工业缝纫机系统设计课程设计说明书.docx

课程设计说明书（论文）课程名称： 自动控制元件及线路 设计题目： 工业缝纫机系统设计 目录第1章 绪言31.1工业缝纫机的现状与发展31.1.1工业缝纫机的市场前景31.1.2工业缝纫机驱动电机的发展31.2工业缝纫机的机械组成31.3需求分析与性能指标3第二章 电机选型与驱动方案32.1电机方案对比32.1.1 直流有刷电机方案32.1.2 交流异步电机32.1.3 小功率同步电机32.1.4步进电机32.1.5永磁交流电机32.2电机具体型号与传动机构选择32.2.1刺线机构的结构分析与运动分析32.2.2传动机构的选取32.2.3电机的期望转速计算32.2.4电机的输出力矩计算32.2.5电机选型32.3驱动方案32.3.1 桥式逆变电路32.3.2 驱动芯片32.3.3 驱动框架3第三章 测量元件33.1传感器介绍33.1.1旋转变压器33.1.2感应同步器33.1.3编码器encoder33.1.4光栅grating33.1.5霍尔电流传感器Hall Current Sensor33.2测量元件选型33.2.1位置测量33.2.2速度测量33.2.3电流测量3第四章 控制系统34.1三闭环PID控制策略34.2制动方式34.2.1工业缝纫机制动方法介绍34.2.2制动方式选择3第五章 总结35.1系统评价与结论：35.2参考资料：3第1章 绪言1.1工业缝纫机的现状与发展1.1.1工业缝纫机的市场前景缝纫机是制衣成套设备这个大家庭中最大的家族，也是最古老、应用面最广的门类。不单是制衣业要用到缝纫机，制鞋业、制帽业、手提包业等凡是有缝接的地方都要用到缝纫机。自1790 年由英国人汤姆斯发明第一台缝纫机以来，经过200 多年的发展，到目前为止，世界上生产的缝纫机有4000 多种，已从初期的手摇机时代步入机械电子时代，应用范围由初期只能用于简单的工序缝制到现在能满足所有缝制生产工序要求，速度由初期的每分钟几百转提高到现在的几千转甚至上万转。缝纫机性能的稳定性、可靠性及振动、噪声和自动化功能都已达到一个很高的水平。目前，就缝纫机产业而言，世界上年产各种缝纫机约1800 万台，缝纫机销售额在6070 亿美元左右，这几年来几乎一直维持在这一水平。按品种分：普通家用缝纫机约450 多万台，主要由中国生产；多功能家用缝纫机约500 多万台，主要产地有中国（包括台湾地区）、日本和巴西；平缝机系列约400 多万台，包缝机系列也有300 多万台，主要产地有中国（包括台湾地区）、日本、德国、意大利和韩国等；绷缝机系列有几十万台；其他特种缝纫机包括钉口机、锁眼机、套结机、暗缝机、刺绣机、封包机及一些具有独特功能的缝纫机械有近百万台。从国际产业的形势来看，国际缝纫机制造产业经过几次大的转移，发生了国际产业结构的大变动。德国百福、美国胜家公司和日本胜家日钢相继倒闭停产，杜可普、重机等主要厂家裁减人员。使中国成为目前仅有的几个缝纫机主要生产基地之一。国有企业积极改革逐步走出困境，民营企业发展势头强劲，三资企业迅速发展。行业内多次组织出国参展，每次都取得了较好的效果，企业在国际上的知名度大大提高，很多国家的缝纫机经销商对我国缝纫设备越来越感兴趣。综上所述，可以看出缝纫机具有广阔的市场前景。1.1.2工业缝纫机驱动电机的发展随着工业缝纫机的不断发展，驱动工业缝纫机的电动机及其控制技术也在不断地发展，到目前为止已经有四代产品，即摩擦片式异步电动机（离合器电机）、涡流式异步电动机、混合步进式电动机和交流伺服电动机。因为产品可靠、价格便宜，离合器电机应用最为广泛，目前主要应用在中低档的工业缝纫机上。交流伺服电动机从80年代后期开发应用以来，因为优越的性能满足了工业缝纫机机电一体化的发展方向，已被高档工业缝纫机广泛采用。随着交流伺服电动机的大量应用，其他两类产品的市场份额逐渐下降。1） 离合器电机是工业缝纫机上应用时间最长的电机，主要由异步电动机、离合器和刹车片构成。通电后，电动机一直在运转，当离合器合上，带动缝纫机工作，松开离合器，靠刹车片的摩擦，缝纫机快速刹车。主要的优点是结构简单可靠，启动和刹车时间短，满足工业缝纫机快速启停的要求，行业应用量大、成本低，中低端的工业缝纫机主要采用离合器电机。缺点是整机效率低，特别缝纫机停止期间，电机仍然在工作并耗电，同时，离合器和摩擦片需定期更换，维护工作量较大。为了满足定位定针的要求，摩擦片式电子定位定针电动机也有应用，特点是起步快，但速度和针位控制精度差，且摩擦片的磨损会影响定位的可靠性，需经常保养和维护。2） 针对擦片式电子定位定针电动机的缺点，涡流式异步电动机应运而生，主要由异步电动机、涡流式电磁转差离合器和直流励磁电源等三个部分组成，通过控制励磁电流改变磁场强度，使离合器产生大小不同的转矩，从而达到调速的目的。