计算转矩步进电机在电脑刺绣机中的应用
窗体顶端关键词查询窗体底端 步进电机在电脑刺绣机中的应用王欣,陈子辰,赵文荣,尚久浩恒,边耐(1.浙江大学生产工程研究所,浙江杭州310027;2.西北轻工学院,陕西西安712081)摘要:介绍了电脑刺绣机系统中步进电机的一般选用方法及注意事项,探讨了步进电机的速度控制问题,给出了按指数规律升降速的软件设计流程。关键词:步进电机;速度控制;电脑刺绣机系统中图分类号:TM383.6文献标识码:A文章编号:1001-4551(2000)05-0050-03Application of Stepping Motor in Electronic Embroidery MachineWANG Heng-kui1, BIAN Nai-xin1, CHEN Zi-chen1, ZHAO Wen-rong2, SHANG Jui-hao2Abstract: This paper mainly introduces the general method and matters needing attention and the speed control of step motor in exectronic embroidery machine system and presents the methods of designing the software on rasing and rducing speed which follows the index law.Key words: stepping motor: speed control; electronic embroidery machine system1 引 言电 脑 刺 绣 机 是 根 据 数 字 信 息 高 质 量 、 高 速 度 进 行 刺 绣 的 服 装 设 备 , 其 工 作 原 理 实 际 上 是 控 制 系 统 顺 序 读 取 花 样 编 码 文 件 针 位 点 信 息 , 经 由 I/O 口 输 出 , 控 制 3 个 坐 标 的 运 动 , 使 之 保 持 严 格 的 同 步 关 系 , 形 成 所 要 刺 绣 的 图 案 。 由 于 其 精 度 要 求 不 太 高 , 一 般 均 采 用 开 环 系 统 , 而 步 进 电 机 常 用 于 开 环 ,并 具 有 结 构 简 单 、 可 靠 性 高 、 成 本 低 、 维 护 方 便 等 特 点 , 故 在 小 型 电 脑 刺 绣 机 系 统 中 一 般 采 用 步 进 电 机 作 为 驱 动 部 件 。它 主 要 完 成 两 项 任 务 : 一 是 传 递 转 矩 , 克 服 绣 框 与 导 轨 间 的 摩 擦 力 和 绣 框 的 惯 性 力 等 负 载 力 矩 ; 二 是 传 递 信 息 , 即 根 据 指 令 信 息 准 确 定 位 。2 步 进 电 机 的 选 择 在 刺 绣 机 的 进 给 机 构 里 , 步 进 电 机 是 作 为 驱 动 系 统 的 执 行 元 件 使 用 , 在 此 系 统 中 步 进 电 机 的 精 度 直 接 影 响 绣 品 的 质 量 , 而 步 进 电 机 执 行 的 脉 冲 指 令 是 随 机 的 , 要 在 宽 广 的 速 度 范 围 内 迅 速 响 应 , 对 步 进 电 机 的 快 速 响 应 有 较 高 的 要 求 。 同 时 电 动 机 必 须 克 服 一 定 的 阻 力 , 有 足 够 的 转 矩 , 尤 其 是 负 载 惯 量 直 接 影 响 步 进 电 机 的 启 动 频 率 和 加 速 转 矩 , 因 而 选 择 时 须 予 以 充 分 注 意 。 选 择 步 进 电 机 一 般 要 考 虑 其 机 械 特 性 、 加 减 速 时 间 常 数 和 脉 冲 当 量 等 。