工業(yè)縫紉機系統(tǒng)設計

哈爾濱工業(yè)大學自動控制元件及線路課程設計說明說明書哈爾濱工業(yè)大學自動控制元件及線路課程設計說明說明書PAGEPAGE3目錄第1章緒言 4工業(yè)縫紉機的現(xiàn)狀與發(fā)展 4工業(yè)縫紉機的市場前景 4工業(yè)縫紉機驅(qū)動電機的發(fā)展 4工業(yè)縫紉機的機械組成 6需求分析與性能指標 7第二章電機選型與驅(qū)動方案 8電機方案對比 8直流有刷電機方案 8交流異步電機 8小功率同步電機 8步進電機 9永磁交流電機 9電機具體型號與傳動機構(gòu)選擇 10刺線機構(gòu)的結(jié)構(gòu)分析與運動分析 10傳動機構(gòu)的選取 10電機的期望轉(zhuǎn)速計算 11電機的輸出力矩計算 11電機選型 12驅(qū)動方案 15橋式逆變電路 15驅(qū)動芯片 16驅(qū)動框架 18第三章測量元件 19傳感器介紹 19旋轉(zhuǎn)變壓器 19感應同步器 22編碼器encoder 23光柵grating 24霍爾電流傳感器HallCurrentSensor. 25測量元件選型 25位置測量 25速度測量 29電流測量 30第四章控制系統(tǒng) 32三閉環(huán)PID控制策略 32制動方式 33工業(yè)縫紉機制動方法介紹 33制動方式選擇 33第五章總結(jié) 35系統(tǒng)評價與結(jié)論： 35參考資料： 35第1章緒言工業(yè)縫紉機的現(xiàn)狀與發(fā)展工業(yè)縫紉機的市場前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180060～70450多萬臺，主要由中國生產(chǎn)；多功能家用縫紉機約500多萬臺，主要產(chǎn)地有中國（包括臺灣地區(qū)）、日本和巴西；平縫機系列約400多萬臺，包縫機系列也有300多萬臺，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；繃縫機系列有幾十萬臺；其他特種縫紉機包括釘口機、鎖眼機、套結(jié)機、暗縫機、刺繡機、封包機及一些具有獨特功能的縫紉機械有近百萬臺。綜上所述，可以看出縫紉機具有廣闊的市場前景。工業(yè)縫紉機驅(qū)動電機的發(fā)展隨著工業(yè)縫紉機的不斷發(fā)展，驅(qū)動工業(yè)縫紉機的電動機及其控制技術(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（離合器電機）混合步進式電動機和交流伺服電動機80年代后期開發(fā)應用以來，因點是高速區(qū)調(diào)速特性軟，不能全速運行；低速區(qū)調(diào)速效率比較低。交流伺服電動機主要由伺服電機（PMSMBLDCM）的轉(zhuǎn)速，松開踏板，伺服控制器根據(jù)光學編碼器的位置信號，把縫紉機停在設定的位置。1：10000工業(yè)縫紉機上。哈爾濱工業(yè)大學自動控制元件及線路課程設計說明說明書哈爾濱工業(yè)大學自動控制元件及線路課程設計說明說明書PAGEPAGE7（俗稱節(jié)能電機），產(chǎn)品有一定的節(jié)能效設計。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、穿縫紉機的結(jié)構(gòu)精巧、緊湊，而且復雜，多針桿和挑線裝置、壓腳裝置、送料裝置、膝控提升裝置、倒縫裝置、旋梭裝置、穿縫紉機的結(jié)構(gòu)精巧、緊湊，而且復雜，多個電機控制多個不同的功能單元，因此本圖1.2-1S-7300A工業(yè)縫紉機文僅對針頭的伺服控制進行設計與實現(xiàn)，也就是刺線裝置的伺服機構(gòu)。