基于DSP+FPGA的船用推進電機轉速檢測方法

厲 孟，蔡宗舉，阮 俊

基于DSP+FPGA的船用推進電機轉速檢測方法

厲 孟1，蔡宗舉2，阮 俊3

（1. 海軍駐北京作戰(zhàn)系統(tǒng)軍事代表室，北京 100094；2. 中國船舶工業(yè)系統(tǒng)工程研究院，北京 100094；3. 江蘇大全凱帆電器股份有限公司，南京212211）

采用M/T法轉速測量原理，提出了一種基于DSP+FPGA的轉速測量方法。FPGA檢測光電編碼器輸出脈沖，根據(jù)正交編碼特性判斷旋轉方向，同時對信號四倍頻處理，提高了轉速檢測精度。FPGA在設定的控制周期內(nèi)完成轉速檢測，產(chǎn)生DSP數(shù)據(jù)讀取中斷，DSP通過地址線和數(shù)據(jù)線讀取FPGA存儲的轉速信息并進行轉速計算。仿真和試驗驗證了 FPGA轉速檢測程序的準確性。該檢測程序測速精度高，低速檢測性能好，適用于低速大功率的船用電力推進轉速檢測，并可直接作為轉速檢測模塊應用于控制系統(tǒng)。

FPGA DSP 推進電機 轉速檢測

0 引言

交流電機的控制技術主要有兩類：一類是基于穩(wěn)態(tài)數(shù)學模型的標量控制技術；另一類是基于動態(tài)數(shù)學模型的矢量控制技術。標量控制動態(tài)性能較差，對轉速檢測也沒有特別的要求。矢量控制采用反饋控制原理，控制性能優(yōu)越，其反饋轉速檢測是影響矢量控制系統(tǒng)性能一個非常重要的環(huán)節(jié)。而轉速檢測的精確度和實時性不僅取決于光電編碼器的可靠性和精度，更取決于編碼器信號的處理方法［1-3］。

對于一般的控制場合，選用高精度的轉速傳感器即可實現(xiàn)高精度控制。但對于船用推進電機而言，其轉速低，轉軸振動大，采用高精度的轉速傳感器雖然能實現(xiàn)高分辨率的轉速測量，但其對于轉軸的振動過于敏感，容易產(chǎn)生干擾，從而影響控制性能。因此，如何在不提高傳感器精度的情況下，通過軟件實現(xiàn)高精度的轉速測量，同時保證轉速檢測的實時性是船用推進電機轉速檢測的一個難點問題［4］。

本文采用1024脈沖的轉速傳感器，通過軟件達到了高于1 rpm的轉速分辨率。

1 轉速檢測原理

速度檢測以轉速檢測編碼器輸出的兩路正交編碼脈沖信號A、B為依據(jù)，計算轉向和轉速。目前常用的脈沖測速算法主要有3種：測頻法（M法），該方法適用于較高轉速[5]；測周期法（T法），該方法適用于較低轉速；同時檢測頻率和周期（M-T法）,該方法結合了M法、T法各自的特點，同時測量檢測時間和在此時間內(nèi)脈沖發(fā)生器發(fā)出的脈沖個數(shù)[6-8]。以上方法具體原理如下：

1）M法轉速測量

其基本原理是，在一定的測量時間ΔT內(nèi)，若光電編碼器輸出的脈沖信號數(shù)為M1,則電機轉速可表示為：

其中，N為電機旋轉一周輸出的脈沖個數(shù)。當測量時間固定時，通過統(tǒng)計光電編碼器輸出脈沖數(shù)，就可以得到這段時間內(nèi)電機轉子轉過的角度，再除以時間就是轉子轉速。

2）T法轉速測量

其基本原理是，測量兩個相鄰脈沖之間的間隔時間，而兩個相鄰脈沖的角度已知，從而可以計算出實際轉速。采用該方法測量時間時，以頻率為f0的時鐘為基準，在編碼器輸出脈沖的上升沿開始計數(shù)，在下一個上升沿停止計數(shù)，令計數(shù)值為M2，則電機轉速可表示為：

其中N為電機旋轉一周輸出的脈沖個數(shù)。M2/f0可以理解為電機轉一個脈沖需要的時間，則NM2/f0為電機轉一圈需要的時間，轉速n的單位為r/min。

3）M/T法轉速測量

M/T法測轉速是以上兩種方法的綜合，其基本原理是通過以頻率為f0的時鐘為基準，產(chǎn)生檢測時間長度ΔT的測量周期，令該周期的時鐘計數(shù)值為M2，同時在該檢測時間內(nèi)對編碼器輸出脈沖進行計數(shù)，令周期內(nèi)編碼器計數(shù)值為M1，則轉速可表示為：

其中N為電機旋轉一周輸出的脈沖個數(shù)。M1/N可以理解為測量周期內(nèi)旋轉的圈數(shù)，M2/f0則為測量周期時間，兩者之商經(jīng)過單位換算即為轉速。

