基于DSP高精度寬范圍測(cè)速表的設(shè)計(jì)

李 勇，潘松峰

（青島大學(xué) 自動(dòng)化與電氣工程學(xué)院，青島 266071）

0 引言

電機(jī)是各種自動(dòng)化設(shè)備中的主要組成部分，對(duì)電機(jī)轉(zhuǎn)速的精確、快速的測(cè)量是衡量一個(gè)系統(tǒng)好壞的重要指標(biāo)。尤其在工業(yè)生產(chǎn)中，精確的測(cè)量點(diǎn)擊轉(zhuǎn)速可以安全有效的對(duì)機(jī)械設(shè)備進(jìn)行故障預(yù)防，增加系統(tǒng)的安全性，減小設(shè)備的維護(hù)成本。

因此，設(shè)計(jì)一個(gè)高精度，款范圍且可靠性高的電機(jī)轉(zhuǎn)速表，在各種生產(chǎn)設(shè)備中顯得尤為重要。本文利用光電碼盤，結(jié)合DSP芯片設(shè)計(jì)了一款寬范圍高精度的測(cè)速表。

1 測(cè)速表硬件組成

測(cè)速表的硬件組成示意圖如圖1所示。

圖1 測(cè)速表示意圖

其中主要硬件包括兩部分：光電碼盤和DSP芯片。

1.1 光電編碼器

光電編碼器是被廣泛使用于電機(jī)測(cè)量。碼盤旋轉(zhuǎn)時(shí)，一對(duì)光感應(yīng)器件輸出的信號(hào)和另外一對(duì)光感應(yīng)器件輸出的信號(hào)的相位相差90°，這就是通常所說的正交信號(hào)QEPA和QEPB。根據(jù)相位情況可以判定碼盤的旋轉(zhuǎn)方向。在實(shí)際應(yīng)用中，常常定義為QEPA比QEPB相位超前90°到來時(shí)，電機(jī)轉(zhuǎn)向?yàn)轫槙r(shí)針方向。當(dāng)電機(jī)正轉(zhuǎn)時(shí)，光電編碼器輸出的波形如圖2所示。

1.2 DSP芯片

作為C2000系列一款典型的控制芯片，TMS320F28335芯片將常用的轉(zhuǎn)速測(cè)量電路集成于芯片內(nèi)部，組成了增強(qiáng)型正交編碼模塊eQEP。當(dāng)工作在正交計(jì)數(shù)模式下，正交解碼單元可對(duì)正交信號(hào)進(jìn)行4倍頻處理，為位置計(jì)數(shù)器寄存器的計(jì)數(shù)提供時(shí)鐘頻率。例如，一個(gè)2000線的編碼器旋轉(zhuǎn)一周時(shí)，會(huì)輸出8000個(gè)計(jì)數(shù)脈沖。同時(shí)還會(huì)通過判定正交信號(hào)的先后順序來確定電機(jī)的轉(zhuǎn)向。

該模塊內(nèi)的捕獲單元可以根據(jù)系統(tǒng)時(shí)鐘分頻后工作，為變M/T法提供時(shí)間的計(jì)算，分頻可以通過設(shè)置相應(yīng)的寄存器來設(shè)置。

2 變M/T法測(cè)速原理

應(yīng)用光電碼盤測(cè)速時(shí)，常見的方法主要有四種，分別是M法，T法，M/T法和變M/T法。本次設(shè)計(jì)是采用的變M/T法，在此之前，先簡(jiǎn)單介紹一下其他三種原理。

M法又稱之為測(cè)頻法，其原理是先設(shè)定一定的時(shí)間，然后在這段時(shí)間TC內(nèi)，對(duì)光電碼盤輸出的信號(hào)的個(gè)數(shù)進(jìn)行計(jì)數(shù)。在測(cè)量過程中，計(jì)取的脈沖數(shù)M1不一定正好是整數(shù)，M1可能存在±1的誤差。計(jì)取的M1的值越大，所得的誤差越小，因此M法適用于高速轉(zhuǎn)速的測(cè)量。

