【導讀】哈爾濱工業(yè)大學自動控制元件及線路課程設(shè)計說明說明書

　　

【正文】 ，將電機的轉(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 將 N=480， T=10ms代入得： 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。 B. 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哈爾濱工業(yè)大學 自動控制元件及線路課程設(shè)計說明說明書 32 元（ eQEP）作為四倍頻和計數(shù)單元時的速度誤差公式。 圖 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，然后得到電機的轉(zhuǎn)速。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。設(shè)位置脈沖分頻數(shù)為 1/ ，捕獲定時器時鐘分頻數(shù)為 1/ ，系統(tǒng)時鐘為 ，寄存器 QCPRDLAT中的值為 ，則電機轉(zhuǎn)速為： 它的相對測量誤差可表示為 從測量誤差的表達式中可以看出，隨著速度的增大，測量的相對誤差增大。 電流測量 將霍爾電流傳感器置于電機三相繞組上，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，比如電機起動時或電機堵轉(zhuǎn)時產(chǎn)生的大電流。 測量精度：我們采用的 HBC25LSP 靈敏度為 80mV/A。 哈爾濱工業(yè)大學 自動控制元件及線路課程設(shè)計說明說明書 33 表 霍爾電流傳感器的電氣特性 哈爾濱工業(yè)大學 自動控制元件及線路課程設(shè)計說明說明書 34 第四章 控制系統(tǒng) 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)簡單、穩(wěn)定性好、可靠性高等優(yōu)點，因而在伺服控制系統(tǒng)中被廣泛應用。 考慮到工業(yè)縫紉機是一個非線性、多變量、強耦合系統(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；縫紉機需要對電機進行轉(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，比如電機起動時或電機堵轉(zhuǎn)時。因此本系統(tǒng)采用的是電流、速度、位置三閉環(huán)控制策略，系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)如圖所示。 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。 編碼器與 DSP 的連接在測量元件選型中已經(jīng)介紹過，由霍爾電流傳感器測量得到的電壓傳給 DSP 中的 A/D 轉(zhuǎn)換模塊， DSP 的四路輸出分別提供驅(qū)動器的使能、方向、 PWM 和制動信號。 哈爾濱工業(yè)大學 自動控制元件及線路課程設(shè)計說明說明書 35 制動方式 工業(yè)縫紉機制動方法介紹 伺服系統(tǒng)中的制動，通常分為兩種情況：一種是減速制動，一種是緊急制動。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。在減速或停車過程中，一般采用電氣制動。電氣制動分為三種：能耗制動、回饋制動、反接制動。 A. 能耗制動 當電機進行快速制動時，電機處于再生發(fā)電狀態(tài)，會導致主電路電容器兩端電壓升高，即泵升電壓。泵升電壓過高會導致功率器件損壞，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。 優(yōu)點：能耗制動方式對硬件電路產(chǎn)生的沖擊小。 缺點：需要切斷主同路電源然后接通剎車電阻，提高了電路設(shè)計的復雜性 ，也會影響到系統(tǒng)的其他功能，最關(guān)鍵的是對于工業(yè)縫紉機來說，能耗制動的快速制動性不夠。 B. 回饋制動 回饋制動是外加電樞電壓反向或電樞電勢在外部條件作用下反向，引起電磁轉(zhuǎn)矩反向的一種制動方式。 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。直流無刷電機可通過軟件調(diào)整功率管開關(guān)順序完成反接制動。經(jīng)過調(diào)試發(fā)現(xiàn)反接制動效果很好，高速時系統(tǒng)可在半圈至一圈內(nèi)停下來。 缺點：易產(chǎn)生抖動甚至反轉(zhuǎn)，這在縫紉機控制系統(tǒng)中是絕對不允許出現(xiàn)的。 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)。無刷直流電機的回饋制動同樣可通過改變功率管開通順序來實現(xiàn)。 軟件回饋制動的制動效率介于能耗制動和反接制動之間，但會產(chǎn)生很大的泵升電壓。泵升電壓越高，反向電流越大，反向電流達到一定值就可能燒壞 IPM 內(nèi)部續(xù)流二極管，使系統(tǒng)無法運行。 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。電機制動的常規(guī)的方法一般有回饋制動、能耗制動和反哈爾濱工業(yè)大學 自動控制元件及線路課程設(shè)計說明說明書 36 接制動三種方法，能耗制動在低速時會產(chǎn)生慢慢停住的“爬行”現(xiàn)象，影響停機速度，反接制動在高速時 不可避免會產(chǎn)生過流現(xiàn)象，電機抖動明顯。如果只使用一種制動方式，伺服系統(tǒng)制動效果不能達到理想的要求。因此本縫紉機伺服控制系統(tǒng)，采用在高速時能耗制動加低速時反接制動的方式，控制過程運行方式如圖所示。 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。