那么就會(huì)導(dǎo)致滾珠絲杠折斷，這樣維護(hù)起來(lái)極為麻煩，而同步齒輪帶傳動(dòng)則不存在此問(wèn)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(hào)零件，同步帶為圖中的14號(hào)零件。目前，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(chēng)為直接驅(qū)動(dòng)，因此，我們也采用這個(gè)傳動(dòng)方式，進(jìn)而設(shè)減速比圖2.2.2縫紉機(jī)刺線(xiàn)機(jī)構(gòu)的結(jié)構(gòu)與結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖2.2.3電機(jī)的期望轉(zhuǎn)速計(jì)算機(jī)針部分轉(zhuǎn)速計(jì)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?000sti/min，這樣可以得到需求的針桿的平均速度為V主軸轉(zhuǎn)速計(jì)算主軸轉(zhuǎn)動(dòng)一周，針桿上下往復(fù)運(yùn)動(dòng)一次。根據(jù)此關(guān)系，可得ω其中ω1是主軸的角速度，R1是主軸半徑，這里取ω電機(jī)轉(zhuǎn)速計(jì)算根據(jù)減速比的定義i=可得ω其中，ω2是電機(jī)的轉(zhuǎn)速，經(jīng)單位換算后，n≈1985rpm2.2.4電機(jī)的最大轉(zhuǎn)矩計(jì)算啟動(dòng)加速度a縫紉機(jī)需要電機(jī)的起動(dòng)要輕柔、迅速，而且起動(dòng)時(shí)間小于200ms，據(jù)此可以得到啟動(dòng)加速度a負(fù)載轉(zhuǎn)矩T對(duì)于負(fù)載及摩擦產(chǎn)生的功率為P對(duì)于電機(jī)的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，其功率為P其中f為負(fù)載及摩擦產(chǎn)生的制動(dòng)力，大約是15N，V為線(xiàn)速度，T為力矩。P1和fV=δTω式中δ為效率系數(shù)(齒輪、皮帶傳動(dòng)：近似0.95)。根據(jù)上式換算得電機(jī)軸上負(fù)載轉(zhuǎn)矩為T(mén)電機(jī)最大轉(zhuǎn)矩TT其中Jl=0.0027kgBLDCMTM90-04型號(hào)A0421極數(shù)P4P/8P功率W400額定力矩N-m1.91Kg-cm19.4啟動(dòng)力矩N-m3.82Kg-cm38.8電壓V24電流A21.5轉(zhuǎn)速RPM2000絕緣等級(jí)-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(guò)上面的計(jì)算可知，電機(jī)的選擇要滿(mǎn)足額定轉(zhuǎn)速n與最大轉(zhuǎn)矩Tmax的要求，此外，額定力矩也要滿(mǎn)足一定條件。根據(jù)經(jīng)驗(yàn)，縫紉機(jī)電機(jī)的額定力矩一般為：夏裝、薄布料1N?m左右，冬裝、厚布料、鞋類(lèi)要求3N?m左右。根據(jù)這些限制條件，可以進(jìn)行我們查找了幾家公司的不同種類(lèi)的無(wú)刷直流電機(jī)，分別計(jì)算轉(zhuǎn)動(dòng)慣量，然后帶入最大轉(zhuǎn)矩公式進(jìn)行驗(yàn)證，最后選取的型號(hào)是韓國(guó)WOOJINSERVO公司的TM90-04系列的A0421直流無(wú)刷電機(jī)，電機(jī)如圖所示，右表是該電機(jī)的參數(shù)表。圖圖2.2.5-1TM90電機(jī)圖2.2.5-2圖2.2.5-2電機(jī)局部零件圖A．最大轉(zhuǎn)矩（啟動(dòng)轉(zhuǎn)矩）驗(yàn)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)合零件圖上的尺寸標(biāo)注，可以求得電機(jī)轉(zhuǎn)子的質(zhì)量為m=進(jìn)而由圓柱體的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量公式可得電機(jī)近似轉(zhuǎn)動(dòng)慣量為代入最大轉(zhuǎn)矩公式可得B．