應(yīng)用eQEP及編碼器測量電機位置與速度的方法

張濤，楊振強，王曉旭

（大連理工大學(xué) 電力電子研究所，遼寧 大連 116023）

應(yīng)用eQEP及編碼器測量電機位置與速度的方法

張濤，楊振強，王曉旭

（大連理工大學(xué) 電力電子研究所，遼寧 大連 116023）

現(xiàn)代電氣傳動伺服系統(tǒng)中，對電動機轉(zhuǎn)子位置及轉(zhuǎn)速的檢測必不可少，并在一定程度上決定著整個系統(tǒng)的性能。介紹了一種使用DSP28335的增強型正交編碼脈沖單元（eQEP）與增量式編碼器測量電機轉(zhuǎn)速的方法。提出了一種改進(jìn)的變權(quán)值平均速度算法，對其進(jìn)行了對比誤差分析，并通過仿真與實驗證明了該算法的可行性。應(yīng)用該方法，可以方便地設(shè)計出電機測速方案，在保證測速范圍的前提下合理選擇元件參數(shù)和算法參數(shù)，可精確測得電機轉(zhuǎn)速。

增強型正交編碼脈沖單元；編碼器；變權(quán)值平均

1 引言

現(xiàn)代電動伺服系統(tǒng)發(fā)展突飛猛進(jìn)，尤其是在機械制造行業(yè)中發(fā)揮著不可替代的作用，各種機床運動部分的速度控制、運動軌跡控制、位置控制等，大量采用了電動伺服系統(tǒng)。而電機閉環(huán)系統(tǒng)中，不可避免的需要對電機轉(zhuǎn)子位置（P）及速度（S）進(jìn)行實時測量，并在PS測量結(jié)果的基礎(chǔ)上采用相應(yīng)的算法及控制策略。因此，PS測量環(huán)節(jié)的性能優(yōu)劣在很大程度上決定了整個伺服系統(tǒng)的精度和響應(yīng)速度［1］。光電編碼器高精度、高速度、無非線性誤差，采用差分輸出，抗電磁干擾能力強，易于安裝及使用，在目前電機控制得到了廣泛應(yīng)用。TI公司最新推出的TMS320LF28335微控制器內(nèi)部集成了增強正交編碼脈沖模塊（eQEP），由該模塊與光電編碼器配合使用，構(gòu)成了電機位置高精度、快響應(yīng)測量的完美解決方案。

2 增量式光電編碼器原理

如圖1所示，增量式光電編碼器主要由光源、碼盤、檢測光柵、光電檢測器件和轉(zhuǎn)換電路組成［2］。碼盤是在一定直徑的圓板上等分地開通若干個透光長方形孔。將光電碼盤與電動機同軸連接，電動機旋轉(zhuǎn)帶動光柵盤與電動機同速旋轉(zhuǎn)，經(jīng)發(fā)光二極管及光感器件等電子元件組成的檢測裝置檢測輸出若干脈沖信號，通過累計光電編碼器輸出脈沖的個數(shù)就能反映當(dāng)前電動機的位置增量。同時，為判斷旋轉(zhuǎn)方向，碼盤還可提供相位相差90°的兩路正交脈沖信號。大多數(shù)編碼器當(dāng)電機順時針轉(zhuǎn)動時，A相脈沖超前于B相脈沖90°；當(dāng)電機逆時針轉(zhuǎn)動時，B相脈沖超前于A相脈沖90°。同時還有用作參考零位的Z相標(biāo)志（指示）脈沖信號，碼盤每旋轉(zhuǎn)一周，只發(fā)出一個標(biāo)志信號［3］。標(biāo)志脈沖通常用來指示機械位置或?qū)Ψe累量清零。光電編碼器的優(yōu)點是原理構(gòu)造簡單，機械平均壽命可在幾萬h以上，抗干擾能力強，可靠性高，適合于長距離傳輸［4］。