涡流式异步电动机的优点是结构比较简单，可无级调速，维护方便，运行可靠，调速范围也比较宽，对电网无干扰。缺点是高速区调速特性软，不能全速运行；低速区调速效率比较低。3） 混合步进式定位定针电动机由混合式步进电动机和相应的步进控制器构成，具有控制方便的优点，但启动频率、运行频率达不到高速工业缝纫机的要求，定针精度仍不理想。4） 交流伺服电动机主要由伺服电机（PMSM、BLDCM）、光学编码器、伺服控制器和模式盒构成。当脚踩下踏板时，伺服控制器检测到变化，启动电机运转，并快速到达设定的转速，松开踏板，伺服控制器根据光学编码器的位置信号，把缝纫机停在设定的位置。采用永磁同步电机的交流伺服系统，电机采用铷铁硼，因而转动惯量小、体积小、重量轻、动态性能好，调速比达1：10000，具有定位精度高、节能效果好、寿命长、免维护、能在恶劣环境下使用等特点，目前价格也比较高，交流永磁同步伺服系统主要应用在高档的工业缝纫机上。综上所述，工业缝纫机电机从离合器电机发展到交流伺服电动机，顺应了工业缝纫机从简单控制到自动化和机电一体化的发展过程，不同的电机满足不同自动化程度的要求。由于低档的工业缝纫机仍然有大量的需求，因此离合器电机仍然会占一定的市场比例。为了解决离合器电机能耗问题，市场上出现了有刷直流电机（俗称节能电机），产品有一定的节能效果，但是因为碳刷的存在，维护工作量大。目前，市场上又出现了一种新的产品，是在交流伺服电动机的基础上，采用异步电动机，去掉一些复杂的功能，仅保留了无级调速、定针和剪线等功能，成本大大降低，满足了中高档工业缝纫机对自动控制功能、节能和控制成本的综合要求。但是，从目前的市场趋势来看，交流伺服电动机是发展方向，不过目前价格较高，主要应用在高档的产品上。因此，我们本篇的研究就是基于永磁交流伺服电机系统的工业缝纫机设计。1.2工业缝纫机的机械组成图 1.2-1 S-7300A工业缝纫机工业缝纫机的组成包括：机体部分、针杆和挑线装置、压脚装置、送料装置、膝控提升装置、倒缝装置、旋梭装置、穿线装置、绕线装置、切线装置、松线装置、扫线装置、控制箱和马达装置等等。工业缝纫机的结构精巧、紧凑，而且复杂，多个电机控制多个不同的功能单元，因此本文仅对针头的伺服控制进行设计与实现，也就是刺线装置的伺服机构。以日本Brother公司生产的S-7300A工业缝纫机为例，右侧是此缝纫机的外形图。缝纫机刺线部分的基本工作原理如下图所示。针头带动棉线上下往复运动，与挑线装置配合，进而完成缝纫工作。图1.2-2 刺线装置结构图1.3需求分析与性能指标表1.3-1是S-7300A的基本参数表，参照此缝纫机的相关参数，同时参照一些文献的设计指标，我们列出了如下指标要求。首先，工业缝纫机要求起动轻柔、迅速，起动时间小于200ms；停针迅速、准确，制动时间小于100ms；要求缝纫机停位精度控制在皮带轮对应的上下针位2.50mm以内，缝纫机的定位精度要求在上下针位3度范围以内；制动后缝纫机从高速到停止动作连惯，没有滞后的痕迹；表1.3-1 S-7300A的基本参数表2,000 sti/min缝纫速度起码能达到2000 sti/min。第二章 电机选型与驱动方案122.1电机方案对比对于电机选型，在背景介绍中已经粗略的讲过目前的发展趋势是永磁交流伺服电机，下面对不同的电机方案进行具体的对比分析。2.1.1 直流有刷电机方案考虑到缝纫机要求的快速启动、停车的性能要求，我们直接想到的就是直流有刷电机，它的启动、制动转矩大，易于快速启动、停车。同时，直流电机的调速范围广，易于无极调速，也具备良好的线性控制特性，动、静态控制性能好。但是，直流有刷电机的电刷和换向器结构导致电机的应用维护性差，安全性、适用性差，这些限制对于工业缝纫机的性能要求显然是不利的，因此不能用直流有刷电机。2.1.2 交流异步电机交流异步电机配合离合器，也就是传统的也是现在低档缝纫机普遍采取的电机选择。之所以选择交流异步电机，是因为它的结构简单，维护容易，也可以满足频繁的启动、制动需求。它主要由异步电动机、离合器和刹车片构成。通电后，电动机一直在运转，当离合器合上，带动缝纫机工作，松开离合器，靠刹车片的摩擦，缝纫机快速刹车。主要的优点是结构简单可靠，启动和刹车时间短，满足工业缝纫机快速启停的要求，行业应用量大、成本低，中低端的工业缝纫机主要采用离合器电机。缺点是整机效率低，特别缝纫机停止期间，电机仍然在工作并耗电，同时，离合器和摩擦片需定期更换，维护工作量较大。2.1.3 小功率同步电机小功率同步电机普遍（永磁式和磁阻式）存在启动困难的缺陷，需要辅助电机、异步或变频等方法启动，并不适合需要频繁启停的缝纫机系统。即便是可以自启动的磁滞式同步电机，它的弱阻尼导致的易震荡缺陷也是缝纫机所不能容忍的，再加上它成本高，功率因数又低，因此它没有考虑的必要。至于电磁减速式同步电机，它的每分钟只有百转左右的转速，远不能满足缝纫机要求的千转级转速。