T法又稱之為測(cè)周法，此測(cè)量原理是在一個(gè)脈沖周期內(nèi)對(duì)高頻脈沖數(shù)進(jìn)行計(jì)數(shù)。為了減小誤差，計(jì)得的高頻脈沖M2應(yīng)盡量大，因此T法測(cè)量適用于低速測(cè)量。

M/T法是將M法和T法兩種方法結(jié)合起來，即在一定的時(shí)間范圍TC內(nèi)，計(jì)取光電碼盤輸出的脈沖數(shù)M1的同時(shí)，也對(duì)高頻脈沖M2進(jìn)行計(jì)數(shù)。TC時(shí)間到來后，再計(jì)取ΔT時(shí)間內(nèi)的高頻脈沖數(shù)m，ΔT是時(shí)間TC結(jié)束后到碼盤信號(hào)下一個(gè)脈沖上升沿的時(shí)間間隔，如圖3所示。則電機(jī)的轉(zhuǎn)速：

M/T能夠適用于較廣的測(cè)量范圍，測(cè)量精度也相對(duì)較高，但這種方法的缺點(diǎn)是，測(cè)量精度取決于ΔT的測(cè)取。測(cè)取的過程較為復(fù)雜，針對(duì)這個(gè)缺點(diǎn)，本文采用了變M/T的測(cè)速方法。

圖3 M/T法測(cè)速原理

變M/T法的原理在電機(jī)轉(zhuǎn)速測(cè)量的過程中，測(cè)量時(shí)間TC并不是一成不變的，而是根據(jù)當(dāng)前的電機(jī)轉(zhuǎn)速的大小來調(diào)節(jié)TC的大小。即測(cè)取得光電碼盤脈沖數(shù)M1和高頻脈沖數(shù)M2都是變化的。時(shí)間TC在測(cè)量的過程始終等于M1個(gè)脈沖的周期之和，如圖2所示。其中時(shí)間TC的大小由已知的高頻脈沖數(shù)M2來計(jì)算，即法方法TC=M2/f0，速度公式為：

圖4 變M/T法測(cè)速原理

當(dāng)電機(jī)轉(zhuǎn)速較低時(shí)，可以減下時(shí)間TC來彌補(bǔ)M/T法在低速檢測(cè)時(shí)誤差較大的缺點(diǎn)。同時(shí)也不需要測(cè)取M/T法中的ΔTT，其性能均等于或超過M法和T法。

3 精度分析

式(1)中，f0是eQEP模塊內(nèi)的高頻時(shí)鐘頻率，N是光電編碼器旋轉(zhuǎn)一周后輸出的脈沖個(gè)數(shù)。此次設(shè)計(jì)的測(cè)速表多用的編碼器為2000線，即N=2000。在測(cè)量時(shí)間TC內(nèi)，式(1)中的M1始終是一個(gè)整數(shù)，不存在M法中的±1個(gè)脈沖的誤差，只有高頻脈沖會(huì)存在±1個(gè)脈沖的誤差。

即誤差公式：

相對(duì)誤差：

顯然檢測(cè)誤差只與M2的大小有關(guān)且成反比。由M2=TC.f0知，增大高頻時(shí)鐘頻率f0和增大允許測(cè)量時(shí)間TC可以減小檢測(cè)誤差。

4 參數(shù)設(shè)置

TMS320F28335芯片eQEP模塊內(nèi)含邊沿捕獲單元，可以通過設(shè)置該單元寄存器中的值來改變高頻時(shí)鐘頻率f0。由式(4)可知，M2的數(shù)值越大，即時(shí)鐘頻率越高，所得到的速度誤差越小?？紤]到時(shí)鐘計(jì)數(shù)寄存器為16位寄存器（即最大值為65535）。故TC時(shí)間一定的情況下，f0盡可能大的前提是該計(jì)數(shù)器沒有發(fā)生溢出。本測(cè)量TC的最大值大約在10ms左右，故設(shè)置為32頻，可使得時(shí)鐘計(jì)數(shù)器的值盡可能大（為46875）且不溢出。

下面推導(dǎo)M1的選?。?/p>

改變測(cè)量時(shí)間的大小是通過設(shè)置不同的M2的值來實(shí)現(xiàn)的，其中N為編碼器的線數(shù)，N=2000，測(cè)量時(shí)間公式為：