以日本Brother公司生產(chǎn)的S-7300A個電機控制多個不同的功能單元，因此本圖1.2-1S-7300A工業(yè)縫紉機文僅對針頭的伺服控制進行設計與實現(xiàn)，也就是刺線裝置的伺服機構(gòu)。以日本Brother公司生產(chǎn)的S-7300A工業(yè)縫紉機為例，右側(cè)是此縫紉機的外形圖。配合，進而完成縫紉工作。需求分析與性能指標表1.3-1是S-7300A的基本參數(shù)表，參照此縫紉機的相關(guān)參數(shù)，同時參照一些文獻的設計指標，我們列出了如下指標要求。首先，工業(yè)縫紉機要求·200ms；·100ms；·要求縫紉機停位精度控制在皮帶輪對應的上下針位±2.50mm以內(nèi)，縫紉機的定位精度要求在上下針位±3度范圍以內(nèi)；·制動后縫紉機從高速到停止動作連慣，沒有滯后的痕跡；·縫紉速度起碼能達到2000sti/min。表表1.3-1S-7300A的基本參數(shù)表哈爾濱工業(yè)大學自動控制元件及線路課程設計說明說明書哈爾濱工業(yè)大學自動控制元件及線路課程設計說明說明書PAGEPAGE9第二章電機選型與驅(qū)動方案電機方案對比面對不同的電機方案進行具體的對比分析。直流有刷電機方案交流異步電機小功率同步電機（永磁式和磁阻式存在啟動困難的缺陷，需要輔助電機、異步或遠不能滿足縫紉機要求的千轉(zhuǎn)級轉(zhuǎn)速。步進電機3.6°、1.8°，五相混合式步進電機步距角一0.72°、0.36°實用。最后，步進電機的最高工作轉(zhuǎn)速一般在300—600rpm，不能滿足縫紉機的高轉(zhuǎn)速需求。永磁交流電機2000rpm—3000rpm，非常適合縫磁結(jié)構(gòu)，而非電勵磁，因此耗電顯著降低，節(jié)約能源。但是永磁交流電機還分為無刷直流電機（BLDCM）和永磁同步電機（PMSM），目前市場上的趨勢是無刷直流電機正在取代傳統(tǒng)的離合式縫紉機，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)縫紉機無需采用PMSM電機。綜上所述，本文選擇無刷直流電機作為工業(yè)縫紉機的刺線機構(gòu)伺服電機。哈爾濱工業(yè)大學自動控制元件及線路課程設計說明說明書哈爾濱工業(yè)大學自動控制元件及線路課程設計說明說明書PAGEPAGE102.2.2縫紉機刺線機構(gòu)的結(jié)構(gòu)與結(jié)構(gòu)簡圖電機具體型號與傳動機構(gòu)選擇刺線機構(gòu)的結(jié)構(gòu)分析與運動分析線機構(gòu)的結(jié)構(gòu)與結(jié)構(gòu)簡圖。圖2.2.1縫紉機刺線機構(gòu)的結(jié)構(gòu)與結(jié)構(gòu)簡圖(7)(6號件)上下往復運動，從而實現(xiàn)電機的旋轉(zhuǎn)運動到機針號件）的上下往復運動。2.2.2傳動機構(gòu)的選取工業(yè)縫紉機的傳動機構(gòu)一般選擇同2.2.2傳動機構(gòu)的選取工業(yè)縫紉機的傳動機構(gòu)一般選擇同題。右圖是日本Brother公司生產(chǎn)的哈爾濱工業(yè)大學自動控制元件及線路課程設計說明說明書哈爾濱工業(yè)大學自動控制元件及線路課程設計說明說明書PAGEPAGE11同步帶為圖中的14號零件。目前，縫紉機內(nèi)部多采用電機側(cè)皮帶輪與縫紉機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，進而設減速比i=1.1。電機的期望轉(zhuǎn)速計算機針部分轉(zhuǎn)速計算根據(jù)縫紉機的參數(shù)表，可以得到針桿行程為31mm，需求的針速為2000sti/min，這樣可以得到需求的針桿的平均速度為