額定轉(zhuǎn)矩驗(yàn)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(guò)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(shí)的轉(zhuǎn)速曲線(xiàn)與轉(zhuǎn)矩曲線(xiàn)，在這里，我們以t0=100ms作為機(jī)針上下運(yùn)動(dòng)一次的時(shí)間，在每個(gè)t0內(nèi)，前25ms是機(jī)針在布料上方，中間50ms圖2.2.5-3電機(jī)連續(xù)運(yùn)行這是因?yàn)?，僅僅在機(jī)針剛接觸布料是轉(zhuǎn)矩會(huì)有大的變化，之后機(jī)針已經(jīng)把布料穿透，轉(zhuǎn)矩和Tl首先計(jì)算啟動(dòng)力矩，根據(jù)之前的計(jì)算可得T然后是制動(dòng)力矩，制動(dòng)階段的加速度

a則T設(shè)縫紉機(jī)的平均每6s停車(chē)一次，即單次工作200針，然后歇停t4=1T圖2.2.5-4電機(jī)零件圖參照表2.2.5，TM90—A0421電機(jī)的起動(dòng)轉(zhuǎn)矩是3.82N?m，滿(mǎn)足200ms內(nèi)快速啟動(dòng)的需求；額定轉(zhuǎn)速為2000rpm，滿(mǎn)足之前圖2.2.5-4電機(jī)零件圖綜合來(lái)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(dòng)方案2.3.1橋式逆變電路圖2.3.1-1NTD32N06型號(hào)MOSFET首先，直流無(wú)刷電機(jī)要有配套的逆變電路來(lái)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NTD32N06型號(hào)的MOSFET功率管，它是專(zhuān)門(mén)為低壓、高速切換的工作場(chǎng)合設(shè)計(jì)，常用于電機(jī)控制和橋式電路設(shè)計(jì)。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圖2.3.1-1NTD32N06型號(hào)MOSFET圖2圖2.3.1-2MOSFET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(guò)控制PWM信號(hào)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(shí)，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(hào)，加到6個(gè)功率管上。2.3.2驅(qū)動(dòng)芯片Vishay公司生產(chǎn)的三相無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)控制器SI9979，是無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)的專(zhuān)用控制芯片，其內(nèi)部集成的MOSFET驅(qū)動(dòng)電路使其可以容易地驅(qū)動(dòng)N溝道的三相橋式電路，同時(shí)它采用了7mmSQFP封裝，可以簡(jiǎn)化驅(qū)動(dòng)電路并減小電路尺寸，降低成本。SI9979為無(wú)刷電動(dòng)機(jī)控制提供諸如控制信號(hào)輸入、產(chǎn)生換向邏輯、門(mén)驅(qū)動(dòng)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圖2.3.2-1SI9979芯片電路模塊圖下面對(duì)此芯片進(jìn)行簡(jiǎn)要介紹。首先，供電電壓V+的范圍是20V~40V，邏輯電壓VDD=16V，內(nèi)部參考電壓VREF=4.2V，如下是對(duì)圖中比較重要的引腳進(jìn)行的說(shuō)明：Pins1-3：INA,INB,INC 換相傳感器輸入Pin4:60/120 傳感器60°分布與120°分布片選Pin6:F/R(Forward/Reverse) 電機(jī)轉(zhuǎn)向片選Pin7:QS(QuadratureSelect) 選擇低端MOSFET響應(yīng)PWM信號(hào)或低端和高端一起響應(yīng)PWM信號(hào)Pin8:PWM PWM信號(hào)輸入端口Pin9:BRK 剎車(chē)片選端口Pin11:FAULT 錯(cuò)誤指示端口Pin17:RT/CT 