圖1 編碼器與電機同軸連接Fig.1 Encoders and motor coaxial connected

3 eQEP模塊概述

eQEP包含的功能單元有：可編程量化輸入引腳、正交編碼單元、位置檢測的位置計數(shù)和控制單元、低速測量的正交邊沿捕捉單元、速度／頻率測量的時間基準(zhǔn)單元和看門狗單元等組成。它的輸入信號包括2個正交編碼脈沖（AB）、1個位置索引脈沖（Z）和1個選擇輸入信號（S）。其中選擇信號可以初始化或鎖存位置計數(shù)器等，例如將該信號連接到傳感器或限位開關(guān)，指示電機轉(zhuǎn)到指定位置。

如圖2所示，當(dāng)eQEP單元工作在正交計數(shù)模式時，通過檢測QEPA和QEPB信號的邊沿為位置計數(shù)器提供計數(shù)時鐘QCLK，因此eQEP邏輯產(chǎn)生的時鐘頻率是輸入時鐘頻率的4倍。例如2 500線的編碼器旋轉(zhuǎn)一周時，可產(chǎn)生10 000個計數(shù)脈沖。這樣可以進(jìn)一步提高位置檢測精度，同時也限定了eQEP的信號輸入頻率不能大于DSP高速外設(shè)時鐘的1／4。同時正交編碼單元還會判斷兩路輸入信號的先后順序，并根據(jù)相應(yīng)的狀態(tài)機給出計數(shù)方向QDIR，以決定位置計數(shù)控制單元進(jìn)行增計數(shù)還是減計數(shù)。這樣，與編碼器相連的電機轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動至圓任意位置時都將有一個特定的位置計數(shù)值與之對應(yīng)，通過簡單的比例關(guān)系即可得到電機位置狀態(tài)。仍以2 500線編碼器為例，其定位精度可達(dá)360／10 000＝0.036個機械角度，大多數(shù)情況下均可滿足伺服系統(tǒng)的靜態(tài)剛度要求。TMS320LF28335芯片包含2個可獨立工作的eQEP單元［5］。

圖2 eQEP單元功能框圖Fig.2 eQEP units function diagram

4 轉(zhuǎn)子位置的測量

4.1 圓周內(nèi)轉(zhuǎn)子位置測量

應(yīng)使eQEP模塊工作在位置事件復(fù)位位置計數(shù)模式下，如果正向運動收到QEPI位號時，位置計數(shù)器復(fù)位為0；當(dāng)反向運動時收到QEPI信號時，位置計數(shù)器復(fù)位為QPOSMAX寄存器內(nèi)的值。設(shè)編碼器分辨率線數(shù)為N，現(xiàn)將QPOSMAX設(shè)為4N-1，則轉(zhuǎn)子做360°轉(zhuǎn)動時，QEPSCNT中的計數(shù)值從0～4N-1線性變化，即從位置計數(shù)寄存器中可直接得到與轉(zhuǎn)子位置成比例關(guān)系的位置計數(shù)值QPOSCNT，則可得出轉(zhuǎn)子機械角度為［6］

由于安裝及具體坐標(biāo)系選擇問題，可能要在式（1）的基礎(chǔ)上引入一個偏移量θMb，進(jìn)行平移修正，則式（1）變?yōu)?/p>

由此得到電機轉(zhuǎn)子的機械角度，如果在某些算法中需要使用到電角度，則只需將機械角度乘上電機轉(zhuǎn)子極對數(shù)，并將所得積進(jìn)行判斷加減、平移，使其值的范圍在0到1之間即可。