????

=31×2000×2=2.07m/s60×1000主軸轉(zhuǎn)動一周，針桿上下往復運動一次。根據(jù)此關(guān)系，可得ω1??1=??2 ??其中ω1是主軸的角速度，??1是主軸半徑，這里取??1=2????，因此可算出=206.7??????/??電機轉(zhuǎn)速計算根據(jù)減速比的定義可得

i=ω2ω2=??×ω1=1.1×206.7=227.3??????/??其中，ω2是電機的轉(zhuǎn)速，經(jīng)單位換算后，n≈1985rpm。電機的最大轉(zhuǎn)矩計算縫紉機需要電機的起動要輕柔、迅速，而且起動時間小于200ms，據(jù)此可以得到啟動加速度

??1

=ω2=227.3=1136.8??????/??20.2對于負載及摩擦產(chǎn)生的功率為

P1=????哈爾濱工業(yè)大學自動控制元件及線路課程設計說明說明書哈爾濱工業(yè)大學自動控制元件及線路課程設計說明說明書對于電機的旋轉(zhuǎn)運動，其功率為

P2=????其中??為負載及摩擦產(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????=??????式中??為效率系數(shù)(齒輪、皮帶傳動：近似0.95)。根據(jù)上式換算得電機軸上負載轉(zhuǎn)矩為

=????=??????=????≈0.31????????? ???? ??????????

=+iδ

+?????? δ??2

????1其中????=0.0027???????2，是負載的近似轉(zhuǎn)動慣量，????是電機的轉(zhuǎn)動慣量，與電機轉(zhuǎn)子的尺寸和質(zhì)量有關(guān)。電機選型經(jīng)過上面的計算可知，電機的選擇要滿足額定轉(zhuǎn)速n與最大轉(zhuǎn)矩????????的要求，此外，額定力矩也要滿足一定條件。根據(jù)經(jīng)驗，縫紉機電機的額定力

1?????1?????左右，冬裝、厚布料、3?????BLDCMTM90-04型號A0421的選型。我們查找了幾家公司的不同種類的無刷直流電機，分極數(shù)功率P 4P/8PW 400N-m 1.91別計算轉(zhuǎn)動慣量，然后帶入最大轉(zhuǎn)矩公式進行驗證，最后 額定力矩Kg-cm 19.4選取的型號是韓國WOOJINSERVO公司的TM90-04系列N-m3.82電機的啟動力矩下面是我們對該電機性能指標驗證的過程。12圖2.2.5-2電機局部零件圖A0421Kg-cm38.8參數(shù)表。電壓V24電流A21.5轉(zhuǎn)速RPM2000絕緣等級-B重量Kg3圖2.2.5-1TM90電機環(huán)境--20℃~40℃/20~80%RH哈爾濱工業(yè)大學自動控制元件及線路課程設計說明說明書哈爾濱工業(yè)大學自動控制元件及線路課程設計說明說明書PAGEPAGE14最大轉(zhuǎn)矩（啟動轉(zhuǎn)矩）驗證寸標注，可以求得電機轉(zhuǎn)子的質(zhì)量為m=ρv≈1.09kg進而由圓柱體的轉(zhuǎn)動慣量公式可得電機近似轉(zhuǎn)動慣量為?? =1mR2=2.41×104??????? 2代入最大轉(zhuǎn)矩公式可得電機的額定轉(zhuǎn)矩關(guān)系到電機能否在該力矩下連續(xù)運行，而不超過溫度限制。電機的額定轉(zhuǎn)矩關(guān)系到電機能否在該力矩下連續(xù)運行，而不超過溫度限制。右圖是電機連續(xù)運行時的轉(zhuǎn)速曲線與轉(zhuǎn)t0=100????t050ms是機針在布料25ms是指針重新回到布料上方。t0時間內(nèi)的運動看作恒轉(zhuǎn)矩運動，轉(zhuǎn)矩大小為電機連續(xù)運行

????????=3.59?????????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??1=????????=3.59?????然后是制動力矩，制動階段的加速度??2則

=ω2=227.3=2273??????/??2??3 0.1??3=????

+????δ??2

?????????=6.1?????2 iδ設縫紉機的平均每6s停車一次，即單次工作200針，然后歇停??4=1s，則????????