過(guò)流關(guān)斷定時(shí)RC端口Pin19:IS+ 過(guò)流檢測(cè)端口Pin25:GBC C相低端MOSFET的柵極驅(qū)動(dòng)（16V/0.1v）Pin26:GTC C相高端MOSFET的柵極驅(qū)動(dòng)（16V/0.1V）Pin25:SC C相高端MOSFET的負(fù)電源Pin25:CAPC C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(hào)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圖2.3.2-2SI9979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(hào)（GB*）直接驅(qū)動(dòng)，該信號(hào)在Si9979的內(nèi)部通過(guò)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(dòng)，Si9979的高端輸出信號(hào)通過(guò)其內(nèi)部的浮動(dòng)電路（自舉電路）驅(qū)動(dòng)MOSFET的高端。一旦MOSFET低端導(dǎo)通，浮動(dòng)電路的電容開(kāi)始充電并在低端導(dǎo)通時(shí)保持到VDD，當(dāng)MOSFET低端截止時(shí)，該端輸出可以驅(qū)動(dòng)MOSFET高端。2.3.3驅(qū)動(dòng)框架在控制系統(tǒng)中，DSP通過(guò)對(duì)傳感器返回的位置、速度、力矩信號(hào)進(jìn)行處理，產(chǎn)生相應(yīng)的PWM、方向和剎車(chē)控制信號(hào)，然后傳遞給Si9979驅(qū)動(dòng)板，實(shí)現(xiàn)對(duì)無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)的驅(qū)動(dòng)。此外，Si9979電動(dòng)機(jī)換向邏輯是根據(jù)三個(gè)霍爾元件返回的位置信號(hào)確定的，從而實(shí)現(xiàn)無(wú)刷電動(dòng)機(jī)的無(wú)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(dòng)機(jī)輸出霍爾位置信號(hào)需要在輸入Si9979之前轉(zhuǎn)換成TTL兼容的方波信號(hào)。由于無(wú)刷電動(dòng)機(jī)霍爾位置傳感器輸出為模擬信號(hào)，而Si9979要求輸入信號(hào)與TTL兼容，即數(shù)字信號(hào)，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(hào)端隔開(kāi)，保證系統(tǒng)設(shè)計(jì)的抗干擾能力，同時(shí)也滿(mǎn)足提升霍爾方波輸入信號(hào)電壓的要求。上述過(guò)程的電路結(jié)構(gòu)如下圖所示。圖2圖2.3.3-1驅(qū)動(dòng)方案第三章測(cè)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(cè)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(guò)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。3.1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(cè)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(xiàn)性和多極旋轉(zhuǎn)變壓器不作介紹。結(jié)構(gòu)圖3.1.SEQ圖\*ARABIC1-1旋轉(zhuǎn)變壓器的結(jié)構(gòu)工作原理空載運(yùn)行時(shí)（輸出繞組接大阻抗負(fù)載時(shí)）定子繞組S1S3接交流激磁電壓，頻率f為400Hz或50Hz。u產(chǎn)生的脈振磁場(chǎng)Φm，位于S1S3設(shè)繞組R1R3（余弦繞組）軸線(xiàn)與脈振磁場(chǎng)軸線(xiàn)的夾角為θ，該繞組的磁通的ΦRΦR13=Φm正余弦旋轉(zhuǎn)變壓器該繞組感應(yīng)電勢(shì)有效值為：E繞組R2R4（正弦繞組）:

根據(jù)變壓器原理，輸出繞組的感應(yīng)電勢(shì)的最大有效值為：E負(fù)載時(shí)：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(shì)，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(chǎng)發(fā)生了改變。轉(zhuǎn)子電流產(chǎn)生的磁勢(shì)為FR13轉(zhuǎn)子電流為：IR=ER13因此負(fù)載電流越大，交軸磁勢(shì)引起的輸出誤差也越大。對(duì)磁勢(shì)進(jìn)行分解，交軸磁勢(shì)為：FR13q=圖3.1.1-3轉(zhuǎn)子電流磁密分解圖聯(lián)立（1圖3.1.1-3轉(zhuǎn)子電流磁密分解圖Fθ不同，交軸磁勢(shì)和磁密也不同。當(dāng)θ=45°時(shí)，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(wú)法抵消，它不會(huì)在定子繞組中感應(yīng)出電動(dòng)勢(shì)，但會(huì)在轉(zhuǎn)子繞組中感應(yīng)出電動(dòng)勢(shì)。感應(yīng)電勢(shì)為EKe副邊補(bǔ)償：圖圖3.1.1-SEQ圖\*ARABIC2副邊補(bǔ)償余弦繞組交軸磁勢(shì)F圖3.1.1圖3.1.1-5副邊補(bǔ)償時(shí)的磁勢(shì)分解F交軸磁勢(shì)完全抵消的條件是ZL優(yōu)缺點(diǎn)：優(yōu)點(diǎn)：除了測(cè)角外，還可以用于解算，用途多構(gòu)造簡(jiǎn)單，成本較低；對(duì)使用環(huán)境要求低（噪聲、振動(dòng)、沖擊、溫度）；無(wú)接觸測(cè)量，可靠性高，壽命長(zhǎng)；適合高速，最高可達(dá)60000r/min（光電3000r)；有絕對(duì)位置信號(hào)輸出；處理電路相對(duì)簡(jiǎn)單。缺點(diǎn)：精度較低。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(kāi)路輸入阻抗（空載輸入阻抗）。誤差(1)函數(shù)誤差；(2)零位誤差；(3)線(xiàn)性誤差（針對(duì)線(xiàn)性旋轉(zhuǎn)變壓器）；(4)電氣誤差（評(píng)價(jià)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圖3.1.2滑尺定尺直線(xiàn)式感應(yīng)同步器由定尺和滑尺兩部分組成，滑尺比定尺短。工作原理感應(yīng)同步器在工作時(shí)，如果在其中一種繞組上通以交流激勵(lì)電壓，由于電磁耦合，在另一種繞組上就產(chǎn)生感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)。該電動(dòng)勢(shì)隨定尺和滑尺（對(duì)長(zhǎng)感應(yīng)同步器而言）的相對(duì)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(cè)系統(tǒng)——鑒相型系統(tǒng)和鑒幅型系統(tǒng)。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u單相繞組上感應(yīng)的電勢(shì)e應(yīng)用疊加原理可知單相繞組總感應(yīng)電勢(shì)eK—電磁耦合系數(shù)，與繞組間最大互感系數(shù)有關(guān)；θe單相激磁式：?jiǎn)蜗嗬@組加激磁電壓u=-Umcose鑒幅式系統(tǒng)：根據(jù)信號(hào)的幅值鑒別電角兩相激磁式：給定激磁電壓幅值為u其中θ1為已知的單相連續(xù)繞組的總感應(yīng)電勢(shì)為e單相激磁式：給定激磁電壓u=單相連續(xù)繞組的總感應(yīng)電勢(shì)為e優(yōu)點(diǎn)具有較高精度和分辨力：長(zhǎng)（250mm）：精度±1.5mm，分辨力0.05mm；抗干擾能力強(qiáng)；使用壽命長(zhǎng)，維護(hù)簡(jiǎn)單；（定、滑尺不接觸）可以用于長(zhǎng)距離位移測(cè)量；（可拼接，精度仍保持原單個(gè)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(chēng)碼盤(pán)，用來(lái)測(cè)量轉(zhuǎn)角并把它轉(zhuǎn)換成脈沖或數(shù)字形式的輸出信號(hào)。