2.1 步 进 电 机 的 运 动 方 程选 择 步 进 电 机 的 基 本 计 算 式 是 以 步 进 电 机 的 运 动 方 程为 基 础 的 , ( 在 不 考 虑 动 粘 性 摩 擦 且 作 直 线 加 减 速 的 情 况 下)步 进 电 机 的 运 动 方 程 为 3:2.2 计算目标速度fD目 标 速 度 是 指 电 机 完 成 加 速 运 动 , 恒 速 运 动 时 的 速 度 。由 于 刺 绣 机 在 刺 绣 过 程 中 绣 框 电 机 转 速 是 随 针 距 的 不 同 而 时 刻 变 化 的 , 目 标 速 度 也 随 之 变 化 , 选 电 机 时 , 仅 计 算 绣 框 最 高 转 速 即 可 。2.3求 运 行 转 矩 T2T = Te + Ta (2)式中 e负载转矩 a加速转矩2.3.1 求 取 负 载 转 矩 Te此 处 的 负 载 转 矩 是 电 动 机 起 动 时 需 克 服 的 摩 擦 转 矩 , 计 算 较 简 单 。2.3.2 求 取 加 速 转 矩 Ta(1)求 取 机 械 传 动 部 分 惯 量 J加 速 度 转 矩 与 惯 量 有 关 ,负 载 惯 量 计 算 方 法 如 下 :J = 1/8 × G ×(D2)式 中 G 负 载 重 量,N Dd 负 载 的 内 、外 径,cm(2)求 取 加 速 时 间 to1当 针 距 为 9mm,绣 框 转 速 为 214r/min 时,可 计 算 出 绣 框 电 机 运 行 时 间 为 105ms,初 选 加 速 时 间 为 15ms。根 据 以 上 公 式 及 方 法 求 得 惯 量 和 加 速 时 间 后 , 即 可 由 公 式 (4)求 出 加 速 转 矩:Ta = (J/57.3) × ×(fD/to) (4)由 以 上 各 公 式 可 计 算 出 对 应 于 不 同 目 标 速 度 的 负 载 转矩 、 加 速 转 矩 、 运 行 转 矩 及 加 减 速 时 间 , 据 此 可 初 步 选 择 步 进 电 机 。2.4 类 型 及 步 距 角 选 择反 应 式 ( VR) 步 进 电 机 在 相 绕 组 不 通 电 时 没 有 定 位 转 矩 ; 而 永 磁 式 ( PM )步 进 电 机 在 相 绕 组 不 通 电 时 则 有 较 小 的 定 位 转 矩 。 电 脑 刺 绣 机 中 , 系 统 电 源 断 开 允 许 绣 框 处 于 自 由 位 置 , 可 采 用 反 应 式 步 进 电 机 。步 距 角 大 小 会 直 接 影 响 步 进 电 机 的 启 动 和 运 行 频 率 , 使 用 时 可 根 据 需 要 的 脉 冲 当 量 和 选 择 的 传 动 比 选 择 步 进 电 机 的 步 距 角 。 由 于 步 进 电 机 在 刺 绣 过 程 中 对 刺 绣 进 度 要 求 不 太 精 密 , 其 脉 冲 当 量 一 般 为 0.1mm , 电 机 初 选 为 三 相 反 应 式 步 进 电 机 , 工 作 方 式 为 六 拍 , 步 距 角=1.5°。2.5 最 大 静 转 矩 的 选 择 (jmax)选 择 步 进 电 机 时 , 最 主 要 的 任 务 之 一 是 要 详 细 规 定 电 动 机 的 标 称 转 矩 值 。 一 般 最 大 静 转 矩 较 大 的 电 机 , 可 以 带 动 较 大 的 负 载 转 矩 。 负 载 转 矩 和 最 大 静 转 矩 的 比 值 通 常 选 为 0.30.5。即t(0.30.5)Tjmax2.6 矩 频 特 性电 动 机 的 性 能 在 很 大 程 度 上 不 仅 仅 取 决 于 矩 角 特 性 的形 状 , 而 且 取 决 于 矩 频 特 性 。 