【正文】 正負一個時鐘脈沖的間隔。 測量精度：我們采用的 HBC25LSP 靈敏度為 80mV/A。緊急制動通常采用機械制動，電磁制動器，也叫“抱閘”，制動過程快。 優(yōu)點：在于能夠產(chǎn)生雙倍的制動力矩，使電機能在較短的時間內(nèi)停下來。 制動方式選擇 工業(yè)縫紉機啟停頻繁，控制系統(tǒng)要求停車快速、定位精確，對縫紉工而言，系統(tǒng)的快速性與穩(wěn)定性往往決定了其勞動效率。 在最初選擇設(shè)計內(nèi)容時之所以選中工業(yè)用縫紉機這一復(fù)雜的機械系統(tǒng)，是出于對縫紉機的好奇心開始的。除了文中特別加以標(biāo)注引用的內(nèi)容外，本論文不包含任何其他個人或集體已經(jīng)發(fā)表或撰寫的成果作品。 、圖表要求： 1）文字通順，語言流暢，書寫字跡工整，打印字體及大小符合要求，無錯別字，不準(zhǔn)請他人代寫 2）工程設(shè)計類題目的圖紙，要求部分用尺規(guī)繪制，部分用計算機繪制，所有圖紙應(yīng)符合國家技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范。本人授權(quán) 大學(xué)可以將本學(xué)位論文的全部或部分內(nèi)容編入有關(guān)數(shù)據(jù)庫進行檢索，可以采用影印、縮印或掃描等復(fù)制手段保存和匯編本學(xué)位論文。盡我所知，除文中特別加以標(biāo)注和致謝的地方外，不包含其他人或組織已經(jīng)發(fā)表或公布過的研究成果，也不包含我為獲得 及其它教育機構(gòu)的學(xué)位或?qū)W歷而使用過的材料。 圖 控制過程中電機的制動方式 縫紉機在高速運行過程中得到停機指令，如圖 4 的 A 點，系統(tǒng)運行能耗制動，電機的轉(zhuǎn)速迅速下降到 B 點。 C. 反接制動 回饋制動就是使用軟件方式變換電機接線方式，使機械能變換成電能回 饋到電網(wǎng)。泵升電壓過高會導(dǎo)致功率器件損壞，一般用制動電阻把電能轉(zhuǎn)化為熱能消耗掉，稱為能耗制動。因此本系統(tǒng)采用的是電流、速度、位置三閉環(huán)控制策略，系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)如圖所示。通過計數(shù)器寄存器中的值計算兩個脈沖之間的時間，然后得到電機的轉(zhuǎn)速。從精度角度而言，也是M/T法誤差小，精度高。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 31 經(jīng)過多次初始定位，即可確定準(zhǔn)確的初始位置值。 C. 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間間隔，它的長短對系統(tǒng)的控制性能影響較大。考慮到系統(tǒng)的實用性，可以使用四倍頻電路來提高精度。 增量式編碼器的優(yōu)點是易于實現(xiàn)小型化，響應(yīng)迅速，結(jié)構(gòu)簡單，其缺點是掉電后容易造成數(shù)據(jù)損失，且有誤差累積現(xiàn)象。 — 霍爾系數(shù)，由霍爾元件的材料決定 B. 優(yōu)點 響應(yīng)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?？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。 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”。相對這個零位的哈爾濱工業(yè)大學(xué) 自動控制元件及線路課程設(shè)計說明說明書 25 轉(zhuǎn)角位置稱為絕對位置。 單相激磁式：單相繞組加激磁電壓，則單相繞組總感應(yīng)電勢 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 其中 為已知的指令位移角。原理上和多級旋轉(zhuǎn)變壓器一樣，結(jié)構(gòu)上運動部分和靜止部分均采用了印制繞組。兩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。 產(chǎn)生的脈振磁場 ，位于 S1 S3 的軸線上。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。 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。 驅(qū)動芯片 Vishay 公司生產(chǎn)的三相無刷直流電動機控制器 SI9979，是無刷直流電動機的專用控制芯片，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。 驅(qū)動方案 橋式逆變電路 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(dǎo)通六狀態(tài)工作，因此逆變電路共有三路橋 。 A． 最大轉(zhuǎn)矩（啟動轉(zhuǎn)矩）驗證 右圖是電機的零件圖。 電機的 最大轉(zhuǎn) 矩計算 A. 啟動加速度 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 B. 負載轉(zhuǎn)矩 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 12 對于負載及摩擦產(chǎn)生的功率為 對于電機的旋轉(zhuǎn)運動，其功率為 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。 圖 縫紉機刺線機構(gòu)的結(jié)構(gòu)與結(jié)構(gòu)簡圖 簡要來講，電機啟動后，經(jīng)過傳動減速裝置與刺線裝置的主軸相連，這樣就能帶動主軸進行轉(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)運動，從而實現(xiàn)電機的旋轉(zhuǎn)運動到機針（ 1 號件）的上下往復(fù)運動。 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，不適合縫紉機頻繁且快速的啟停工作環(huán)境。即便是可以自啟動的磁滯式同步電機，它的弱阻尼導(dǎo)致的易震蕩缺陷也是縫紉機所不能容忍的，再加上它成本高，功率因數(shù)又低，因此它沒有考慮的必要。但是，直流有刷電機的電刷和換向器結(jié)構(gòu)導(dǎo)致電機的應(yīng)用維護性差，安全性、適用性差，這些限制對于工業(yè)縫紉機的性能要求顯然是不利的，因此不能用直流有刷電機。要求縫紉機停位精度控制在皮帶輪對應(yīng)的上下針位177。 工業(yè)縫紉機的結(jié)構(gòu)精巧、緊湊，而且復(fù)雜，多個電機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行設(shè)計與實現(xiàn)，也就是刺線裝置的伺服機構(gòu)。 