增量式編碼器工作原理將位移轉(zhuǎn)換成周期性的電信號(hào)，再把這個(gè)電信號(hào)轉(zhuǎn)變成計(jì)數(shù)脈沖，用脈沖的個(gè)數(shù)表示位移的大小。將正、反轉(zhuǎn)脈沖分別送入可逆計(jì)數(shù)器就能正確計(jì)算出脈沖數(shù)n，再乘以一個(gè)脈沖對(duì)應(yīng)的角度增量Δ，就得到相對(duì)初始位置的角度—角位移增量nΔ。計(jì)算軸的轉(zhuǎn)角要有基準(zhǔn)。增量碼盤(pán)事先規(guī)定一個(gè)基準(zhǔn)零點(diǎn)，稱(chēng)為零位。相對(duì)這個(gè)零位的轉(zhuǎn)角位置稱(chēng)為絕對(duì)位置。增量碼盤(pán)有3個(gè)輸出端，分別稱(chēng)為A、B和Z。Z相送出的脈沖就是零位脈沖。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(jiǎn)單，成本較低；既適合測(cè)角也適合測(cè)速；無(wú)接觸測(cè)量，可靠性高，壽命長(zhǎng)。缺點(diǎn)開(kāi)機(jī)后先要尋零；在脈沖傳輸過(guò)程中，干擾產(chǎn)生累計(jì)誤差；需要計(jì)數(shù)器、速度受到一定限制。絕對(duì)式編碼器絕對(duì)式脈沖編碼盤(pán)是一種絕對(duì)角度位置檢測(cè)裝置，它的位置輸出信號(hào)是某種制式的數(shù)碼信號(hào)，它表示位移后所達(dá)到的絕對(duì)位置，要用起點(diǎn)和終點(diǎn)的絕對(duì)位置的數(shù)碼信號(hào)，經(jīng)運(yùn)算后才能得到位移量的大小。結(jié)構(gòu)三大部分，旋轉(zhuǎn)的碼盤(pán)、光源和光電敏感元件。光學(xué)碼道，每個(gè)碼道上按一定規(guī)律分布著透明和不透明區(qū)。工作原理光源的光通過(guò)光學(xué)系統(tǒng)，穿過(guò)碼盤(pán)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(gè)碼道的輸出編碼組合就表示碼盤(pán)的轉(zhuǎn)角位置。優(yōu)點(diǎn)精度高,無(wú)接觸，壽命長(zhǎng)；開(kāi)機(jī)不需要尋零；沒(méi)有累計(jì)誤差；不需要計(jì)數(shù)器、允許轉(zhuǎn)速高。缺點(diǎn)結(jié)構(gòu)復(fù)雜，體積大；價(jià)格貴3.1.4光柵grating光柵用于檢測(cè)線(xiàn)位移和角位移，精度很高。分為檢測(cè)線(xiàn)位移的直線(xiàn)光柵和測(cè)量角度的回轉(zhuǎn)光柵（俗稱(chēng)圓光柵）兩種。也分為透射光柵和反射光柵兩大類(lèi)，其中透射光柵是用光學(xué)玻璃作成的，透光與不透光線(xiàn)條；金屬反射光柵是在長(zhǎng)條形金屬鏡面上制成全反射與漫反射間隔相等的密集線(xiàn)紋。結(jié)構(gòu)透射式直線(xiàn)光柵由光源，長(zhǎng)光柵，短光柵，光電元件等組成。長(zhǎng)光柵安裝在活動(dòng)部件上，短光柵固定長(zhǎng)光柵和短光柵的刻線(xiàn)密度相同?？毯鄣膶挾燃由峡毯壑g的距離稱(chēng)為光柵常數(shù)或柵距，記為a。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(xiàn)傾斜一個(gè)很小的角度θ，這時(shí)在指示光柵上就會(huì)出現(xiàn)較寬的明暗相間的條紋，稱(chēng)為“莫爾條紋”。光柵左右移動(dòng)，莫爾條紋上下移動(dòng)，光柵移過(guò)一個(gè)柵距a時(shí)，莫爾條紋也移過(guò)一個(gè)莫爾條紋間距W。θ特別小，莫爾條紋間距W較寬，等于將兩個(gè)光線(xiàn)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(xiàn)路的負(fù)擔(dān)。W=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(jiǎn)單，成本較低；既適合位移也適合測(cè)速。缺點(diǎn)開(kāi)機(jī)后先要尋零；丟失或竄入脈沖時(shí)將會(huì)產(chǎn)生累計(jì)誤差；需要計(jì)數(shù)器、速度受到一定限制；對(duì)使用環(huán)境要求苛刻，避免震動(dòng)油污。