2.1.4步进电机虽然步进电机的控制原理简单，能实现数字控制，但是它的不足也是显而易见的。首先是控制精度，两相混合式步进电机步距角一般是3.6、1.8，五相混合式步进电机步距角一般是0.72、0.36，如果再想提高精度，相应的成本则会大大增加，对于缝纫机来说不经济实用。此外，由于自身开环控制的缺陷，决定了它会受到启动频率的限制，不适合缝纫机频繁且快速的启停工作环境。同时，开环控制可能造成它在工作中出现丢步或堵转的问题、停转时转速过高易出现过冲的现象，这都会造成缝纫机缝毁布料的悲剧。最后，步进电机的最高工作转速一般在300600rpm，不能满足缝纫机的高转速需求。2.1.5永磁交流电机交流伺服电机的控制精度由旋转编码器保证，可达到角秒级；而且运行非常平稳，即使在低速时也不会出现震动；恒力矩输出，额定转速一般在2000rpm3000rpm，非常适合缝纫机的转速要求，同时在额定功率下能实现恒功率输出，也是很好的特性；闭环控制，控制性能更为可靠；速度响应特性好，适合要求快速启停的场合；永磁交流电机的转子部分是永磁结构，而非电励磁，因此耗电显著降低，节约能源。但是永磁交流电机还分为无刷直流电机（BLDCM）和永磁同步电机（PMSM），目前市场上的趋势是无刷直流电机正在取代传统的离合式缝纫机，之所以主流不是PMSM，是因为PMSM的控制器成本太高，更适合于高精度驱动伺服系统，普通的中高档的工业缝纫机无需采用PMSM电机。综上所述，本文选择无刷直流电机作为工业缝纫机的刺线机构伺服电机。2.2电机具体型号与传动机构选择2.2.1刺线机构的结构分析与运动分析要设计针头的伺服控制系统，首先要了解针头的运动规律和控制需求。下图是缝纫机刺线机构的结构与结构简图。图2.2.1 缝纫机刺线机构的结构与结构简图简要来讲，电机启动后，经过传动减速装置与刺线装置的主轴相连，这样就能带动主轴进行转动，而主轴上装有的针杆连杆(7号件)就会随之转动，并且带动针杆连接柱(6号件)上下往复运动，从而实现电机的旋转运动到机针（1号件）的上下往复运动。2.2.2传动机构的选取图2.2.2缝纫机刺线机构的结构与结构简图工业缝纫机的传动机构一般选择同步齿轮带，即由同步轮和同步皮带组成的传动装置。因为在缝纫机构中，如果因为错误的操作导致缝纫机的机针堵转，那么就会导致滚珠丝杠折断，这样维护起来极为麻烦，而同步齿轮带传动则不存在此问题。右图是日本Brother公司生产的S-7300A缝纫机的零件图，是马达装置部分的零件图。其中，同步轮为图中的13号零件，同步带为图中的14号零件。目前，缝纫机内部多采用电机侧皮带轮与缝纫机主轴皮带轮直接用皮带互联，称为直接驱动，因此，我们也采用这个传动方式，进而设减速比。2.2.3电机的期望转速计算A 机针部分转速计算根据缝纫机的参数表，可以得到针杆行程为31mm，需求的针速为2000 sti/min，这样可以得到需求的针杆的平均速度为B 主轴转速计算主轴转动一周，针杆上下往复运动一次。根据此关系，可得其中是主轴的角速度，是主轴半径，这里取，因此可算出C 电机转速计算根据减速比的定义可得其中，是电机的转速，经单位换算后，。2.2.4电机的最大转矩计算A. 启动加速度缝纫机需要电机的起动要轻柔、迅速，而且起动时间小于200ms，据此可以得到启动加速度B. 负载转矩对于负载及摩擦产生的功率为对于电机的旋转运动，其功率为其中 为负载及摩擦产生的制动力，大约是15N，V为线速度，T为力矩。和的功率关系为式中为效率系数(齿轮、皮带传动：近似0.95)。根据上式换算得电机轴上负载转矩为C. 电机最大转矩其中，是负载的近似转动惯量，是电机的转动惯量，与电机转子的尺寸和质量有关。BLDCMTM90-04型号A0421极数P4P / 8P功率W400额定力矩N-m1.91Kg-cm19.4启动力矩N-m3.82Kg-cm38.8电压V24电流A21.5转速RPM2000绝缘等级-B重量Kg3环境-20 40 / 20 80% RH2.2.5电机选型表2.2.5 电机参数表经过上面的计算可知，电机的选择要满足额定转速与最大转矩的要求，此外，额定力矩也要满足一定条件。根据经验，缝纫机电机的额定力矩一般为：夏装、薄布料 左右，冬装、厚布料、鞋类要求 左右。根据这些限制条件，可以进行电机的选型。我们查找了几家公司的不同种类的无刷直流电机，分别计算转动惯量，然后带入最大转矩公式进行验证，最后选取的型号是韩国WOOJIN SERVO公司的TM90-04系列的A0421直流无刷电机，电机如图所示，右表是该电机的参数表。图2.2.5-1 TM90电机图2.2.5-2 电机局部零件图下面是我们对该电机性能指标验证的过程。A 最大转矩（启动转矩）验证右图是电机的零件图。