基于DSP的M/T測(cè)速法

高 敏，張 爍，朱 明

1.淮南職業(yè)技術(shù)學(xué)院信息與電氣工程系，安徽淮南，232001；2.安徽理工大學(xué)電氣與信息工程學(xué)院，安徽淮南，232001

大部分情況下，要想對(duì)電機(jī)進(jìn)行精確控制，轉(zhuǎn)速和位置是閉環(huán)控制中必不可少的物理量[1]，這就需要把轉(zhuǎn)速和位置高速、準(zhǔn)確地計(jì)算出來(lái)。為此，本設(shè)計(jì)將采用常用的光電編碼器為測(cè)速器件，把采集的信號(hào)送到高性能的TMS320F2812進(jìn)行處理。由于TMS320- F2812集成度高、速度快，外設(shè)資源豐富，完全滿足系統(tǒng)的要求。

1 數(shù)字測(cè)速

1.1 光電編碼器

光電式編碼器是檢測(cè)轉(zhuǎn)速的器件，編碼器與轉(zhuǎn)子相連，轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)便發(fā)出轉(zhuǎn)速或轉(zhuǎn)角的脈沖信號(hào)[2]。光電編碼器分為絕對(duì)式和增量式兩種。前者在碼盤(pán)上分層刻上表示角度的二進(jìn)制數(shù)字，通過(guò)接收器將數(shù)碼送入處理器，這種編碼器一般用于檢測(cè)轉(zhuǎn)角，對(duì)轉(zhuǎn)角進(jìn)行微分處理就能得到轉(zhuǎn)速；后者在碼盤(pán)上刻著均勻的光柵，通過(guò)光柵不斷地通、斷，在輸出端得到頻率正比于轉(zhuǎn)速的脈沖序列。

上述脈沖序列只能反映出轉(zhuǎn)速的高低，不能反映旋轉(zhuǎn)方向。本文采用的編碼器可以輸出兩組相位相差90°的脈沖序列，根據(jù)兩組脈沖序列的超前順序，可知電機(jī)轉(zhuǎn)速的方向。兩組正交的脈沖正好可以送入DSP的QEP單元進(jìn)行處理。采用QEP模塊可以不增加編碼器的光柵數(shù)，而使頻率為原來(lái)的4倍，從而增加轉(zhuǎn)速的分辨率。

1.2 光電編碼器測(cè)速方法

采用光電編碼器的數(shù)字測(cè)速一般有三種：測(cè)周期法(M法)、測(cè)頻率法(T法)和測(cè)周期/頻率法(M/T法)。

1.2.1 M法

在Tc內(nèi)測(cè)出的脈沖個(gè)數(shù)為M1，用來(lái)計(jì)算這段時(shí)間內(nèi)的平均轉(zhuǎn)速。已知電機(jī)旋轉(zhuǎn)1周共產(chǎn)生Z個(gè)脈沖，其中Z=倍頻系數(shù)×光柵數(shù)，則電機(jī)的轉(zhuǎn)速：n=60M1/ZTc。Z和Tc均為常數(shù)，n與M1成正比。M1在高速時(shí)大，誤差小，轉(zhuǎn)速越低，誤差越大，所以只適用于高速測(cè)量。

1.2.2 T法

在相鄰輸出脈沖的時(shí)間間隔內(nèi)，用計(jì)數(shù)器對(duì)已知頻率為f0的高頻脈沖進(jìn)行計(jì)數(shù)來(lái)計(jì)算轉(zhuǎn)速。若測(cè)得高頻脈沖的個(gè)數(shù)為M2，則電機(jī)的轉(zhuǎn)速：n=60f0/ZM2。高速時(shí)，M2小，誤差所占比例大；低速時(shí)，M2小，誤差所占比例小，故轉(zhuǎn)速越高，誤差越大，所以只能用于低速測(cè)量。

1.2.3 M/T法

既要檢測(cè)Tc內(nèi)輸出的脈沖個(gè)數(shù)M1，又要檢測(cè)在此時(shí)間內(nèi)頻率為f0的高頻時(shí)鐘脈沖個(gè)數(shù)M2，則n=60M1f0/ZM2。為了使誤差減小，最好保證光電編碼器脈沖計(jì)數(shù)器和高頻脈沖計(jì)數(shù)器同時(shí)開(kāi)啟和關(guān)閉，只有等到編碼器輸出脈沖前沿到達(dá)時(shí)，兩個(gè)計(jì)數(shù)器才能同時(shí)開(kāi)啟或者停止計(jì)數(shù)。由于M1和M2是由轉(zhuǎn)速?zèng)Q定的，高速時(shí)相當(dāng)于M法，低速時(shí)相當(dāng)于T法。因此，本文采用M/T法，能適用的轉(zhuǎn)速寬度明顯大于前兩種，且精度高。