由 计 算 出 的 目 标 速 度 和 运 行 转 矩 , 可 作 出 速 度 转 矩 曲 线 , 将 该 曲 线 与 所 选 步 进 电 机 的 矩 频 特 性 曲 线 比 较 , 如 计 算 曲 线 在 产 品 特 性 之 下 , 则 选 用 该 步 进 电 机 满 足 要 求 。2.7 启 动 频 率 fsl 的 计 算 由 公 式 2:Jl 负 载 惯 量 ,kg·cm2 Jr 电 机 转 子 惯 量 ,kg·cm2 Tv 步 进 电 机 输 出 转 矩 ,N·m,可 根 据 空 载 启 动 频率 在 运 行 矩 频 特 性 中 查 出 2.8 核 算根 据 以 上 原 则 对 电 机 初 选 后 , 需 根 据 电 机 指 标 和 参 数 进行 核 算 、 优 化 。 其 中 计 算 运 行 需 要 的 转 矩 时 , 应 增 加 电 机 转 子惯 量 , 并 重 新 计 算 加 速 时 间 。 加 速 时 间 可 根 据 公 式 ()确 定。因 而 在 步 进 电 机 控 制 中 存 在 两 种 变 速 运 动 , 一 是 不 同 针 距 大 小 对 应 不 同 转 速 : 二 是 同 一 针 距 内 存 在 转 速 的 升 降 。3.1 稳 定 目 标 转 速 的 确 定在 刺 绣 机 系 统 中 作 为 执 行 元 件 的 绣 框 电 机 通 过 钢 丝 绳传 动 来 控 制 绣 框 的 移 动 , 同 时 主 轴 电 机 带 动 机 针 作 上 下 运 动 。 事 实 上 , 我 们 所 关 心 的 问 题 实 质 是 绣 框 的 运 动 特 性 , 下 面 仅 以 绣 框 电 机 控 制 为 例 。 实 际 控 制 中 可 首 先 根 据 针 距 变 化 将 主 轴 电 机 的 转 速 分 档 , 转 速 随 针 距 的 增 加 而 降 低 , 再 由 主 轴 与 绣 框 的 协 调 关 系 确 定 出 响 应 的 绣 框 电 机 转 速 , 据 此 生 成 针 距 目 标 速 度 表 。 设 绣 框 电 机 目 标 转 速 为 fD(Hz),绣 框 电 机 转 速 为 w(r/min),则 w 同 脉 冲 当 量 p以 及 发 一 个 脉 冲 用 的 T 状 态( 时 钟 周 期 )个 数BT 的 关 系 如 下 : w = (60 × 106 ×t×p )/BT(r/min) (8)式 中 t 系 统 时 钟 频 率绣 框 目 标 转 速 fD 的 计 算 公 式 如 下 : fD = 6 × w/ß = 106×t/BT (Hz) ()3.2 升 、 降 速 算 法由 于 系 统 中 步 进 电 机 用 在 开 环 控 制 , 其 转 速 完 全 取 决 于 输 入 脉 冲 频 率 , 而 输 入 脉 冲 链 不 依 步 进 电 机 位 置 而 调 节 , 很 难 实 现 最 佳 加 速 , 但 是 实 践 证 明 , 采 用 不 同 的 升 降 速 算 法 可 获 得 的 不 同 的 加 减 速 时 间 。 由 于 运 行 矩 频 特 性 是 描 述 每 一 频 率 下 的 最 大 输 出 转 矩 , 因 此 如 果 把 矩 频 特 性 作 为 加 速 范 围 可 以 达 到 的 最 大 输 出 转 矩 来 拟 定 加 速 脉 冲 的 规 律 , 就 接 近 于 最 大 转 矩 控 制 的 最 佳 加 减 速 控 制 规 律 , 如 假 定 矩 频 特 性 是 递 减 的 , 可 以 得 到 指 数 型 加 减 速 脉 冲 分 布 , 并 接 近 最 佳 规 律 。 