以上3種方法是目前應用比較廣泛的轉速測量法，M法在低速時分辨率較低，T法在高速時分辨率不高，M/T法在高低速均具有較好的分辨率，誤差小、精度高，但為保證結果的準確性，在低速時需要較長的檢測時間，無法滿足轉速檢測系統(tǒng)的動態(tài)指標，因此本文在M/T法的基礎上做了較小的改動，低速運行時，若超過一定檢測時間還沒有檢測到編碼器脈沖，即認為當前周期脈沖檢測結束，這樣雖然帶來了一定誤差，卻能保證轉速檢測系統(tǒng)的動態(tài)性能。

2 轉速檢測的程序實現(xiàn)

本設計采用的轉速編碼器對象分辨率為1024P/r，即該轉速編碼器旋轉一周將產(chǎn)生兩路1024個脈沖的A、B信號，兩路信號互相正交。負責轉速檢測的FPGA采用ALTERA公司的2C70, DSP采 用 TI公 司 的 TMS320F28335。TMS320F28335是TI公司最新推出的浮點控制芯片，具有150 MHz的高速處理能力，具備32位浮點處理單元，DSP從FPGA讀取轉速信息用于電機閉環(huán)控制。

2.1 編碼信號的倍頻處理

編碼信號輸出為兩路互相正交的信號如圖 1編碼信號頻率處理仿真圖仿真圖中信號qep_a、qep_b。倍頻信號產(chǎn)生原理為：分別提取qep_a的上升沿和下降沿，在上升沿和下降沿分別產(chǎn)生一個時鐘周期的脈沖，提取qep_b的上升沿和下降沿，也在上升沿和下降沿分別產(chǎn)生一個時鐘周期的脈沖，將兩路脈沖信號進行或運算，得到圖中的a信號。

圖中信號a為所產(chǎn)生的倍頻信號，該信號的上升沿均在qep_a、qep_b的跳變沿產(chǎn)生，高電平持續(xù)時間為一個時鐘周期，信號頻率為編碼信號的4倍，實現(xiàn)了編碼器脈沖的4倍頻處理。

2.2 轉向判斷

圖 1 編碼信號頻率處理仿真圖

表 1 轉向邏輯判斷

編碼器信號進行倍頻處理后，必須在qep_a、qep_b的每個跳變沿進行轉速判斷才能達到轉速檢測的實時性要求，判斷邏輯如表 2所示，根據(jù)表中所述邏輯關系，分別在qep_a、qep_b的每個跳變沿進行轉速判斷，程序仿真結果如圖2所示。

圖中 qep_a在前半部分滯后 qep_b，在后半部分超前 qep_b，由仿真可以看出，轉速檢測程序能較好的完成轉向判斷。

2.3 轉速檢測

根據(jù)引言部分論述，若采用傳統(tǒng)的M/T法測量轉速，電機在低速運行時，可能出現(xiàn)超過一定檢測時間還沒有檢測到編碼器脈沖的情況，本程序采用檢測窗口來控制檢測時間，超過窗口還沒有檢測到編碼器脈沖即認為當前周期脈沖檢測結束，這樣雖然帶來了一定誤差，卻能保證轉速檢測系統(tǒng)的動態(tài)性能，轉速檢測程序流程如圖3。

根據(jù)圖3流程圖規(guī)定的時序，分別進行轉速編碼器脈沖計數(shù)和時鐘計數(shù)，計數(shù)值分別為 M1和M2，M2計數(shù)器的開啟條件為：速度檢測窗口處于打開狀態(tài)，同時編碼器脈沖的上升沿到來。當速度檢測窗口關閉后，將計數(shù)值M1（包含了轉向信息）和M2存入存儲器，供DSP讀取，這里需要嚴格保證 DSP讀數(shù)的時序，必須保證每次DSP讀取FPGA內(nèi)存儲轉速信息時，F(xiàn)PGA都已經(jīng)完成轉速檢測。

根據(jù)以上程序流程和要求，編寫了轉速檢測程序，并進行了仿真，仿真結果如圖4所示。

圖 2 轉向判斷仿真圖

圖 3 轉速檢測程序流程

圖 4 轉速檢測仿真圖

仿真圖中第三個信號為轉速窗口控制信號，該信號為低時打開轉速檢測窗口，可以看到，采樣窗口打開后，在qep_b的下降沿開啟了M2計數(shù)，計數(shù)值為 m2_counter,在轉速檢測窗口關閉后，M1、M2即停止計數(shù)，能較好的實現(xiàn)計數(shù)功能。采樣窗口控制信號由專門的模塊根據(jù)控制系統(tǒng)的時序實現(xiàn)精確控制，有效的保證了DSP讀數(shù)的準確性。