=√??12??1+??22??2+??32??3=0.94???????1+??2+??3+??42.2.5，TM90—A04213.82??200ms內(nèi)快速啟動的需2000rpm3000sti/min1.91???綜合來看，此電機符合性能指標需求。下圖是此電機的零件圖。圖2.2.5-4電機零件圖驅(qū)動方案首先，直流無刷電機要有配套的逆變電路來實現(xiàn)基本的換相功能，本電機是三相電機，采用星形接法，而且是二相導通六狀態(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首先，直流無刷電機要有配套的逆變電路來實現(xiàn)基本的換相功能，本電機是三相電機，采用星形接法，而且是二相導通六狀態(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型號的MOSFET換的工作場合設計，常用于電機控制和橋式電路設NTD32N06的的基本參數(shù)如又圖所示。其漏極60V32A，可以驅(qū)動我們選擇的電機。2.3.1-1NTD32N06MOSFET2.3.1-2MOSFET橋式逆變電路為了使BLDC電機速度可變，必須在繞組的兩端加可變電壓。利用PWM控制技術(shù)，哈爾濱工業(yè)大學自動控制元件及線路課程設計說明說明書哈爾濱工業(yè)大學自動控制元件及線路課程設計說明說明書PAGEPAGE16PWMDSPPWMPWM波形。然6PWM6個功率管上。驅(qū)動芯片VishaySI9979，是無刷直流電動機的專用控制芯片，其內(nèi)部集成的MOSFETN它7mmSQFPSI9979為無刷電動機控制提供諸如控制信號輸入、產(chǎn)生換向邏輯、門驅(qū)動輸出和保護電路等一些功能。下圖是此芯片的電路模塊圖。圖圖2.3.2-1SI9979芯片電路模塊圖下面對此芯片進行簡要介紹。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，如下是對圖中比較重要的引腳進行的說明：Pins1-3：INA,INB,Pin4:60/120

換相傳感器輸入傳感器60°分布與120°分布片選Pin6:F/R(Forward/Reverse)電機轉(zhuǎn)向片選Pin7:QS(QuadratureSelect)選擇低端MOSFET響應PWM信號或低端和高端一起響應PWM信號Pin8:PWMPin9:BRKPin11:Pin17:RT/CTPin19:IS+Pin25:GBCPin26:GTCPin25:SCPin25:CAPC

PWM剎車片選端口錯誤指示端口RC過流檢測端口CMOSFET的柵極驅(qū)動（16V/0.1v）CMOSFET的柵極驅(qū)動（16V/0.1V）CMOSFET的負電源C相高端MOSFET的正電源（55V）NTD32N06MOSFET搭配使用，下圖是SI9979與逆變電路的實際連接圖。圖圖2.3.2-2SI9979與逆變電路連接圖MOSFETSi9979Si9979MOSFETSi9979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低端導通，浮動電路的電容開始充電并在低端導通時保持到VDDMOSFET低MOSFET高端。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、力矩信號進行處理，產(chǎn)生相應的PWM、方向和剎車控制信號，然后傳遞給Si9979驅(qū)動板，實現(xiàn)對無刷直流電動機的驅(qū)動。此外，Si9979電動機換向邏輯是根據(jù)三個霍爾元件返回的位置信號確定的，從而實現(xiàn)無刷電動機的無接觸換向。由于Si9979內(nèi)部邏輯變換需要數(shù)字輸入，因此電動機輸出霍爾Si9979TTLSi9979TTL兼容，即數(shù)字信號，因此我們采用了Si9979的TTL上述過程的電路結(jié)構(gòu)如下圖所示。圖圖2.3.3-1驅(qū)動方案點，最終選出了一種適合于工業(yè)縫紉機伺服系統(tǒng)的傳感器。傳感器介紹旋轉(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——角度測量結(jié)構(gòu)圖3.1.1-1旋轉(zhuǎn)變壓器的結(jié)構(gòu)工作原理（輸出繞組接大阻抗負載時S1S3交流激磁電壓，頻率f400Hz50Hz。????=??×sin(2??????)產(chǎn)生的脈振磁場Φ??，位于S1S3的軸線上。余弦繞組軸線與脈振磁場軸線的夾角為Φ??13為：Φ??13=Φ??cos?? 3.1.1-2空載運行時的正余弦旋轉(zhuǎn)變壓器該繞組感應電勢有效值為：繞組R2R4（正弦繞組）:

E??13=E??cos??Φ??24=Φ??sin??E??24=E??sin??根據(jù)變壓器原理，輸出繞組的感應電勢的最大有效值為：????=4.44??????Φ??=??????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????13=????????轉(zhuǎn)子電流為：????=

????13??????13

=cos??????13

（1）因此負載電流越大，交軸磁勢引起的輸出誤差也越大。對磁勢進行分解，交軸磁勢為：圖3.1.1-3轉(zhuǎn)子電流磁密分解圖=sin??=sin?? （圖3.1.1-3轉(zhuǎn)子電流磁密分解圖聯(lián)立（1）（2）：??cos?? ????sin2??????13??=????

