【正文】 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）設計（論文） 2）附件：按照任務書、開題報告、外文譯文、譯文原文（復印件）次序裝訂 3）其它 。 ：任務書、開題報告、外文譯文、譯文原文（復印件）。 涉密論文按學校規(guī)定處理。 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。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。 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。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。 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計說明說明書 38 畢業(yè)設計（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。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。因此，我們設計的縫紉機系統(tǒng)是有研究意義和市場價值的。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。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。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。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。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)。 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。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。 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：能耗制動方式對硬件電路產(chǎn)生的沖擊小。 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。在減速或停車過程中，一般采用電氣制動。 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 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。 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。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。 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 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。 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。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。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。 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。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。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。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)。 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。但轉(zhuǎn)速表或測速機都要與電機同軸連接，增加了電機機組安裝難度，另一方面有些電機功率很小，轉(zhuǎn)速表或測速機消耗的功率占了電機大部分，所以對有些電機的測速，這兩種方法不適用。 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。 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，待電機靜止后，記錄碼盤的輸出脈沖個數(shù) ，則轉(zhuǎn)子的初始位置角 。 只要知道電機轉(zhuǎn)子的初始位置角 ，則轉(zhuǎn)子任意時刻的位置都可求得。 我們選取 T=10ms為采樣周期。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。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。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 416譯碼器實現(xiàn)對 A， B脈沖的判向和四倍頻。 圖 采用 D觸發(fā)器和 416譯碼器的四倍頻和鑒相電路 具體采用 D觸發(fā)器和 416譯碼器來實現(xiàn)鑒向和四倍頻功能，電路如圖所示。 具體過程為：當 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 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 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 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。 圖 MS60的具體參數(shù) 圖 MS60的接線 圖 MS60的電氣特性 B. 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， ，正好滿足測量指標。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。 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。 A. 元件選型 圖 MS60編碼器 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 28 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。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)。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。經(jīng)過搜索和比較我們發(fā)現(xiàn)旋轉(zhuǎn)變壓器的價格較碼盤而言更為昂貴，因此最終決定采用碼盤作為速度和位置測量元件。 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. 工作原理 霍爾電流傳感器基于磁平衡式霍爾原理，根據(jù)霍爾效應原理，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 27 為 B 的磁場，那么在垂直于 電流和磁場方向 (即霍爾輸出端之間 )，將產(chǎn)生一個電勢 VH，稱其為霍爾電勢，其大小正比于控制電流 I 與磁場強度 B 的乘積。 D. 缺點 開機后先要尋零；丟失或竄入脈沖時將會產(chǎn)生累計誤差；需要計數(shù)器、速度受到一定限制；對使用環(huán)境要求苛刻，避免震動油污。θ 特別小，莫爾條紋間距 W較寬，等于將兩個光線條紋之間的距離由柵距 a 放大到莫爾條紋間距 W，大大地減輕了光學系統(tǒng)和電子線路的負擔。 B. 工作原理 把指示光柵平面平行地放在標尺光柵平面上，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 ”。長光柵安裝在活動部件上，短光柵固定長光柵和短光柵的刻線密度相同。也分為透射光柵和反射光柵兩大類，其中透射光柵是用光學玻哈爾濱工業(yè)大學 自動控制元件及線路課程設計說明說明書 26 圖 霍爾電流傳感器示意圖 璃作成的，透光與不透光線條；金屬反射光柵是在長條形金屬鏡面上制成全反射與漫反射間隔相等的密集線紋。 4) 缺點 結(jié)構(gòu)復雜，體積大；價格貴 光柵 grating 光柵用于檢測線位移和 角位移，精度很高。各個碼道的輸出編碼組合就表示碼盤的轉(zhuǎn)角位置。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)。 B. 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，它的位置輸出信號是某種制式的數(shù)碼信號，它表示位移后所達到的絕對位置，要用起 點和終點的絕對位置的數(shù)碼信號，經(jīng)運算后才能得到位移量的大小。 2) 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。 增量碼盤有 3 個輸出端，分別稱為 A、 B 和 Z。增量碼盤事先規(guī)定一個基準零點，稱為零位。將正、反轉(zhuǎn)脈沖分別送入可逆計數(shù)器就能正確計算出脈沖數(shù) n，再乘以一個脈沖對應的角度增量Δ，就得到相對初始位置的角度 — 角位移增量 nΔ。 編碼器 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。 單相連續(xù)繞組的總感應電勢為 單相激磁式：給定激磁電壓 單相連續(xù)繞組的總感應電勢為 B. 優(yōu)點 具有較高精度和分辨力：長（ 250mm