2.4 DSP轉速計算方法

根據(jù)M/T法測量原理，轉速表達式為：

其中N為電機旋轉一周輸出的脈沖個數(shù)，這里采用4倍頻的1024脈沖，即N=4096。M1，M2為DSP 從FPGA讀取的脈沖計數(shù)值和時鐘計數(shù)值，f0為計數(shù)時鐘頻率，這里為100 M，設采樣窗口為K個中斷周期，每個中斷周期的時間為1 ms，則當轉速為1 r/min時，采樣窗口內(nèi)采樣到的編碼器脈沖個數(shù)表示為：

根據(jù)以上計算式，若K取1，則M1不到1，容易產(chǎn)生較大誤差，而對于船用推進電機，其轉動慣量往往較大，轉速變化率較低，因此K可以取較大的值從而保證轉速檢測的精確度，若K取100，則M1約等于6.83，能較好的保證精確度。

3 試驗驗證

為驗證轉速 DSP+FPGA轉速檢測的準確性和動態(tài)性能，將其應用在感應電機的轉子磁場定向控制中，分別進行了空載啟動試驗和突加負載試驗，并對轉速進行了測量。實驗用電動機實物如圖5所示，該電動機額定轉速600 r/min。

圖 5 試驗用電動機實物

圖6 空載啟動轉速波形圖

圖7 突加負載轉速波形圖

圖6為電機空載啟動時轉速的波形，圖中包括給定轉速和反饋轉速，從圖中已經(jīng)很難分辨出轉速的參考和反饋了，說明電機在空載啟動過程中，實際轉速能夠很好的跟蹤給定轉速，控制效果較好。

圖7為突加負載試驗轉速波形圖，在突加負載瞬間轉速會出現(xiàn)一定波動。突加負載后，測量的反饋轉速開始跌落，最低跌落到給定轉速的93.12%后，反饋轉速開始上升，直至穩(wěn)定，突加負載轉速調(diào)節(jié)過程持續(xù)約為1.5 s，轉速測量動態(tài)性能較好，能達到控制要求。

4 結束語

本文以DSP+FPGA為控制平臺核心，基于傳統(tǒng)M/T轉速檢測方法，開發(fā)了帶速度采樣窗口的轉速檢測程序，能根據(jù)正交編碼特性判斷旋轉方向，同時對信號做四倍頻處理，提高了轉速檢測精度。通過仿真驗證了程序的正確性，通過試驗驗證了所開發(fā)程序模塊的動靜態(tài)性能。該方法準確有效，適用于低速大功率的船用電力推進轉速檢測，并可直接作為轉速檢測模塊應用于控制系統(tǒng)，通用性強。

[1] 朱安石, 路平. CPLD在無人機發(fā)動機轉速檢測中的應用[J]. 信息技術, 2011, (1): 144-143．

[2] Zhang Yi, Li Huifang．Study on the detection of velocity direction for belt-broken[J]. Icece, 2010.528, 2147-2149．

[3] 蔣浩. 電機轉速檢測方法與誤差分析[J]. 中國測試技術, 2003, 3（2）: 59-60．

[4] 顧惠昱. 轉速檢測技術分析與探討[J]. 計量與測試技術, 2013, 40（6）: 38-40．

[5] 秦蕾. 直流電動機轉速檢測與控制[J]. 上海電力, 2012, 5: 251-253．

[6] 汪濤. 一種基于DSP的伺服電動機轉速檢測方法[J],微電機, 39（3）: 86-88．

[7] 張冬冬, 羅文廣. 基于 F P GA的異步電動機控制系統(tǒng)檢測電路[J]. 儀表技術與傳感器, 2011, 7: 83-86．

[8] 錢偉康, 張成爽. 基于 FPGA的光電編碼器信號處理方法[J]. 測控技術, 2010, 29(12): 44-47.

A Velocity Detection Approach to Ship Propulsion Motor Based on DSP+FPGA

Li Meng1, Cai Zongju2, Ruan Jun3

（1. Naval Representatives Office of Combat System in Beijing, Beijing 100094, China; 2. China Shipbuilding Industry System Engineering Reseach Institute, Beijing 100094, China; 3. Jiangsu Daquan Kfine Electric Co., Ltd, Zhenjiang 212211, China）

This paper puts forward a kind of speed measurement method based on DSP+FPGA by the method of M/T speed measuring. FPGA is responsible for detecting the photoelectric encoder output pulse, to judge the direction of rotation according to the signal characteristic, at the same time, the signal frequency is increased by four times, to improve the speed of detection accuracy. In the control period, FPGA was used to detect the speed, and generate DSP data read interrupt when DSP read FPGA memory speed information by the address and data buses, then calculates the speed. The accuracy of the method has been validated by the simulation and experiments. The detection procedure has advantages of high precision, low detection performance, strong universality. It can be directly used as speed detecting module in the control system, Especially be suitable for low speed detection in ship propulsion.

FPGA; DSP; propulsion motor; velocity detection

TM383.4

A< class="emphasis_bold">文章編號：1

1003-4862（2017）02-0063-04

2016-10-24

厲孟（1985-），男，工程師，主要從事船舶電力推進相關設備生產(chǎn)研制。E-mail:ai__sheng@163.com