由 于 大 多 步 进 电 机 矩 频 特 性 都 是 近 似 递 减 的 , 故 选 用 指 数 型 加 减速 规 律 较 佳 , 其 缺 点 是 计 算 较 复 杂 , 难 以 实 时 控 制 , 程 序 中 采 用 计 算 与 查 表 相 结 合 的 方 法 。3.2.1 速 算 法根 据 所 选 步 进 电 机 可 确 定 绣 框 电 机 的 启 动 频 率 fs , 由 针 距 可 算 出 最 高 目 标 频 率 fmax(Hz), 为 算 法 简 便 可 使 步 进 电 机 从 fsl 以 某 一 恒 定 间 隔 fs上 升 至 fmax 并 将 升 速 阶 段 均 匀 分 成 H 段。可 算 出 延 时 系 数 K , 据 此 生 成 升 速 时 针 距 一 延 时 系 数表 , 编 制 程 序 时 , 首 先 控 制 系 统 读 取 一 针 数 据 , 从 针 距 一 延 时 系 数 表 中 取 出 所 对 应 的 延 时 系 数 K,延 时 到 送 出 脉 冲 , 针 距 减 一 ; 再 判 断 、 计 算 一 直 循 环 到 剩 余 的 脉 冲 数 不 小 于 降 速 脉 冲 数 或 当 前 针 距 不 小 于 其 针 距 的 一 半 时 为 止 。3.3.2 降 速 算 法若 假 定 步 进 电 机 启 动 转 矩 为 对 应 于 最 高 运 行 频 率 的 输出 转 矩 相 等 , 升 降 速 公 式 可 由 式 (12)给 出 :由 式 (14) 易 知 , 降 速 过 程 中 任 一 点 的 稳 定 目 标 速 度 与 升速 表 中 相 应 点 的 速 度 之 差 , 即 升 降 速 过 程 所 送 脉 冲 数 不 同 ,降 速 过 程 相 对 快 一 些 , 至 于 每 一 档 速 度 时 所 应 设 定 的 延 时 系 数 , 计 算 方 法 同 升 速 过 程 相 似 , 由 此 生 成 降 速 针 距 一 延 时 系 数 表 。3.3 升 降 速 软 件 设 计升 降 速 软 件 采 用 C 语 言 编 程 , 主 轴 电 机 与 绣 框 电 机 均 用软 件 延 时 定 时 ,下 面 以 绣 框 电 机 升 降 速 控 制 为 例 加 以 说 明 ,如 图 1 示 ,设 Pmax 为 每 档 转 速 所 要 送 出 的 总 脉 冲 数 ; P 为 每 档 转 速 所 要 送 出 的 脉 冲 计 数 变 量 ;N1 、N2 分 别 为 升 降 速 阶 段 延 时 脉 冲 数 ; flag 升 降 速 控 制 标 志 ,为 1 时 升 速 ,为 0 时 减 速。对 于 小 针 距 变 速 处 理 , 由 于 距 离 较 短 , 可 能 未 达 到 目 标 转 速 而 提 前 降 速 , 故 应 在 软 件 设 计 中 作 特 殊 处 理 , 在 升 速 过 程 中 ,只 要 始 终 判 断 已 发 脉 冲 P 与 总 脉 冲 Pmax 的 一 半 的 大 小 即 可 , 如 果 大 于 , 停 止 升 速 , 开 始 降 速 , 改 以 当 前 速 度 为 目 标 速 度 开 始 降 速 。要插入图片标记6 参 考 文 献1 王 恒 奎.单 头 六 针 电 脑 刺 绣 机 控 制 系 统 的 研 制 与 开 发 D.西 安 : 西 北 轻 工 业 学 院 , 1997.2 李 忠 杰.步 进 电 机 应 用 技 术 M.机 械 工 业 出 版 社.3 崔 淑 梅.微 特 电 机 选 用 J微 电 机,1996,(1).4 王 彦 增.步 进 电 机 速 度 控 制 的 设 计 方 法 J.机 械 与 电子 ,1994,(2).5谢 明 鸿 " 步 进 电 动 机 的 升 降 速 控 制 J. 微 电 机 ,1996,(4). 以下是对步进电机在电脑刺绣机中的应用的回复窗体顶端 有人回复后给您发信文章内容:用户名: 密码: 窗体底端