近似认为转子的半径为电机定子半径的一半，结合零件图上的尺寸标注，可以求得电机转子的质量为进而由圆柱体的转动惯量公式可得电机近似转动惯量为代入最大转矩公式可得B 额定转矩验证电机的额定转矩关系到电机能否在该力矩下连续运行，而不超过温度限制。图2.2.5-3 电机连续运行右图是电机连续运行时的转速曲线与转矩曲线，在这里，我们以作为机针上下运动一次的时间，在每个 内，前25ms是机针在布料上方，中间50ms是机针在布料中运动，后25ms是指针重新回到布料上方。在这一过程中，转速与力矩均会发生如图所示的波动，但是如果是近似计算的话，这一波动影响很小，可以把时间内的运动看作恒转矩运动，转矩大小为这是因为，仅仅在机针刚接触布料是转矩会有大的变化，之后机针已经把布料穿透，转矩和 相差不大，因此可以这样近似计算。首先计算启动力矩，根据之前的计算可得然后是制动力矩，制动阶段的加速度则设缝纫机的平均每6s 停车一次，即单次工作200针，然后歇停，则图2.2.5-4 电机零件图参照表2.2.5，TM90A0421电机的起动转矩是3.82，满足200ms内快速启动的需求；额定转速为2000 rpm ，满足之前计算所得的3000 sti/min 的缝纫速度需求。同时，此电机的额定转矩为1.91，除了鞋类、皮革和厚料，普通的中厚布料都可以缝纫。综合来看，此电机符合性能指标需求。下图是此电机的零件图。2.3驱动方案2.3.1 桥式逆变电路图2.3.1-1 NTD32N06型号MOSFET首先，直流无刷电机要有配套的逆变电路来实现基本的换相功能，本电机是三相电机，采用星形接法，而且是二相导通六状态工作，因此逆变电路共有三路桥。在逆变电路中，我们采用NTD32N06型号的MOSFET功率管，它是专门为低压、高速切换的工作场合设计，常用于电机控制和桥式电路设计。NTD32N06的的基本参数如又图所示。其漏极允许加最大电压为60V，允许的最大电流是32A，可以驱动我们选择的电机。 图2.3.1-2 MOSFET桥式逆变电路为了使BLDC 电机速度可变，必须在绕组的两端加可变电压。利用PWM控制技术，通过控制PWM 信号的不同占空比，则绕组上平均电压可以被控制，从而控制电机转速。在控制系统中采用DSP或单片机时，可利用器件中的PWM产生模块产生PWM波形。然后根据转速要求设定占空比，输出6路PWM信号，加到6个功率管上。2.3.2 驱动芯片Vishay公司生产的三相无刷直流电动机控制器SI9979，是无刷直流电动机的专用控制芯片，其内部集成的MOSFET驱动电路使其可以容易地驱动N沟道的三相桥式电路，同时它采用了7mmSQFP封装，可以简化驱动电路并减小电路尺寸，降低成本。SI9979为无刷电动机控制提供诸如控制信号输入、产生换向逻辑、门驱动输出和保护电路等一些功能。下图是此芯片的电路模块图。图2.3.2-1 SI9979芯片电路模块图下面对此芯片进行简要介绍。首先，供电电压V+的范围是20V40V，逻辑电压VDD=16V，内部参考电压VREF=4.2V，如下是对图中比较重要的引脚进行的说明：Pins 1-3：INA, INB, INC换相传感器输入Pin 4: 60/120传感器60分布与120分布片选Pin 6: F/R (Forward/Reverse)电机转向片选Pin 7: QS (Quadrature Select)选择低端MOSFET响应PWM信号或低端和高端一起响应PWM信号Pin 8: PWMPWM信号输入端口Pin 9: BRK刹车片选端口Pin 11: FAULT错误指示端口Pin 17: RT/CT过流关断定时RC端口Pin 19: IS+过流检测端口Pin 25: GBCC相低端MOSFET的栅极驱动（16V/0.1v）Pin 26: GTCC相高端MOSFET的栅极驱动（16V/0.1V）Pin 25: SCC相高端MOSFET的负电源Pin 25: CAPCC相高端MOSFET的正电源（55V）从上面的电压输出可以看出，此芯片和我们之前选择的NTD32N06型号MOSFET可以搭配使用，下图是SI9979与逆变电路的实际连接图。图2.3.2-2 SI9979与逆变电路连接图MOSFET电路的低端可以被Si9979的低端输出信号（GB*）直接驱动，该信号在Si9979的内部通过上拉电阻上拉到VDD（16V）。MOSFET的高端不能被Si9979的输出直接驱动，Si9979的高端输出信号通过其内部的浮动电路（自举电路）驱动MOSFET的高端。一旦MOSFET低端导通，浮动电路的电容开始充电并在低端导通时保持到VDD，当MOSFET低端截止时，该端输出可以驱动MOSFET高端。2.3.3 驱动框架在控制系统中，DSP通过对传感器返回的位置、速度、力矩信号进行处理，产生相应的PWM、方向和刹车控制信号，然后传递给Si9979驱动板，实现对无刷直流电动机的驱动。