基于DSP的绝对式光电编码器的电机转速测量
电机的定点DSP控制中转速测量新方法
电机的定点DSP控制中转速测量新方法赵仁德;曲华龙【摘要】为在较大的转速范围内准确测量转速而又不过多地占用DSP的硬、软件资源,深入分析传统测量方法应用于定点DSP存在的问题,提出了一种适合于定点DSP测速方法,该方法通过设定最小计数脉冲和最小测速时间来限制最大相对和绝对误差.使用乘法和移位运算取代除法,从而节省DSP的运算时间.将之用于直驱式永磁同步风力机转速的测量,实验结果表明,该方法可以在较大的转速范围内实现准确测速.【期刊名称】《电气传动》【年(卷),期】2010(040)006【总页数】3页(P72-74)【关键词】测速;光电编码器;电机控制【作者】赵仁德;曲华龙【作者单位】中国石油大学(华东)信息与控制学院,山东,东营257061;山东省荣成市华力集团,山东,威海264300【正文语种】中文【中图分类】TM938.811 引言定点DSP具有成本较低、对存储器的要求较低、耗电少及丰富的专用接口等优点,在现代电机控制系统中得到广泛应用[1]。
随着电机调速精度要求越来越高,调速范围越来越大,如何在较大的转速范围内快速准确地检测转速,是电机控制系统需要解决的关键问题之一。
光电编码器和DSP性能的提高为高精度转速检测奠定了基础。
但在电机调速系统中,DSP是控制系统的核心,测速只是DSP的一部分任务,不宜过多地占用DSP的硬件和软件资源。
传统的M 法、T法及M/T法不能适应基于定点DSP的电机数字控制的需要。
本文以Ti公司的 TMS320F2812 DSP为例分析了上述3种传统测速方法存在的问题,提出了一种适合于定点DSP测速的最大绝对和相对误差可控的测速方法,并进行了实验验证。
2 增量式光电编码器与QEP电路一般来说增量式光电编码器有3路信号输出:A,B和Z。
A,B信号正交,相位差90°,超前滞后关系取决于光电编码器的转向。
Z信号是光电编码器每转一圈输出的那一个脉冲信号。
光电编码器输出的A,B,Z信号通过光耦隔离、电平转换和整形接到DSP的QEP引脚上[2]。
基于DSP和光电编码器的永磁同步电机速度检测系统
基于DSP和光电编码器的永磁同步电机速度检测系统
王鑫;徐鑫;魏强;封百涛
【期刊名称】《信息技术与信息化》
【年(卷),期】2011(000)005
【摘要】为获取永磁同步电机转子速度,设计了一种基于DSP控制器正交编码电路和光电编码盘的检测系统.DSP识别光电编码盘上光敏管所产生的两路正交编码脉冲,对捕获的脉冲信号进行加减计数,通过对DSP编写的用户程序读取当前计数值,计算电机转子转速.阐述了TMS320F243芯片正交编码和增量式光电编码盘的工作原理,建立了由永磁同步电机、DSP板、逆变功放板和PC机组成的实验测量装置.实验结果表明,在给定的转速设定值下,能够实现快速和较高精度的速度检测,能够满足一般工程系统对交流调速和伺服控制的性能要求.