3.1.5霍爾電流傳感器HallCurrentSensor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。工作原理圖SEQ圖\*ARABIC3.1.5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(xiàn)方向上施加磁場(chǎng)強(qiáng)度為B的磁場(chǎng)，那么在垂直于圖SEQ圖\*ARABIC3.1.5霍爾電流傳感器示意圖VKH—優(yōu)點(diǎn)響應(yīng)時(shí)間快、低溫漂、精度高、體積小、頻帶寬、抗干擾能力強(qiáng)、過(guò)載能力強(qiáng)。3.2測(cè)量元件選型3.2.1位置測(cè)量由于我們采用矩形波驅(qū)動(dòng)，而矩形波驅(qū)動(dòng)時(shí)系統(tǒng)對(duì)轉(zhuǎn)速和位置測(cè)量的精度要求不是特別高，一般選用霍爾元件和碼盤(pán)來(lái)進(jìn)行測(cè)量?？紤]到旋轉(zhuǎn)變壓器對(duì)使用環(huán)境要求很低，對(duì)噪聲、振動(dòng)、沖擊、溫度不敏感，相對(duì)來(lái)說(shuō)更適用于工業(yè)化車(chē)間，但是服裝廠(chǎng)等使用工業(yè)縫紉機(jī)的場(chǎng)合中振動(dòng)等干擾并不強(qiáng)烈，碼盤(pán)的抗干擾能力可以滿(mǎn)足要求。經(jīng)過(guò)搜索和比較我們發(fā)現(xiàn)旋轉(zhuǎn)變壓器的價(jià)格較碼盤(pán)而言更為昂貴，因此最終決定采用碼盤(pán)作為速度和位置測(cè)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(hào)轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)，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1000～5000個(gè)脈沖，Z端口每轉(zhuǎn)輸出1個(gè)脈沖。Z信號(hào)用于校正每轉(zhuǎn)編碼器產(chǎn)生的脈沖個(gè)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(hào)的相位來(lái)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(jiǎn)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。元件選型圖3.2.1.1MS60編碼器由于絕對(duì)式和混合式光電碼盤(pán)制造工藝復(fù)雜，不易實(shí)現(xiàn)小型化，價(jià)格昂貴，因此我們采用增量式光電碼盤(pán)。具體型號(hào)為MS60系列中的MS6008C-120BM-T526。由于要應(yīng)用于縫紉機(jī)，碼盤(pán)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(pán)出軸直徑為8mm，電機(jī)軸的直徑為18mm，因此碼盤(pán)可以安裝在電機(jī)軸上。碼盤(pán)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(pán)的工作電壓為5~26V，輸出為高低電平，接線(xiàn)和具體電氣特性如圖所示。圖3.2.1.2MS60的具體參數(shù)圖3.2.1.3MS60的接線(xiàn)圖3.2.1.4MS60的電氣特性測(cè)量精度我們選用的碼盤(pán)分辨率為120，即電機(jī)轉(zhuǎn)一圈發(fā)出120個(gè)脈沖，?θ=3°，正好滿(mǎn)足測(cè)量指標(biāo)。考慮到系統(tǒng)的實(shí)用性，可以使用四倍頻電路來(lái)提高精度。具體過(guò)程為：當(dāng)A為低電平時(shí)，B的下降沿產(chǎn)生1個(gè)加脈沖，上升沿產(chǎn)生1個(gè)減脈沖；當(dāng)A為高電平時(shí)，B的上升沿產(chǎn)生1個(gè)加脈沖，下降沿產(chǎn)生1個(gè)減脈沖；當(dāng)B為低電平時(shí)，A的上升沿產(chǎn)生1個(gè)加脈沖，下降沿產(chǎn)生1個(gè)減脈沖；當(dāng)B為高電平時(shí)，A的下降沿產(chǎn)生1個(gè)加脈沖，下降沿產(chǎn)生1個(gè)減脈沖。