此外，Si9979电动机换向逻辑是根据三个霍尔元件返回的位置信号确定的，从而实现无刷电动机的无接触换向。由于Si9979内部逻辑变换需要数字输入，因此电动机输出霍尔位置信号需要在输入Si9979之前转换成TTL兼容的方波信号。由于无刷电动机霍尔位置传感器输出为模拟信号，而Si9979要求输入信号与TTL兼容，即数字信号，因此我们采用了光耦隔离电路，从而使比较电路的输出与Si9979的 TTL输入信号端隔开，保证系统设计的抗干扰能力，同时也满足提升霍尔方波输入信号电压的要求。上述过程的电路结构如下图所示。图2.3.3-1 驱动方案第三章 测量元件由于我们的系统采用的是电流、速度、位置三闭环控制，因此需要测量电机转速、针头位置以及电流大小，所以我们采用了位置传感器和电流传感器。目前在工业控制中常用的位置传感器有旋转变压器、感应同步器、编码器、光栅等。通过比较这几种位置传感器的优缺点，最终选出了一种适合于工业缝纫机伺服系统的传感器。33.1传感器介绍3.1.1旋转变压器旋转变压器是一种输出电压随转子转角以一定规律变化的交流微特电机角度测量元件。其外形结构和电机相似，有定子和转子。从原理上看，是一种可以旋转的变压器，原边、副边在定子和转子上。原、副绕组之间的电磁耦合程度与转子转角有关，因此输出电压也与转角有关。在此主要介绍正余弦旋转变压器，线性和多极旋转变压器不作介绍。A. 结构图 3.1.1-1旋转变压器的结构B. 工作原理空载运行时（输出绕组接大阻抗负载时）定子绕组S1 S3接交流激磁电压，频率f为400Hz或50Hz。产生的脉振磁场，位于S1 S3的轴线上。设绕组R1R3（余弦绕组）轴线与脉振磁场轴线的夹角为，该绕组的磁通的为： 图3.1.1-2 空载运行时的正余弦旋转变压器该绕组感应电势有效值为：绕组R2R4（正弦绕组）:根据变压器原理，输出绕组的感应电势的最大有效值为：负载时：将转子电流磁密分解为直轴分量和交轴分量，副边电流产生的直轴磁密被激磁绕组电流的负载分量抵消；原边电流不能产生交轴磁势，不能抵消转子负载电流磁密的交轴分量，交轴磁密使磁场发生了改变。转子电流产生的磁势为 转子电流为 （1）因此负载电流越大，交轴磁势引起的输出误差也越大。对磁势进行分解，交轴磁势为： （2）图 3.1.1-3转子电流磁密分解图联立（1）（2）：不同，交轴磁势和磁密也不同。当=45时，达到最大值，负载特性与空载特性之间出现最大偏差。交轴分量无法抵消，它不会在定子绕组中感应出电动势，但会在转子绕组中感应出电动势。感应电势为 C. 副边补偿：图 3.1.1-2副边补偿副边两个绕组都接负载，使交轴磁势互相抵消。两个磁势的直轴分量方向相同，交轴分量则方向相反，互相抵消。若能使二者幅值相等，交轴磁势就完全抵消。余弦绕组交轴磁势图 3.1.1-5 副边补偿时的磁势分解正弦绕组交轴磁势交轴磁势完全抵消的条件是，经补偿后的旋变能实现：角度测量，进而进行速度测量。D. 优缺点：优点：除了测角外，还可以用于解算，用途多构造简单，成本较低；对使用环境要求低（噪声、振动、冲击、温度）；无接触测量，可靠性高，寿命长；适合高速，最高可达60000r/min（光电3000r)；有绝对位置信号输出；处理电路相对简单。缺点：精度较低。E. 主要技术参数(1) 额定电压；(2) 额定频率；(3) 变比；(4) 输出相位移；(5) 开路输入阻抗（空载输入阻抗）。F. 误差(1) 函数误差；(2) 零位误差；(3) 线性误差（针对线性旋转变压器）；(4) 电气误差（评价数据传输用旋转变压器性能的主要指标）。3.1.2感应同步器图3.1.2滑尺 定尺感应同步器是一种将角位移和线位移变换为电信号的高精度测量元件。原理上和多级旋转变压器一样，结构上运动部分和静止部分均采用了印制绕组。由于我们需要测量的是直线位移，因此下面主要介绍直线式感应同步器。直线式感应同步器由定尺和滑尺两部分组成，滑尺比定尺短。A. 工作原理感应同步器在工作时，如果在其中一种绕组上通以交流激励电压，由于电磁耦合，在另一种绕组上就产生感应电动势。该电动势随定尺和滑尺（对长感应同步器而言）的相对位置不同呈正弦、余弦函数变化。根据滑尺正、余旋绕组上激磁电压Us、 Uc供电方式的不同可构成不同检测系统鉴相型系统和鉴幅型系统。1) 鉴相式系统：两相激磁式：在感应同步器正弦绕组s、余弦绕组c 上加幅值和频率相同、相位差90的交流激磁电压单相绕组上感应的电势应用叠加原理可知单相绕组总感应电势K电磁耦合系数，与绕组间最大互感系数有关；滑尺绕组相对定尺绕组在空间的电气相位角。单相激磁式：单相绕组加激磁电压，则单相绕组总感应电势2) 鉴幅式系统：根据信号的幅值鉴别电角两相激磁式：给定激磁电压幅值为其中为已知的指令位移角。单相连续绕组的总感应电势为单相激磁式：给定激磁电压单相连续绕组的总感应电势为B. 