?? sin??=

????)?? 13 13θ不同，交軸磁勢和磁密也不同。當θ=45°時，達到最大值，負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出電動勢，但會在轉(zhuǎn)子繞組中感應出電動勢。感應電勢為????=4.44??????

??????13??

=????Φ13??sin??=????Φ13??????2??圖3.1.1-2副邊補償圖3.1.1-2副邊補償圖3.1.1-5副邊補償時的磁勢分解余弦繞組交軸磁勢????13??

=????????sin2??2(????+??13)正弦繞組交軸磁勢????24??

=sin2(??′+??)24??24??交軸磁勢完全抵消的條件是??′=????，經(jīng)補償后的旋變能實現(xiàn)：角度測量，進而進行速??度測量。優(yōu)缺點：優(yōu)點：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（60000r/min（光電3000r)；有絕對位置信號輸出；處理電路相對簡單。缺點：精度較低。主要技術(shù)參數(shù)額定電壓；額定頻率；變比；輸出相位移；開路輸入阻抗（空載輸入阻抗）。誤差函數(shù)誤差；零位誤差；線性誤差（針對線性旋轉(zhuǎn)變壓器）；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）。感應同步器感應同步器是一種將角位移和線位移變換為電信號的高精因此下面主要介紹直線式感應同步器。直線式感應同步器由定尺和滑尺兩部分組成，滑尺比定尺短。圖3.1.2圖3.1.2滑尺定尺（對長感應同步器而言不同呈正弦、余弦函數(shù)變化。Us、Uc鑒相型系統(tǒng)和鑒幅型系統(tǒng)。鑒相式系統(tǒng)：2sc????=sin????????=sin???????)2單相繞組上感應的電勢??2??=??????sin????cos????,??2??=??????cos????sin????應用疊加原理可知單相繞組總感應電勢??2=??2??+??2??=??????sin(????+????)K—電磁耦合系數(shù)，與繞組間最大互感系數(shù)有關(guān)；????—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=?????cos????，則單相繞組總感應電勢??2=??2??+??2??=??????sin(????+????)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????=????cos??1sin????,????=?????sin??1sin????其中??1為已知的指令位移角。單相連續(xù)繞組的總感應電勢為??2=??????sin(???????1)cos????單相激磁式：給定激磁電壓u=????sin????單相連續(xù)繞組的總感應電勢為??2=??????sin(???????1)cos????優(yōu)點具有較高精度和分辨力：長精度±1.5mm0.05mm；抗干擾能力強；使用壽命長，維護簡單；（定、滑尺不接觸）可以用于長距離位移測量；（精度仍保持原單個定尺的精度）；工藝性好，成本較低，便于復制和成批生產(chǎn)。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。增量式編碼器工作原理n對應的角度增量Δ，就得到相對初始位置的角度—角位移增量nΔ。轉(zhuǎn)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。優(yōu)點精度高（可用倍頻電路進一步提高精度）；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。缺點開機后先要尋零；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。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。光學碼道，每個碼道上按一定規(guī)律分布著透明和不透明區(qū)。工作原理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。優(yōu)點精度高,無接觸，壽命長；開機不需要尋零；沒有累計誤差；不需要計數(shù)器、允許轉(zhuǎn)速高。缺點結(jié)構(gòu)復雜，體積大；價格貴grating（俗稱圓光柵）隔相等的密集線紋。結(jié)構(gòu)或柵距，記為。工作原理”。光柵左右移動，莫爾aWθ特別小，莫爾條紋間距Wa放大到莫爾條紋間距W，大大地減輕了光學系統(tǒng)和電子線路的負擔。W= ?? =??sin?? ??優(yōu)點精度高（可用倍頻電路進一步提高精度）；構(gòu)造簡單，成本較低；既適合位移也適合測哈爾濱工業(yè)大學自動控制元件及線路課程設計說明說明書哈爾濱工業(yè)大學自動控制元件及線路課程設計說明說明書PAGEPAGE25速。缺點制；對使用環(huán)境要求苛刻，避免震動油污。HallCurrentSensor霍爾元件屬于磁敏式傳感器，是一種半導體器件，利用霍爾效應制成。霍爾電流傳感器基于磁平衡式霍爾原理霍爾電流傳感器基于磁平衡式霍爾原理爾效應原理，從霍爾元件的控制電流端通入電流并在霍爾元件平面的法線方向上施加磁場強度為B(即霍爾輸出大小正比于控制電流I與磁場強度B的乘積。????=??????????sin??????—霍爾系數(shù)，由霍爾元件的材料決定優(yōu)點