2 DSP的QEP電路

在TMS320F2812中，有兩個(gè)事件管理器模塊EVA和EVB[3]。每個(gè)事件管理器都有一個(gè)正交編碼脈沖(Quadrature Encoder Pulse,QEP)電路，以EVA為例：CAP1_QEP1、CAP2_QEP2是復(fù)用引腳，既能做捕獲引腳又能做QEP引腳，當(dāng)QEP電路使能時(shí)，其捕獲功能被禁止。此時(shí)通用定時(shí)器2為QEP電路提供時(shí)基，而EVB則由定時(shí)器4提供時(shí)基。但是，定時(shí)器2只能工作在定向增減模式，此時(shí)，原本可以從外部輸入時(shí)鐘的計(jì)數(shù)和方向的引腳TCLKIN和TDIRA被忽略，時(shí)鐘信號(hào)和計(jì)數(shù)方向的信號(hào)均來(lái)自QEP解碼電路。QEP解碼電路可以通過(guò)輸入的正交編碼脈沖產(chǎn)生定時(shí)器計(jì)數(shù)的時(shí)鐘脈沖和計(jì)數(shù)方向。

QEP電路對(duì)兩路正交編碼脈沖的上升沿和下降沿都進(jìn)行計(jì)數(shù)，無(wú)論是檢測(cè)到哪個(gè)引腳的上升沿或下降沿，都會(huì)產(chǎn)生一個(gè)時(shí)鐘脈沖，這個(gè)時(shí)鐘脈沖將提供給定時(shí)器T2進(jìn)行計(jì)數(shù)，因此，QEP電路為定時(shí)器T2所提供的時(shí)鐘頻率是每個(gè)輸入脈沖序列的4倍。

QEP電路的方向檢測(cè)邏輯可以為定時(shí)器T2提供計(jì)數(shù)方向DIR信號(hào)，即可以確定轉(zhuǎn)速方向。當(dāng)CAP1_QEP1輸入的脈沖序列在相位上超前CAP2_QEP2輸入的序列脈沖90°時(shí)，QEP電路輸出的DIR為高電平，定時(shí)器T2進(jìn)行增計(jì)數(shù)，即電機(jī)正轉(zhuǎn)；相反，DIR信號(hào)為低電平，定時(shí)器T2進(jìn)行減計(jì)數(shù)，即電機(jī)反轉(zhuǎn)。

3 基于DSP的M/T法實(shí)現(xiàn)

3.1 硬件設(shè)計(jì)

以往分立式的測(cè)速單元需要包括多種電路[4]，如判別方向電路、整形電路、計(jì)數(shù)器、歸零控制等。這種電路結(jié)構(gòu)復(fù)雜，而且既不精確也沒(méi)有很高的實(shí)時(shí)性。采用光電編碼器與DSP電路，不僅節(jié)省外圍電路的開(kāi)支，還具有很高的可靠性。本文采用增量式的光電編碼器，測(cè)試直流電機(jī)的轉(zhuǎn)速來(lái)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，光電編碼器的測(cè)速脈沖信號(hào)的原理圖如圖1所示。

圖1 光電編碼器電路圖

轉(zhuǎn)子帶動(dòng)光柵盤(pán)，當(dāng)LED光被遮擋時(shí)，傳感器輸出低電平；當(dāng)LED光透過(guò)光柵被傳感器接收時(shí)，傳感器輸出高電平。這樣，輸出的脈沖序列經(jīng)過(guò)SN74HC14N后送至DSP的QEP模塊。這里存在兩個(gè)問(wèn)題：一是傳感器輸出脈沖信號(hào)的電平是5 V，而DSP的輸入電壓最大不能超過(guò)3.3 V；二是脈沖信號(hào)向后進(jìn)行傳輸時(shí)往往會(huì)發(fā)生畸變。為解決這兩個(gè)問(wèn)題，電路中接入了施密特芯片，其作用是使脈沖電平控制在3.3 V以下，并對(duì)脈沖進(jìn)行整形，從而得到理想的脈沖波形。