4.2 多圈位置測量擴展

以上方法得到的機械角度只是在單圈范圍內(nèi)，如果想將其擴展到多圈范圍只需在算法上進(jìn)行如下調(diào)整：將轉(zhuǎn)子機械角度分解為整數(shù)部分與小數(shù)部分。小數(shù)部分由式（2）計算得到；整數(shù)部分，由跨圈判斷累計得到?？缛ε袛嗨惴ǖ乃枷胧窃谵D(zhuǎn)子的位置無法跳變這一基礎(chǔ)上的，假設(shè)電機正轉(zhuǎn)時，上次測得θ為0.98，本次測得θ為0.05，而位置檢測頻率為10kHz，則認(rèn)為電機正轉(zhuǎn)跨過θ＝1點，θMint加1，而非電機反轉(zhuǎn)由0.98減小到0.05，如果按那樣推算電機會運行在（0.98-0.05）×1 000×60＝55 800r／min的速度上，這通常是不可能的。反轉(zhuǎn)跨過θ＝0點時，θMint減1的判斷邏輯與此類似。最后令θM＝θMint＋θMfloat就可得到轉(zhuǎn)子的多圈位置。

5 電機轉(zhuǎn)速的測量

5.1 M／T平滑切換轉(zhuǎn)速測量法

測量方法中最基礎(chǔ)的就是M法和T法，為了滿足在大范圍內(nèi)都能夠精確地測得電機的轉(zhuǎn)速，使用M法和T法相結(jié)合。在高速時使用M法測速，在低速時使用T法測速，在測速誤差相近切換時使用變系數(shù)加權(quán)平均法。以使轉(zhuǎn)速平滑切換，測量誤差無波動，提高系統(tǒng)穩(wěn)定性。

M法。以主定時器中斷為時基，設(shè)測速頻率為Fs，編碼器線數(shù)為N，采樣時QPOSCNT寄存器中的值為QP，則電機轉(zhuǎn)速Sm為

T法。eQEP外設(shè)包含一個集成的邊沿檢測單元，用來測量特定個數(shù)的位置計數(shù)脈沖之間的定時器周期，應(yīng)用它可以很容易地實現(xiàn)測量兩個位置事件之間的時間。設(shè)位置脈沖分頻數(shù)為1／DP，捕獲定時器時鐘分頻數(shù)為1／Dc，系統(tǒng)時鐘為Cs，寄存器QCPRDLAT中的值為Qc，則電機轉(zhuǎn)速St為

平滑切換法。將速度范圍劃分為3個域：低速域、中速域、高速域。在低速域和高速域內(nèi)分別使用T法和M法，在中速域使用變權(quán)值加權(quán)求得。即最終速度的求得由M／T測速的結(jié)果乘以相應(yīng)的系數(shù)后確定，可由下式表示：

式中：a和b為權(quán)值系數(shù)，a＋b＝1。

考慮使算法簡單，令

式中，SH，SL分別為高、低速域門限值，應(yīng)依據(jù)等誤差原則進(jìn)行外延選取，所得a，b權(quán)值單位為“1”。相應(yīng)函數(shù)圖形如圖3所示。

圖3 權(quán)值函數(shù)選取Fig.3 Weights function selection

值得一提的是某些文獻(xiàn)中給出的方法或例程中確定速度方向的方法是看QEPSTS寄存器中QDF位的值。作者認(rèn)為這樣并不可取，因為QDF位所表示的只是檢測時瞬時位置計數(shù)器是處于增計數(shù)還是減計數(shù)，不能反映自上一次測速至此時一段時間內(nèi)電機運行的情況。正確的方法還是應(yīng)通過兩次檢測的位置差的極性來計算電機平均速度的方向。

5.2 誤差分析

下面分別就以上3種測速方法進(jìn)行誤差分析。在高速時，在確定的時間里讀取一次編碼脈沖數(shù)，并與上一次的脈沖數(shù)做差以得到固定時間內(nèi)的位移量，并除以固定時間即得速度，此法為所謂M法。這樣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)。例如：編碼器線數(shù)為N，速度估計頻率為FS，則最小位置測量精度為1／4N圈，相對速度測量誤差為

從式（7）中可以看出，隨著速度的減小相對誤差增大。

在低速時由下式給出了更精確的檢測方法。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。它的相對測量誤差可表示為