圖3.1.5霍爾電流傳感器示意圖響應時間快、低溫漂、精度高、體積小、頻帶寬、抗干擾能力強、過載能力強。測量元件選型位置測量高，一般選用霍爾元件和碼盤來進行測量?？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，相對來說因此最終決定采用碼盤作為速度和位置測量元件。哈爾濱工業(yè)大學自動控制元件及線路課程設計說明說明書哈爾濱工業(yè)大學自動控制元件及線路課程設計說明說明書PAGEPAGE26增量式編碼器直接將電機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1000～5000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)。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編碼器由于絕對式和混合式光電碼盤制造工藝復雜，不易實現(xiàn)小型化，價格昂貴，因此我們采用增量式光電碼盤。具體型號為MS60系列中的MS6008C-120BM-T526。由于要應用于縫紉機，碼盤的體積必須很小且能夠安裝在電機軸上，我們選擇的碼盤出軸直徑為8mm，電機軸的直徑為18mm，因此碼盤可以安裝在電機軸上。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5~26V，輸出為高低電平，接線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的接線圖3.2.1.4MS60的電氣特性測量精度我們選用的碼盤分辨率為120，即電機轉(zhuǎn)一圈發(fā)出120個脈沖，?θ=3°，正好滿足測量指標。考慮到系統(tǒng)的實用性，可以使用四倍頻電路來提高精度。A11A11為低11B的111周1201480個脈沖，這樣光4倍，提高了測量精度。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譯碼器來實現(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為0的頻率可調(diào)的脈沖信號，這里假設周期為T，B脈沖輸入端為初始時刻設為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。采樣周期的選擇T是指兩次速度采樣之間的時間間隔，它的長短對不會明顯影響到系統(tǒng)的實時性。我們選取T=10ms為采樣周期。位置檢測方法使用增量式編碼器實現(xiàn)電機轉(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，則電機轉(zhuǎn)速n(r/min)可表示為n=60??????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=6.25??假定電機在靜止時轉(zhuǎn)子的初始位置角(電角度)是??0，電機的極對數(shù)為p，則從靜止開始經(jīng)過時間T(s)后的電機轉(zhuǎn)子位置(機械角)與電機速度之間的關(guān)系為θ=+??×?? ×2??=+2??×??/???? 60 ??若用電角度表示，則為θ=??0+2??×??×??/??在第i個采樣時間結(jié)束后，即第i個采樣值為θ??=????1+2??×??×????/??式中：i為自然數(shù)；????為第i個采樣周期的脈沖計數(shù)值。只要知道電機轉(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：????=????????=?0.5????????=?0.5????式中，????為直流給定值，約為電機額定電流的1/3。電動機主回路通電后，電動機將朝初始位置旋轉(zhuǎn)，且在初始位置作減幅振蕩，??00=??0??。經(jīng)過多次初始定位，即可確定準確的初始位置值。速度測量測量方法具體的測速方法有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)響應指標。由于我們的電機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f作為基準，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，電機轉(zhuǎn)速為n=60??????將N=480，T=10ms代入得：n=6.25??當盤脈沖間隔固定時，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，誤差的大小為正負一個時鐘脈沖的間隔。誤差分析通過查閱相關(guān)資料，我們得到了使用DSP擴展模塊中的增強型正交編碼脈沖單元（eQEP）作為