本設(shè)計(jì)的顯示電路采用的是四位共陰極數(shù)碼管，驅(qū)動(dòng)電路采用的是MAX7219CNG芯片，優(yōu)點(diǎn)是只占用DSP的3個(gè)I/O口，采用通用口模擬串口的方法進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸，而且不需要DSP動(dòng)態(tài)掃描，為DSP節(jié)省負(fù)擔(dān)。MAX7219CNG驅(qū)動(dòng)數(shù)碼管電路如圖2所示。

圖2 數(shù)碼管驅(qū)動(dòng)電路

由于本設(shè)計(jì)采用的是M/T測(cè)速法，DSP內(nèi)部EV模塊定時(shí)器分工如下：QEP使能后，定時(shí)器T2對(duì)光電編碼器輸出的脈沖進(jìn)行計(jì)數(shù)，定時(shí)器T3作為頻率為f0的高頻信號(hào)，由于M1和M2是隨著轉(zhuǎn)速的變化而變化的，所以用定時(shí)器T1周期中斷來(lái)同時(shí)開(kāi)啟或關(guān)閉高頻脈沖計(jì)數(shù)和編碼器脈沖計(jì)數(shù)，在周期中斷中設(shè)置標(biāo)志位來(lái)確定開(kāi)啟還是關(guān)閉。

3.2 軟件設(shè)計(jì)

為了充分利用DSP2812片內(nèi)外設(shè)的資源，盡可能減少外圍電路，不僅要對(duì)硬件進(jìn)行初始化，還要對(duì)電路實(shí)時(shí)控制[5]。軟件流程圖如圖3所示。

光柵一共有1 024個(gè)格子，電機(jī)旋轉(zhuǎn)1周，則會(huì)產(chǎn)生4 096個(gè)脈沖?，F(xiàn)在假設(shè)轉(zhuǎn)子正在轉(zhuǎn)動(dòng)，此時(shí)定時(shí)器T2應(yīng)該是增計(jì)數(shù)。給T2CNT初始化為0，T2PR初始化為0×FFFF。當(dāng)T2計(jì)數(shù)到0×0FFF的時(shí)候，電機(jī)剛好轉(zhuǎn)完1周。

圖3 軟件設(shè)計(jì)流程圖

通過(guò)定時(shí)器T1中斷，每隔一定的時(shí)間讀取T2CNT和T3CNT的值，就能得到電機(jī)的轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)過(guò)的角度。第一次進(jìn)入周期中斷時(shí)，同時(shí)開(kāi)啟高頻脈沖計(jì)數(shù)和編碼器脈沖計(jì)數(shù)。假如在kt和(k+1)t時(shí)刻，T2CNT和T3CNT的值分別為T(mén)2[kt]、T2[(k+1)t]和T3[kt]、T3[(k+1)t]。已知定時(shí)器T3的頻率為f0，當(dāng)T2計(jì)數(shù)無(wú)翻轉(zhuǎn)時(shí)，電機(jī)的轉(zhuǎn)速為：

轉(zhuǎn)過(guò)的角度為：

當(dāng)T2計(jì)數(shù)翻轉(zhuǎn)時(shí)，電機(jī)的轉(zhuǎn)速為：

轉(zhuǎn)過(guò)的角度為：

如果kt時(shí)刻的角度為θ[kt]，則：

θ[(k+1)t]=θ[kt]+Δθ

為了快速得到比較精確的數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)處理時(shí)調(diào)用了TI公司的IQMATH庫(kù)，并用移位和乘法替代了除法。

4 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

在直流電機(jī)上進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)，為了判斷是否具有實(shí)時(shí)性和準(zhǔn)確性，通過(guò)PI閉環(huán)反饋改變PWM的占空比來(lái)調(diào)節(jié)直流電機(jī)的轉(zhuǎn)速，結(jié)果顯示：轉(zhuǎn)速能快速跟蹤給定值，并且沒(méi)有很大波動(dòng)，間接證明了該方法的正確性。某一時(shí)刻光電編碼器輸出的脈沖如圖4所示。

圖4 光電編碼器輸出脈沖波形

5 結(jié)束語(yǔ)

速度測(cè)量是工業(yè)控制系統(tǒng)中最基本的需求之一，本文設(shè)計(jì)的基于DSP的M/T測(cè)速方法，具有高精度、高分辨率，抗干擾能力強(qiáng)，有掉電記憶功能等優(yōu)點(diǎn)。將該方法在直流電機(jī)上進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)結(jié)果證實(shí)了該方法的正確性。

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