优点具有较高精度和分辨力：长（250mm）：精度1.5mm，分辨力0.05 mm；抗干扰能力强；使用寿命长，维护简单；（定、滑尺不接触）可以用于长距离位移测量；（可拼接，精度仍保持原单个定尺的精度）；工艺性好，成本较低，便于复制和成批生产。3.1.3编码器encoder编码器俗称码盘，用来测量转角并把它转换成脉冲或数字形式的输出信号。A. 增量式编码器1) 工作原理将位移转换成周期性的电信号，再把这个电信号转变成计数脉冲，用脉冲的个数表示位移的大小。将正、反转脉冲分别送入可逆计数器就能正确计算出脉冲数n，再乘以一个脉冲对应的角度增量，就得到相对初始位置的角度角位移增量n。计算轴的转角要有基准。增量码盘事先规定一个基准零点，称为零位。相对这个零位的转角位置称为绝对位置。增量码盘有3个输出端，分别称为A、B和Z。Z相送出的脉冲就是零位脉冲。2) 优点精度高（可用倍频电路进一步提高精度）；构造简单，成本较低；既适合测角也适合测速；无接触测量，可靠性高，寿命长。3) 缺点开机后先要寻零；在脉冲传输过程中，干扰产生累计误差；需要计数器、速度受到一定限制。B. 绝对式编码器绝对式脉冲编码盘是一种绝对角度位置检测装置，它的位置输出信号是某种制式的数码信号，它表示位移后所达到的绝对位置，要用起点和终点的绝对位置的数码信号，经运算后才能得到位移量的大小。1) 结构三大部分，旋转的码盘、光源和光电敏感元件。光学码道，每个码道上按一定规律分布着透明和不透明区。2) 工作原理光源的光通过光学系统，穿过码盘的透光区被窄缝后面的光敏元件接收，输出为“1” ；若被不透明区遮挡，光敏元件输出 为“0”。各个码道的输出编码组合就表示码盘的转角位置。3) 优点精度高,无接触，寿命长；开机不需要寻零；没有累计误差；不需要计数器、允许转速高。4) 缺点结构复杂，体积大；价格贵3.1.4光栅grating光栅用于检测线位移和角位移，精度很高。分为检测线位移的直线光栅和测量角度的回转光栅（俗称圆光栅）两种。也分为透射光栅和反射光栅两大类，其中透射光栅是用光学玻璃作成的，透光与不透光线条；金属反射光栅是在长条形金属镜面上制成全反射与漫反射间隔相等的密集线纹。A. 结构透射式直线光栅由光源，长光栅，短光栅，光电元件等组成。长光栅安装在活动部件上，短光栅固定长光栅和短光栅的刻线密度相同。刻痕的宽度加上刻痕之间的距离称为光栅常数或栅距，记为a。B. 工作原理把指示光栅平面平行地放在标尺光栅平面上，并使它们的刻线倾斜一个很小的角度，这时在指示光栅上就会出现较宽的明暗相间的条纹，称为“莫尔条纹”。光栅左右移动，莫尔条纹上下移动，光栅移过一个栅距a时，莫尔条纹也移过一个莫尔条纹间距W。 特别小，莫尔条纹间距W较宽，等于将两个光线条纹之间的距离由栅距 a 放大到莫尔条纹间距W，大大地减轻了光学系统和电子线路的负担。C. 优点精度高（可用倍频电路进一步提高精度）；构造简单，成本较低；既适合位移也适合测速。D. 缺点开机后先要寻零；丢失或窜入脉冲时将会产生累计误差；需要计数器、速度受到一定限制；对使用环境要求苛刻，避免震动油污。3.1.5霍尔电流传感器Hall Current Sensor霍尔元件属于磁敏式传感器，是一种半导体器件，利用霍尔效应制成。A. 工作原理图 3.1.5 霍尔电流传感器示意图霍尔电流传感器基于磁平衡式霍尔原理，根据霍尔效应原理，从霍尔元件的控制电流端通入电流，并在霍尔元件平面的法线方向上施加磁场 强度为B的磁场，那么在垂直于 电流和磁场方向(即霍尔输出端之间)，将产生一个电势VH，称其为霍尔电势，其大小正比于控制电流I与磁场强度B的乘积。霍尔系数，由霍尔元件的材料决定B. 优点响应时间快、低温漂、精度高、体积小、频带宽、抗干扰能力强、过载能力强。3.2测量元件选型3.2.1位置测量由于我们采用矩形波驱动，而矩形波驱动时系统对转速和位置测量的精度要求不是特别高，一般选用霍尔元件和码盘来进行测量。考虑到旋转变压器对使用环境要求很低，对噪声、振动、冲击、温度不敏感，相对来说更适用于工业化车间，但是服装厂等使用工业缝纫机的场合中振动等干扰并不强烈，码盘的抗干扰能力可以满足要求。经过搜索和比较我们发现旋转变压器的价格较码盘而言更为昂贵，因此最终决定采用码盘作为速度和位置测量元件。 增量式编码器直接将电机角度和位移的模拟信号转换为数字信号，输出有A，B正交脉冲两路，零脉冲Z一路。一般A、B端口每转输出10005000个脉冲，Z端口每转输出1个脉冲。Z信号用于校正每转编码器产生的脉冲个数，进一步将误差控制在每一转之内，避免了积累误差的产生。若要区别电机转子旋转的方向，就要根据A，B两路脉冲信号的相位来判断正转和反转。增量式编码器的优点是易于实现小型化，响应迅速，结构简单，其缺点是掉电后容易造成数据损失，且有误差累积现象。A. 