采用這種方法，原本碼盤(pán)旋轉(zhuǎn)1周輸出120個(gè)脈沖，引入四倍頻方法后，碼盤(pán)每旋轉(zhuǎn)1周，則輸出480個(gè)脈沖，這樣光電碼盤(pán)的分辨率就提高了4倍，提高了測(cè)量精度。圖3.2.1.5采用D觸發(fā)器和4-16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(lái)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(shí)刻設(shè)為0的頻率可調(diào)的脈沖信號(hào)，這里假設(shè)周期為T(mén)，B脈沖輸入端為初始時(shí)刻設(shè)為T(mén)/4的與A同頻率的脈沖信號(hào)，這樣滿(mǎn)足了A脈沖超前B脈沖90°，且CLK選用頻率大于A(yíng)脈沖頻率8倍的時(shí)鐘信號(hào)；然后通過(guò)D觸發(fā)器和4-16譯碼器實(shí)現(xiàn)對(duì)A，B脈沖的判向和四倍頻。所以在正轉(zhuǎn)的情況下，每個(gè)周期XA都輸出4個(gè)脈沖，XB沒(méi)有輸出，同理可以推出反轉(zhuǎn)時(shí)XA口沒(méi)有輸出，XB口輸出了4個(gè)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(wèn)題。采樣周期的選擇采樣周期的選擇：采樣周期T是指兩次速度采樣之間的時(shí)間間隔，它的長(zhǎng)短對(duì)系統(tǒng)的控制性能影響較大。如果T過(guò)大，則延遲了速度反饋信號(hào)，系統(tǒng)實(shí)時(shí)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(shí)，同步角頻率較小，系統(tǒng)動(dòng)態(tài)變化較緩慢，適當(dāng)增大T不會(huì)明顯影響到系統(tǒng)的實(shí)時(shí)性。我們選取T=10ms為采樣周期。位置檢測(cè)方法使用增量式編碼器實(shí)現(xiàn)電機(jī)轉(zhuǎn)子位置檢測(cè)的方法如下：假定在旋轉(zhuǎn)過(guò)程中給定時(shí)間T(s)內(nèi)碼盤(pán)給出脈沖數(shù)目為m，則電機(jī)轉(zhuǎn)速n(r/min)可表示為n=式中：N為光電編碼盤(pán)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=假定電機(jī)在靜止時(shí)轉(zhuǎn)子的初始位置角(電角度)是θ0，電機(jī)的極對(duì)數(shù)為p，則從靜止開(kāi)始經(jīng)過(guò)時(shí)間T(s)后的電機(jī)轉(zhuǎn)子位置(機(jī)械角)θ=若用電角度表示，則為θ=在第i個(gè)采樣時(shí)間結(jié)束后，即第i個(gè)采樣值為θ式中：i為自然數(shù)；mi為第i只要知道電機(jī)轉(zhuǎn)子的初始位置角θ0采用增量式光電編碼器測(cè)轉(zhuǎn)子初始位置:初始定位是在電機(jī)空載，轉(zhuǎn)子勵(lì)磁的情況下，三相定子繞組按下式通入直流電流：i式中，IR為直流給定值，約為電機(jī)額定電流的1/3電動(dòng)機(jī)主回路通電后，電動(dòng)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(pán)的輸出脈沖個(gè)數(shù)m0，則轉(zhuǎn)子的初始位置角θ03.2.2速度測(cè)量測(cè)量方法轉(zhuǎn)速是各類(lèi)電機(jī)中的一個(gè)重要物理量，目前國(guó)內(nèi)外常用的測(cè)量轉(zhuǎn)速的方法有離心式轉(zhuǎn)速表測(cè)速法、微電機(jī)測(cè)速法、光電碼盤(pán)測(cè)速法以及霍爾元件測(cè)速法。離心式轉(zhuǎn)速表和微電機(jī)測(cè)速都有現(xiàn)成的測(cè)速儀表，容易得到。但轉(zhuǎn)速表或測(cè)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(cè)速機(jī)消耗的功率占了電機(jī)大部分，所以對(duì)有些電機(jī)的測(cè)速，這兩種方法不適用。霍爾元件和光電碼盤(pán)的測(cè)速方法基本類(lèi)似，都是在轉(zhuǎn)軸上安裝一個(gè)很輕巧的傳感器，將電機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)信號(hào)通過(guò)霍爾元件或光電碼盤(pán)轉(zhuǎn)換為電脈沖，從而通過(guò)計(jì)算電脈沖的個(gè)數(shù)來(lái)測(cè)速。