工业缝纫机系统设计毕业设计论文.doc

哈尔滨工业大学 自动控制元件及线路课程设计说明说明书

Harbin Institute of Technology
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
院 系： 航天学院控制科学与工程系
班 级： 1204201
设 计 者：
学 号：
指导教师：
设计时间： 2015年春季学期

哈尔滨工业大学
目录
第1章 绪言 4
1.1工业缝纫机的现状与发展 4
1.1.1工业缝纫机的市场前景 4
1.1.2工业缝纫机驱动电机的发展 4
1.2工业缝纫机的机械组成 6
1.3需求分析与性能指标 7
第二章 电机选型与驱动方案 8
2.1电机方案对比 8
2.1.1 直流有刷电机方案 8
2.1.2 交流异步电机 8
2.1.3 小功率同步电机 8
2.1.4步进电机 9
2.1.5永磁交流电机 9
2.2电机具体型号与传动机构选择 10
2.2.1刺线机构的结构分析与运动分析 10
2.2.2传动机构的选取 10
2.2.3电机的期望转速计算 11
2.2.4电机的输出力矩计算 11
2.2.5电机选型 12
2.3驱动方案 15
2.3.1 桥式逆变电路 15
2.3.2 驱动芯片 16
2.3.3 驱动框架 18
第三章 测量元件 19
3.1传感器介绍 19
3.1.1旋转变压器 19
3.1.2感应同步器 21
3.1.3编码器encoder 23
3.1.4光栅grating 24
3.1.5霍尔电流传感器Hall Current Sensor 25
3.2测量元件选型 25
3.2.1位置测量 25
3.2.2速度测量 29
3.2.3电流测量 30
第四章 控制系统 32
4.1三闭环PID控制策略 32
4.2制动方式 33
4.2.1工业缝纫机制动方法介绍 33
4.2.2制动方式选择 33
第五章 总结 35
5.1系统评价与结论： 35
5.2参考资料： 35

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60～70 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
1
2
2.1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300—600rpm，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2000rpm—3000rpm，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i=1.1。
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
Vz=31×2000×260×1000=2.07m/s
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
ω1R12=Vz
其中ω1是主轴的角速度，R1是主轴半径，这里取R1=2cm，因此可算出
ω1=206.7rad/s
C． 电机转速计算
根据减速比的定义
i=ω2ω1
可得
ω2=i×ω1=1.1×206.7=227.3rad/s
其中，ω2是电机的转速，经单位换算后，n≈1985 rpm。
2.2.4电机的最大转矩计算
A. 启动加速度a1
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
a1=ω2t1=227.30.2=1136.8 rad/s2
B. 负载转矩Tl
对于负载及摩擦产生的功率为
P1=fV
对于电机的旋转运动，其功率为
P2=Tω
其中 f 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。P1和P2的功率关系为
fV=δTω
式中δ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
Tl=fVδω=fωRδω=fRδ≈0.31 N∙m
C. 电机最大转矩 Tmax
Tmax =Tliδ+ Jm + Jl δi2ia1
其中 Jl =0.0027 kg∙m2 ，是负载的近似转动惯量， Jm 是电机的转动惯量，与电机转子的尺寸和质量有关。
BLDCM
TM90-04
型号
A0421
极数
P
4P / 8P
功率
W
400
额定力矩
N-m
1.91
Kg-cm
19.4
启动力矩
N-m
3.82
Kg-cm
38.8
电压
V
24
电流
A
21.5
转速
RPM
2000
绝缘等级
-
B
重量
Kg
3
环境
-
-20℃~ 40℃ / 20 ~ 80% RH
2.2.5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 n 与最大转矩 Tmax 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 1 N∙m 左右，冬装、厚布料、鞋类要求3N∙m 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
m=ρv≈1.09 kg
进而由圆柱体的转动惯量公式可得电机近似转动惯量为
Jm =12mR2=2.41×10-4 kg∙m2
代入最大转矩公式可得
Tmax =3.59 N∙m
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t0=100ms 作为机针上下运动一次的时间，在每个 t0 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t0时间内的运动看作恒转矩运动，转矩大小为
T2=Tl≈0.31 N∙m
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 Tl 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
T1= Tmax =3.59N∙m

然后是制动力矩，制动阶段的加速度
a2=ω2t3=227.30.1=2273 rad/s2
则
T3= Jm + Jl δi2ia2-Tliδ=6.1 N∙m
设缝纫机的平均每6s 停车一次，即单次工作200针，然后歇停t4=1s，则
Trms=T12t1+T22t2+T32t3t1+t2+t3+t4=0.94 N∙m

图2.2.5-4 电机零件图
参照表2.2.5，TM90—A0421电机的起动转矩是3.82 N∙m，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 N∙m，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20V~40V，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: PWM PWM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: GBC C相低端MOSFET的栅极驱动（16V/0.1v）
Pin 26: GTC C相高端MOSFET的栅极驱动（16V/0.1V）
Pin 25: SC C相高端MOSFET的负电源
Pin 25: CAPC C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。
3
3.1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。
uf=u×sin(2πft)
产生的脉振磁场Φm，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θ，该绕组的磁通的ΦR13为：
ΦR13=Φmcosθ 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：
ER13=ERcosθ
绕组R2R4（正弦绕组）:
ΦR24=ΦRsinθ ER24=ERsinθ
根据变压器原理，输出绕组的感应电势的最大有效值为：
ER=4.44fWRΦf=kuf
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FR13=IRWR
转子电流为：
IR=ER13ZL+Z13=ERcosθZL+Z13 （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：
FR13q=FR13sinθ=IRWRsinθ （2）
图 3.1.1-3转子电流磁密分解图
联立（1）（2）：
FR13q=ERcosθZL+Z13WRsinθ=ERWRsin2θ2(ZL+Z13)
θ不同，交轴磁势和磁密也不同。当θ=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
ER13qL=KeΦ13qsinθ=KeΦ13sin2θ
Ke=4.44fWR
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
FR13q=ERWRsin2θ2(ZL+Z13)
图 3.1.1-5 副边补偿时的磁势分解
正弦绕组交轴磁势
FR24q=ERWRsin2θ2(ZL'+Z24)
交轴磁势完全抵消的条件是ZL'=ZL，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us=Umsinωt,uc=Umsin(ωt-π2)
单相绕组上感应的电势e2s=kUmsinθecosωt,e2c=kUmcosθesinωt
应用叠加原理可知单相绕组总感应电势e2=e2s+e2c=kUmsin(ωt+θe)
K—电磁耦合系数，与绕组间最大互感系数有关；
θe—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u=-Umcosωt，则单相绕组总感应电势
e2=e2s+e2c=kUmsin(ωt+θe)
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us=Umcosθ1sinωt,uc=-Umsinθ1sinωt
其中θ1为已知的指令位移角。
单相连续绕组的总感应电势为e2=kUmsin(θe-θ1)cosωt
单相激磁式：给定激磁电压u=Umsinωt
单相连续绕组的总感应电势为e2=kUmsin(θe-θ1)cosωt
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Δ，就得到相对初始位置的角度—角位移增量nΔ。
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θ，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。θ 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。
W=asinθ=aθ
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Ic，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。
VH=KHICBsinθ
KH—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1000～5000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5~26V，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，∆θ=3°，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