元件选型图3.2.1.1 MS60编码器由于绝对式和混合式光电码盘制造工艺复杂，不易实现小型化，价格昂贵，因此我们采用增量式光电码盘。具体型号为MS60系列中的MS6008C-120BM-T526。由于要应用于缝纫机，码盘的体积必须很小且能够安装在电机轴上，我们选择的码盘出轴直径为8mm，电机轴的直径为18mm，因此码盘可以安装在电机轴上。码盘输出为A、B、Z三相输出。如果采用四倍频电路，则直接接到74HC175芯片的输入端，如果采用eQEP单片，则需要将A、B、Z三路输出接到EQEPA、EQEPB和EQEPS。码盘的工作电压为526V，输出为高低电平，接线和具体电气特性如图所示。图3.2.1.2 MS60的具体参数图3.2.1.3 MS60的接线图3.2.1.4 MS60的电气特性A.B. 测量精度我们选用的码盘分辨率为120，即电机转一圈发出120个脉冲，正好满足测量指标。考虑到系统的实用性，可以使用四倍频电路来提高精度。具体过程为：当A为低电平时，B的下降沿产生1个加脉冲，上升沿产生1个减脉冲；当A为高电平时，B的上升沿产生1个加脉冲，下降沿产生1个减脉冲；当B为低电平时，A的上升沿产生1个加脉冲，下降沿产生1个减脉冲；当B为高电平时，A的下降沿产生1个加脉冲，下降沿产生1个减脉冲。采用这种方法，原本码盘旋转1周输出120个脉冲，引入四倍频方法后，码盘每旋转1周，则输出480个脉冲，这样光电码盘的分辨率就提高了4倍，提高了测量精度。图3.2.1.5 采用D触发器和4-16译码器的四倍频和鉴相电路具体采用D触发器和4-16译码器来实现鉴向和四倍频功能，电路如图所示。首先A脉冲输入端为初始时刻设为0的频率可调的脉冲信号，这里假设周期为T，B脉冲输入端为初始时刻设为T/4的与A同频率的脉冲信号，这样满足了A脉冲超前B脉冲90，且CLK选用频率大于A脉冲频率8倍的时钟信号；然后通过D触发器和4-16译码器实现对A，B脉冲的判向和四倍频。所以在正转的情况下，每个周期XA都输出4个脉冲，XB没有输出，同理可以推出反转时XA口没有输出，XB口输出了4个减脉冲。这样，此电路就实现了四倍频的功能，而且具备了鉴向功能，该方法能有效解决较多误码问题。C. 采样周期的选择采样周期的选择：采样周期T是指两次速度采样之间的时间间隔，它的长短对系统的控制性能影响较大。如果T过大，则延迟了速度反馈信号，系统实时性变差，难以实现稳定的快速响应。但是电机运行在低速段时，同步角频率较小，系统动态变化较缓慢，适当增大T不会明显影响到系统的实时性。我们选取T=10ms为采样周期。D. 位置检测方法使用增量式编码器实现电机转子位置检测的方法如下：假定在旋转过程中给定时间T(s)内码盘给出脉冲数目为m，则电机转速n(r/min)可表示为式中：N为光电编码盘每转输出的脉冲数，N=480,T=10ms,因此n与m的关系为：假定电机在静止时转子的初始位置角(电角度)是，电机的极对数为p，则从静止开始经过时间T(s)后的电机转子位置(机械角)与电机速度之间的关系为若用电角度表示，则为在第i个采样时间结束后，即第i个采样值为式中：i为自然数；为第i个采样周期的脉冲计数值。只要知道电机转子的初始位置角，则转子任意时刻的位置都可求得。采用增量式光电编码器测转子初始位置:初始定位是在电机空载，转子励磁的情况下，三相定子绕组按下式通入直流电流：式中，为直流给定值，约为电机额定电流的1/3。电动机主回路通电后，电动机将朝初始位置旋转，且在初始位置作减幅振荡，待电机静止后，记录码盘的输出脉冲个数，则转子的初始位置角。经过多次初始定位，即可确定准确的初始位置值。3.2.2速度测量A. 测量方法转速是各类电机中的一个重要物理量，目前国内外常用的测量转速的方法有离心式转速表测速法、微电机测速法、光电码盘测速法以及霍尔元件测速法。离心式转速表和微电机测速都有现成的测速仪表，容易得到。但转速表或测速机都要与电机同轴连接，增加了电机机组安装难度，另一方面有些电机功率很小，转速表或测速机消耗的功率占了电机大部分，所以对有些电机的测速，这两种方法不适用。霍尔元件和光电码盘的测速方法基本类似，都是在转轴上安装一个很轻巧的传感器，将电机的转动信号通过霍尔元件或光电码盘转换为电脉冲，从而通过计算电脉冲的个数来测速。其中光电元件的测量精度相对较高，因此我们还是通过码盘来测速。具体的测速方法有M法、T法和M/T法3种。在这3种方法中，M法在低速时分辨率不高，T法在高速时分辨率低，M/T法与速度几乎无关。从精度角度而言，也是M/T法误差小，精度高。但在低速时为保证结果的准确性，该方法需要较长的检测时间，这样就无法满足转速检测系统的快速动态响应指标。由于我们的电机一般工作在中低速状态，因此采用T法测速。计时法（T法）是以一个高频信号f作为基准，传感器每周产生N个脉冲信号，测量两个相邻码盘脉冲个数m，电机转速为将N=480，T=10ms代入得：当盘脉冲间隔固定时，通过统计时钟脉冲个数，可以得出转子旋转过一个盘脉冲间隔所花的时间，由盘脉冲间隔除以时问即可得转子转速。