從式（8）中可以看出，隨著速度的增大相對誤差增大。

中速時的測量誤差可由式（3）、式（4）、式（5）推出：

5.3 誤差仿真及測速實驗

通過Matlab仿真計算得出相對誤差曲線（見圖4），其中fr為M法測速誤差曲線，pr為T法測速誤差曲線，sp為本文提出測速算法誤差曲線，在整個運行轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)均可實現(xiàn)高精度的轉(zhuǎn)速測量，最大相對誤差不超過0.7%，測量誤差過渡平滑。

圖4 測量轉(zhuǎn)速與相對誤差Fig.4 Measurement speed and relative error

實驗使用大連電機廠生產(chǎn)的3ST030CMF2A型交流伺服電機，額定功率300W，額定轉(zhuǎn)矩1.0N·m，額定電流2.2A，額定轉(zhuǎn)速3 000 r／min。使用DSP28335做轉(zhuǎn)子磁場定向控制，讓電機帶載運行，速度給定為周期2s，最大值為1 350r／min，最小值為1 200r／min的三角波信號。這樣剛好包括了M法、T法及其中間切換狀態(tài)的3個算法過程，圖5為應(yīng)用本文描述的算法測得的電機轉(zhuǎn)速及其傅里葉分析。經(jīng)驗證，電機轉(zhuǎn)動速度準(zhǔn)確，運行平穩(wěn)，速度信號中的諧波主要為給定速度的n次諧波，受負(fù)載情況、電機結(jié)構(gòu)參數(shù)及控制算法影響。

圖5 電機轉(zhuǎn)速波形及其FFTFig.5 The motor speed waveforms and FFT

6 結(jié)論

本文介紹了增量式光電編碼器和eQEP增強型正交編碼單元，并給出了使用兩者配合測量電機轉(zhuǎn)速的方法。提出了一種變權(quán)值平均M／T過渡算法，通過仿真及實驗證明了算法的可行性。采用DSP和單片機等微控制器實現(xiàn)簡單，變量及代碼少而節(jié)約芯片資源。應(yīng)用本算法可精確測得轉(zhuǎn)速，無跳躍，其誤差過渡平滑，因此能夠滿足高精度、高性能及先進(jìn)控制策略的測速要求。

［1］ KungYing-Shieh，Huang Pin-ging.High Performance Position Controller for PMSM Drives Based on TMS320F2812 DSP［C］∥Proceedings of the 2004IEEE International Conference on Control Applications Taipei，Taiwan，2004.

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［3］ 趙仁德，曲華龍.電機的定點DSP控制中轉(zhuǎn)速測量新方法［J］.電氣傳動，2010，40（6）：72-74.

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［6］ 蘇奎峰，呂強，鄧志東，等.TMS320x28xxx原理與開發(fā)［M］.北京：電子工業(yè)出版社，2009.

修改稿日期：2010-11-08

Method of Measuring Motor Position and Speed with eQEP Unit and Encoder

ZHANG Tao，YANG Zhen-qiang，WANG Xiao-xu

（PowerElectronicsInstitute，DalianUniversityofTechnology，Dalian116023，Liaoning，China）

In modern electrical transmission servo system，the test of the rotor position and speed is indispensable，and determines the system performance to a certain extent.Introduced a method to measure motor′s rotate speed with enhanced quadrature encoder pulse（eQEP）module in DSP28335and photoelectric encoder and put forward an improved method of calculating speed.Error analysis，simulation and experiment prove the feasibility of the proposed algorithm.With the method in this paper，we can design a motor speed solution easily.Ensure speed range and choose the proper parameters of components and program，we can get the motor speed accurately.

enhanced quadrature encoder pulse（eQEP）module；encoder；variable weights average

TM306

A

張濤（1986-），男，碩士研究生，Email：zhangtao1612＠163.com

2010-07-22