其中光電元件的測(cè)量精度相對(duì)較高，因此我們還是通過(guò)碼盤(pán)來(lái)測(cè)速。具體的測(cè)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(shí)分辨率不高，T法在高速時(shí)分辨率低，M/T法與速度幾乎無(wú)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(shí)為保證結(jié)果的準(zhǔn)確性，該方法需要較長(zhǎng)的檢測(cè)時(shí)間，這樣就無(wú)法滿(mǎn)足轉(zhuǎn)速檢測(cè)系統(tǒng)的快速動(dòng)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(cè)速。計(jì)時(shí)法（T法）是以一個(gè)高頻信號(hào)f作為基準(zhǔn)，傳感器每周產(chǎn)生N個(gè)脈沖信號(hào)，測(cè)量?jī)蓚€(gè)相鄰碼盤(pán)脈沖個(gè)數(shù)m，電機(jī)轉(zhuǎn)速為n=將N=480，T=10ms代入得：n=當(dāng)盤(pán)脈沖間隔固定時(shí)，通過(guò)統(tǒng)計(jì)時(shí)鐘脈沖個(gè)數(shù)，可以得出轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)過(guò)一個(gè)盤(pán)脈沖間隔所花的時(shí)間，由盤(pán)脈沖間隔除以時(shí)問(wèn)即可得轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速。首尾兩個(gè)時(shí)鐘脈沖計(jì)數(shù)時(shí)可能產(chǎn)生誤差，誤差的大小為正負(fù)一個(gè)時(shí)鐘脈沖的間隔。誤差分析通過(guò)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(jì)數(shù)單元時(shí)的速度誤差公式。圖3.2.2EQEP單元測(cè)速的精度與位置傳感器的精度和固定時(shí)間周期T有關(guān)。由編碼器輸出一個(gè)固定的位置變化信息，傳感器的精度確定了每個(gè)脈沖的精度。通過(guò)計(jì)數(shù)器寄存器中的值計(jì)算兩個(gè)脈沖之間的時(shí)間，然后得到電機(jī)的轉(zhuǎn)速。編碼器線(xiàn)數(shù)為N，速度估計(jì)頻率為Fs，則最小位置測(cè)量精度為1/4N圈。設(shè)位置脈沖分頻數(shù)為1/Dp，捕獲定時(shí)器時(shí)鐘分頻數(shù)為1/Dc，系統(tǒng)時(shí)鐘為Cs，寄存器QCPRDLATS=它的相對(duì)測(cè)量誤差可表示為?S=從測(cè)量誤差的表達(dá)式中可以看出，隨著速度的增大，測(cè)量的相對(duì)誤差增大。3.2.3電流測(cè)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(hào)反饋給控制器，可以防止電流過(guò)大對(duì)系統(tǒng)的損害，比如電機(jī)起動(dòng)時(shí)或電機(jī)堵轉(zhuǎn)時(shí)產(chǎn)生的大電流。測(cè)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)4.1三閉環(huán)PID控制策略傳統(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(jiǎn)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(gè)非線(xiàn)性、多變量、強(qiáng)耦合系統(tǒng)，要求調(diào)速平滑，起動(dòng)迅速，停針位置定位精確可靠，在設(shè)計(jì)上需要速度環(huán)和位置環(huán)控制器；縫紉機(jī)需要對(duì)電機(jī)進(jìn)行轉(zhuǎn)矩控制以提高系統(tǒng)的動(dòng)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(jì)上需要有電流環(huán)控制