首尾两个时钟脉冲计数时可能产生误差，误差的大小为正负一个时钟脉冲的间隔。B. 误差分析通过查阅相关资料，我们得到了使用DSP扩展模块中的增强型正交编码脉冲单元（eQEP）作为四倍频和计数单元时的速度误差公式。图3.2.2 EQEP单元测速的精度与位置传感器的精度和固定时间周期T有关。由编码器输出一个固定的位置变化信息，传感器的精度确定了每个脉冲的精度。通过计数器寄存器中的值计算两个脉冲之间的时间，然后得到电机的转速。编码器线数为N，速度估计频率为，则最小位置测量精度为1/4N圈。设位置脉冲分频数为1/，捕获定时器时钟分频数为1/，系统时钟为，寄存器QCPRDLAT中的值为，则电机转速为：它的相对测量误差可表示为从测量误差的表达式中可以看出，随着速度的增大，测量的相对误差增大。3.2.3电流测量将霍尔电流传感器置于电机三相绕组上，输出的电压信号反馈给控制器，可以防止电流过大对系统的损害，比如电机起动时或电机堵转时产生的大电流。测量精度：我们采用的HBC25LSP灵敏度为80mV/A。表3.2.3 霍尔电流传感器的电气特性第四章 控制系统12344.1三闭环PID控制策略12344.1传统的控制策略是以PID控制为代表，由于PID控制具有结构简单、稳定性好、可靠性高等优点，因而在伺服控制系统中被广泛应用。考虑到工业缝纫机是一个非线性、多变量、强耦合系统，要求调速平滑，起动迅速，停针位置定位精确可靠，在设计上需要速度环和位置环控制器；缝纫机需要对电机进行转矩控制以提高系统的动态性能，而转矩控制的关键就是电流控制，所以在设计上需要有电流环控制器。电流环控制器有限流作用，可以防止电流过大对系统的损害，比如电机起动时或电机堵转时。因此本系统采用的是电流、速度、位置三闭环控制策略，系统总体结构如图所示。系统采用DSP作为控制器，检测电机的相电流进行限流保护，通过转速和位置的PID调节从而对系统进行控制。编码器与DSP的连接在测量元件选型中已经介绍过，由霍尔电流传感器测量得到的电压传给DSP中的A/D转换模块，DSP的四路输出分别提供驱动器的使能、方向、PWM和制动信号。4.2制动方式4.2.1工业缝纫机制动方法介绍伺服系统中的制动，通常分为两种情况：一种是减速制动，一种是紧急制动。紧急制动通常采用机械制动，电磁制动器，也叫“抱闸”，制动过程快。在减速或停车过程中，一般采用电气制动。电气制动分为三种：能耗制动、回馈制动、反接制动。A. 能耗制动当电机进行快速制动时，电机处于再生发电状态，会导致主电路电容器两端电压升高，即泵升电压。泵升电压过高会导致功率器件损坏，一般用制动电阻把电能转化为热能消耗掉，称为能耗制动。优点：能耗制动方式对硬件电路产生的冲击小。缺点：需要切断主同路电源然后接通刹车电阻，提高了电路设计的复杂性，也会影响到系统的其他功能，最关键的是对于工业缝纫机来说，能耗制动的快速制动性不够。B. 回馈制动回馈制动是外加电枢电压反向或电枢电势在外部条件作用下反向，引起电磁转矩反向的一种制动方式。优点：在于能够产生双倍的制动力矩，使电机能在较短的时间内停下来。直流无刷电机可通过软件调整功率管开关顺序完成反接制动。经过调试发现反接制动效果很好，高速时系统可在半圈至一圈内停下来。缺点：易产生抖动甚至反转，这在缝纫机控制系统中是绝对不允许出现的。C. 反接制动回馈制动就是使用软件方式变换电机接线方式，使机械能变换成电能回馈到电网。无刷直流电机的回馈制动同样可通过改变功率管开通顺序来实现。软件回馈制动的制动效率介于能耗制动和反接制动之间，但会产生很大的泵升电压。泵升电压越高，反向电流越大，反向电流达到一定值就可能烧坏IPM内部续流二极管，使系统无法运行。4.2.2制动方式选择工业缝纫机启停频繁，控制系统要求停车快速、定位精确，对缝纫工而言，系统的快速性与稳定性往往决定了其劳动效率。电机制动的常规的方法一般有回馈制动、能耗制动和反接制动三种方法，能耗制动在低速时会产生慢慢停住的“爬行”现象，影响停机速度，反接制动在高速时不可避免会产生过流现象，电机抖动明显。如果只使用一种制动方式，伺服系统制动效果不能达到理想的要求。因此本缝纫机伺服控制系统，采用在高速时能耗制动加低速时反接制动的方式，控制过程运行方式如图所示。图4.4.2 控制过程中电机的制动方式缝纫机在高速运行过程中得到停机指令，如图4的A点，系统运行能耗制动，电机的转速迅速下降到B点。当电机速度稳定下来，即开始找停机位置，如图4中C点时，运行反接制动，电机转速迅速下降较低转速，此时电机转速不高，制动时抖动并不明显，使得电机能够在较短的时间内快速停在D点，实现快速停机。第五章 总结5.1系统评价与结论：虽然现在工业缝纫机市场仍有许多采用价格低