當電機速度穩(wěn)定下來，即開始找停機位置，如圖 4 中 C 點時，運行反接制動，電機轉(zhuǎn)速迅速下降較低轉(zhuǎn)速，此時電機轉(zhuǎn)速不高，制動時抖動并不明顯，使得電機能夠在較短的時間內(nèi)快速停在 D 點，實現(xiàn)快速停機。 哈爾濱工業(yè)大學 自動控制元件及線路課程設(shè)計說明說明書 37 第五章 總結(jié) 系統(tǒng)評價與結(jié)論： 雖然現(xiàn)在工業(yè)縫紉機市場仍有許多采用價格低廉離合器電機，但是，無刷直流電機的普及已成為趨勢， 8— 10 個月從電費上收回成本是目前業(yè)界普遍認同的。因此，我們設(shè)計的縫紉機系統(tǒng)是有研究意義和市場價值的。 在最初選擇設(shè)計內(nèi)容時之所以選中工業(yè)用縫紉機這一復雜的機械系統(tǒng)，是出于對縫紉機的好奇心開始的。本著改進現(xiàn)有工業(yè)用縫紉機伺服系統(tǒng)的想法，我們查閱了非常多的相關(guān)資料，對當前投入使用的大部分縫紉機都有了一定的了解，包括它的機械結(jié)構(gòu)、工作原理、評價指標等內(nèi)容，其中有一部分與所學課程無關(guān)卻也豐富了我們的知識面，而那與自動控制元件及線路相關(guān)的內(nèi)容更是幫助我們加深了對所學內(nèi)容的理解。通過長時間的搜索和分析，我們雖然目前還不能制作出縫紉機的實物，但是已經(jīng)對整個系統(tǒng)的控制設(shè)計、電機選型、測量元件、驅(qū)動設(shè)計等有了 一定的 了解。 參考資料： [1] 王秀和．永磁電機 [M]．北京：中國電力出版社， 2020． [2] 張深．無刷直流電動機原理及應用 [M]．北京：機械工業(yè)出版社， 2020． [3] 巫付專．控制電機及其應用 [M]．北京：電子工業(yè)出版社， 2020． [4] 唐任遠．現(xiàn)代永磁電機 [M]．北京：機械工業(yè)出版社， 1997． [5] 工業(yè)用縫紉機電腦控制系統(tǒng)高速縫紉機伺服系統(tǒng)通用技術(shù)條件 [S]． [6] 林金朝，游林儒，徐芹文．工業(yè)縫紉機電氣控制系統(tǒng)的研制 [J]．機電工程， 2020，25(11)： 61— 65． [7] 王明亮．基于永磁同步電機的工業(yè)縫紉機控制系統(tǒng) [D]．西安：西北工業(yè)大學， 2020． [8] 周春蛟．全自動工業(yè)縫紉機控制系統(tǒng)的研制 [D]．哈爾濱：哈爾濱工業(yè)大學， 2020． 哈爾濱工業(yè)大學 自動控制元件及線路課程設(shè)計說明說明書 38 畢業(yè)設(shè)計（論文）原創(chuàng)性聲明和使用授權(quán)說明 原創(chuàng)性聲明 本人鄭重承諾：所呈交的畢業(yè)設(shè)計（論文），是我個人在指導教師的指導下進行的研究工作及取得的成果。盡我所知，除文中特別加以標注和致謝的地方外，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)的學位或?qū)W歷而使用過的材料。對本研究提供過幫助和做出過貢獻的個人或集體，均已在文中作了明確的說明并表示了謝意。 作 者 簽 名： 日 期： 指導教師簽名： 日 期： 使用授權(quán)說明 本人完全了解 大學關(guān)于收集、保存、使用畢業(yè)設(shè)計（論文）的規(guī)定，即：按照學校要求提交畢業(yè)設(shè)計（論文）的印刷本和電子版本；學校有權(quán)保存畢業(yè)設(shè)計（論文）的印刷本和電子版，并提供目錄檢索與閱覽服務(wù)；學?？梢圆捎糜坝　⒖s印、數(shù)字化或其它復制手段保存論文；在不以贏利為目的前提下，學校可以公布論文的部分或全部內(nèi)容。 作者簽名： 日 期： 哈爾濱工業(yè)大學 自動控制元件及線路課程設(shè)計說明說明書 39 學位論文原創(chuàng)性聲明 本人鄭重聲明：所呈交的論文是本人在導師的指導下獨立進行研究所取得的研究成果。除了文中特別加以標注引用的內(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。對本文的研究做出重要貢獻的個人和集體，均已在文中以明確方式標明。本人完全意識到本聲明的法律后果由本人承擔。 作者簽名： 日期： 年 月 日 學位論文版權(quán)使用授權(quán)書 本學位論文作者完全了解學校有關(guān)保留、使用學位論文的規(guī)定，同意學校保留并向國家有關(guān)部門或機構(gòu)送交論文的復印件和電子版，允許論文被查閱和借閱。本人授權(quán) 大學可以將本學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、縮印或掃描等復制手段保存和匯編本學位論文。 涉密論文按學校規(guī)定處理。 作者簽名： 日期： 年 月 日 導師簽名： 日期： 年 月 日 哈爾濱工業(yè)大學 自動控制元件及線路課程設(shè)計說明說明書 40 注 意 事 項 （論文）的內(nèi)容包括： 1）封面（按教務(wù)處制定的標準封面格式制作） 2）原創(chuàng)性聲明 3）中文摘要（ 300 字左右）、關(guān)鍵詞 4）外文摘要、關(guān)鍵詞 5）目次頁（附件不統(tǒng)一編入） 6）論文主體部分：引言（或緒論）、正文、結(jié)論 7）參考文獻 8）致謝 9）附錄（對論文支持必要時） ：理工類設(shè)計（論文）正文字數(shù)不少于 1萬字（不包括圖紙、程序清單等），文科類論文正文字數(shù)不少于 萬字。 ：任務(wù)書、開題報告、外文譯文、譯文原文（復印件）。 、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，所有圖紙應符合國家技術(shù)標準規(guī)范。圖表整潔，布局合理，文字注釋必須使用工程字書寫，不準用徒手畫 3）畢業(yè)論文須用 A4 單面打印，論文 50 頁以上的雙面打印 4）圖表應繪制于無格子的頁面上 5）軟件工程類課題應有程序清單，并提供電子文檔 1）設(shè)計（論文） 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