采用永磁同步電機的交流伺服系統(tǒng)，電機采用銣鐵硼，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 1： 10000，具有定位精度高、節(jié)能效果好、壽命長、免維護、能在惡劣環(huán)境下使用等特點，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)縫紉機上。缺點是整機效率低，特別縫紉機停止期間，電機仍然在工作并耗電，同時，離合器和摩擦片需定期更換，維護工作量較大。 綜上所述，可以看出縫紉機具有廣闊的市場前景?？p紉機性能的穩(wěn)定性、可靠性及振動、噪聲和自動化功能都已達到一個很高的水 平。 目前，就縫紉機產(chǎn)業(yè)而言，世界上年產(chǎn)各種縫紉機約 1800 萬臺，縫紉機銷售額在 60～70 億美元左右，這幾年來幾乎一直維持在這一水平。 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，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 5 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）、渦流式異步電動機、混合步進式電動機和交流伺服電動機。為了滿足定位定針的要求，摩擦片式電子定位定針電動機也有應(yīng)用，特點是起步快，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。 綜上所述，工業(yè)縫紉機電機從離合器電機發(fā)展到交流伺服電動機，順應(yīng)了工業(yè)縫紉機從簡單控制到自動化和機電一體化的發(fā)展過程，不同的電機滿足不同自動化程度的要求。以日本 Brother公司生產(chǎn)的 S7300A工業(yè)縫紉機為例，右側(cè)是此縫紉機的外形圖。 以內(nèi) ， 縫紉機的定位精度要求在上下針位177。 交流異步電機 交流異步電機配合離合器，也就是傳統(tǒng)的也是現(xiàn)在低檔縫紉機普遍采取的電機選擇。至于電磁減速式同步電機，它的每分鐘只有百轉(zhuǎn)左右的轉(zhuǎn)速，遠不能滿足縫紉機要求的千轉(zhuǎn)級轉(zhuǎn)速。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 ，這都會造成縫紉機縫毀布料的悲劇。 傳動機構(gòu)的選取 工業(yè)縫紉機的傳動機構(gòu)一般選擇同步齒輪帶，即由同步輪和同步皮帶組成的傳動裝置。 和 的功率關(guān)系為 式中 為效率系數(shù) (齒輪、皮帶傳動：近似 )。近似認為轉(zhuǎn)子的半徑為電機定子半徑的一半，結(jié)合零件圖上的尺寸標(biāo)注，可以求得電機轉(zhuǎn)子的質(zhì)量為 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 代入最大轉(zhuǎn)矩公式可得 電壓 V 24 電流 A 轉(zhuǎn)速 RPM 2020 絕緣等級 B 重量 Kg 3 環(huán)境 20℃ ~ 40℃ / 20 ~ 80% RH 表 電機參數(shù)表 圖 TM90電機 圖 電機局部零件圖 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 14 B． 額定轉(zhuǎn)矩驗證 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。在逆變電路中，我們采用 NTD32N06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，常用于電機控制和橋式電路設(shè)計。 SI9979 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。一旦MOSFET 低端導(dǎo)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 。通過比較這幾種位置傳感器的優(yōu)缺點，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。 設(shè)繞組 R1R3（余弦繞組）軸線與脈振磁場軸線的夾角為θ，該繞組的磁通的 為： 圖 空載運行時的 正余弦旋轉(zhuǎn)變壓器 該繞組感應(yīng)電勢有效值為： 繞組 R2R4（正弦繞組） : 根據(jù)變壓器原理，輸出繞組的感應(yīng)電勢的最大有效值為： 負載時：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)子負載電流磁密的交軸分量，交軸磁密使磁場發(fā)生了改變。若能使二者幅值相等，交軸磁勢就完全抵消。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。 單相連續(xù)繞組的總感應(yīng)電勢為 單相激磁式：給定激磁電壓 單相連續(xù)繞組的總感應(yīng)電勢為 B. 優(yōu)點 具有較高精度和分辨力：長（ 250mm）：精度177。 增量碼盤有 3 個輸出端，分別稱為 A、 B 和 Z。各個碼道的輸出編碼組合就表示碼盤的轉(zhuǎn)角位置。 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 θ，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 ”。 測量元件選型 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行測量。 A. 元件選型 圖 MS60編碼器 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 28 由于絕對式和混合式光電碼盤制造工藝復(fù)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。如果 T過大，則延遲了速度反饋信號，系統(tǒng)實時性變差，難以實現(xiàn)穩(wěn)定的快速響應(yīng)。 速度測量 A. 測量方法 轉(zhuǎn)速是各類電機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、微電機測速法、光電碼盤測速法以及霍爾元件測速法。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)。編碼器線數(shù)為 N，速度估計頻率為 ，則最小位置測量精度為 1/4N圈。 系統(tǒng)采用 DSP 作為控制器，檢測電機的 相電流進行限流保護，通過轉(zhuǎn)速和位置的 PID調(diào)節(jié)從而對系統(tǒng)進行控制。 優(yōu)點：能耗制動方式對硬件電路產(chǎn)生的沖擊小。無刷直流電機的回饋制動同樣可