由式(5)可得：

同時(shí)，為保證測(cè)量誤差在萬分之一以內(nèi)，則M2的值必須大于10000，測(cè)量時(shí)間需有一個(gè)下限值，即f0.t≥M2=10000，可得測(cè)量時(shí)間需t≥2.2ms。

又由2.2ms≤t≤10ms可得M1與轉(zhuǎn)速r的關(guān)系為：

由式(7)針對(duì)不同的轉(zhuǎn)速范圍，設(shè)定不同的M1，具體如下：

速度在0～40r/min時(shí)，M1=12；40～160r/min時(shí)，M1=50；160～600r/min時(shí)，M1=200；600～1500r/min時(shí)，M1=500；1500～5000r/min時(shí)，M1=1800；5000～20000r/min時(shí)，M1=6400。

當(dāng)確定高頻時(shí)鐘頻率后，測(cè)量時(shí)間TC的選?。碝1的選?。┦歉鶕?jù)當(dāng)前電機(jī)的轉(zhuǎn)速范圍而定，當(dāng)電機(jī)轉(zhuǎn)速較高時(shí)，為減小誤差可將M1取的較大，相當(dāng)于M法；當(dāng)電機(jī)轉(zhuǎn)速較低時(shí)，考慮到快速響應(yīng)的問題，可以將M1的值取的較小，相當(dāng)于T法。

5 軟件程序設(shè)計(jì)

流程圖說明：

當(dāng)轉(zhuǎn)速表接到電機(jī)軸上時(shí)，由于無法確定當(dāng)前速度的范圍，故需要粗測(cè)一次速度值來確定具體的M1。此時(shí)，可允許測(cè)量的時(shí)間較長(zhǎng)，可令M1=6400，然后根據(jù)式(2)粗測(cè)一次速度。然后再根據(jù)粗測(cè)速度所在的速度范圍確定相應(yīng)的M1的值，然后再高精度的測(cè)量。

變M/T法實(shí)現(xiàn)的前提是，測(cè)量時(shí)間等、始終等于碼盤脈沖數(shù)M1。即在正交信號(hào)的上升沿或下降沿到來時(shí)，開啟位置計(jì)數(shù)器（QPOSCNT）和捕獲定時(shí)寄存器（QCTMR）?？梢酝ㄟ^設(shè)置相應(yīng)的外圍硬件加以實(shí)現(xiàn)，由于指令執(zhí)行周期短，也可以設(shè)置相應(yīng)的軟件程序來實(shí)現(xiàn)。程序處理如下：開啟兩個(gè)計(jì)數(shù)器之后，當(dāng)位置計(jì)數(shù)器增加到1的時(shí)候，將捕獲時(shí)鐘寄存器清零。做到位置計(jì)數(shù)器，高頻時(shí)鐘時(shí)鐘和正交信號(hào)三者同步。

程序流程圖如圖5所示。

圖5 程序流程圖

6 測(cè)量結(jié)果

測(cè)量所得數(shù)據(jù)如表1所示。

表1 測(cè)量結(jié)果表

從實(shí)際測(cè)量的數(shù)據(jù)來看，DSP結(jié)合光電碼盤所設(shè)計(jì)的測(cè)速表滿足萬分之一的測(cè)量的精度要求。若要進(jìn)一步減小誤差，提高測(cè)量精度，可適當(dāng)減小分頻數(shù)，提高時(shí)鐘頻率；或者增加速度段，增大M1的值，來增大測(cè)量時(shí)間。

7 結(jié)束語

此測(cè)速表的設(shè)計(jì)采用變M/T法，從理論上推導(dǎo)了，為達(dá)到萬分一的誤差精度以及一定的響應(yīng)時(shí)間所需要的M1的值，并且用測(cè)量數(shù)據(jù)驗(yàn)證了該方法的可行性。同時(shí)也高效利用了DSP芯片中可編程的高頻脈沖的特性。讀者可根據(jù)自己所需要的測(cè)量精度和響應(yīng)時(shí)間對(duì)M1的取值做出相應(yīng)的修改。對(duì)程序加以修改，也可以用于伺服系統(tǒng)速度反饋環(huán)的設(shè)計(jì)。

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