【总页数】3页(P56-58)
【作者】王鑫;徐鑫;魏强;封百涛
【作者单位】泰山学院物理与电子工程学院山东泰安271021
【正文语种】中文
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1.基于DSP无速度传感器的永磁同步电机控制技术 [J], 刘舒拉
2.基于DSP的无轴承永磁同步电机检测系统设计 [J], 刘强;王云强;孙永波
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4.基于DSP的无轴承永磁同步电机的检测系统 [J], 陈忠
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一种基于DSP的伺服电动机转速检测方法
一
种 基 于 ＤＳ Ｐ的伺 服 电动 机 转 速 检 测 方 法
汪 涛 ，黄 声 华 ，万 山明
（ 中科 技 大学 ， 华 湖北 武汉 ４ ０ ７） ３ ０ ４
摘
要 ：为 了 精 确 检 测 交 流 伺 服 系 统 的 速 度 控 制 特 性 ． 文 介 绍 了针 对 增 量 式 光 电编 码 器 的 常 用 数 字 测 速 方 法 以 该
ｉ ｌｍｅ ｔｎ ａ ｈ ｏ ｈ ａ ｄ ｒ ｎ ｏ ｔ ｒ ． ｉ ｐ ｐ ｒ ａ ｓ ｎ ｌ ｓ ｓ ａ ｄ ｓ ｌ ｅ ｈ ｍｐ ｅ ｉｉ ｎ ｕ ｄ ｒ ｔ ｅ ｍｐ ｅ ｎ ｉｇ ｐ ｔ ｆ ｔ ｅ ｈ ｒ ｗａ ｅ ａ ｄ ｓ ｆｗａ ｅ Ｔｈ ｓ ａ ｅ ｌｏ ａ ａ ｙ ｅ ｎ ｏ ｖ ｓ ｔ ｅ ｉ ｒ ｃ ｓｏ ｎ ｅ ｈ ｅ ｆ Ｃ ｆｌ ｗ ｐ ｅ ． ｉ ｔ ｏ ｄ ｕ ｌｕ ｅ ｏ ｈ ｅ ｏ ｒ ｅ ｏ Ｐ ａ ｄ ｉ ｒ ｖ ｄ ｔ ｅ ｄ ｔ ｃ ｉ ｎ ａ ｃ ｒ ｃ ｉ ｃ ｎ ｆｅ ｔｏ ｏ ｓ ｅ ｄ Ｔｈ ｓ ｍｅ ｈ ｄ ｍａ ｅ ｆ ｌ ｓ ｆｔ ｅ ｒ ｓ ｕ ｃ ｆＤＳ ｎ ｍｐ ｏ ｅ ｈ ｅ ｅ ｔ ｃ ｕ ａ ｙ， ａ ｏ ｔ ｒａｌ ｎ ａ ｃ ｈ ｅ ｆ ｒ ｎ ｅｏ ｅ ｖ ． ｅ ｌｙ ｅ ｈ ｎ ｅ ｔ ｅ ｐ ｒｏ ｍａ ｃ ｆｓ ｒ ｏ
统硬 件 。
本 文针对 实 际伺 服 系统介 绍 了一种 基于 长春第 一 光
学 有 限公 司 的 Ｚ ＫＤ一 １ ２系 列混 合 式 光 电编 码 器 以 及 Ｔ 公 司 最 新 推 出 的 电 机 专 用 控 制 器 Ｉ
ｆｎ ｔ ｎ ｏ Ｓ３ ０ ２ １ ｏ ｅｏ ｉｙｄ ｔｃｉｎ．ｎ ｈ ｎ ａ ａｙ ｅ ｔ ｏ ｆＭ ／ ｂ ｓｄ ｏ Ｐ． ｉｃ ｓｅ ｈ ｕ ｃｉ ｆＴＭ ２ Ｆ ８ ２ｆ ｒｖ ｌｃｔ ｅｅ ｔ ｏ ｏ ａ ｄ ｔ ｅ ｎ ｌ ｓ ｓａ ｍｅ ｈ ｏ Ｔ ａｅ ｎ ＤＳ ｄｓ ｕ ｓ ｓｔ ｅ ｄ
基于DSP的绝对式光电编码器设计
基于DSP的绝对式光电编码器设计作者：赵波来源：《新媒体研究》2015年第11期摘要本文设计了一套基于DSP（TMS320F2812）的绝对式光电编码器。
光电编码器通过DSP实时采集A/D转换输出的数字信号，A/D转换环节实时完成码盘模拟信号到数字信号的转换；DSP通过串行通讯实时输出绝对位置信息。
文中详细论述了硬件组成及软件工作原理，给出了试验结果及结论。
关键词绝对式；光电编码器；DSP中图分类号 TP3 文献标识码 A 文章编号 2096-0360（2015）11-0030-02光电编码器又称为光电角位移传感器，其采用光、机、电组合方式实时输出被测物的角度信息。
采用光栅元件作为角度传感器，通过光电变换，将转动角度信息转换为相应的数字信息，用数字信息可以实现角度、位置、速度、加速度的精确测量。
光电编码器随着精度的极大提高具有广阔的应用前景，其主要民用应用领域为精密加工机床、机器人及高精度闭环调速等。
军用应用领域为雷达测量和光电经纬仪等。
20世纪90年代以后，随着计算机技术及图像处理技术的飞速发展，光电编码器技术得到了极大提高，向着体积跟小、精度高方向发展。
目前的光电编码器大多采用DSP芯片作为主处理器，利用DSP芯片的强大运算能力计算角度数据，时时输出目标角度信息。
1 系统组成原理光电编码器的组成原理如图1所示。
如图1所示，2812为光电编码器功能核心。
光电编码器各部分完成功能如下。
1）2812负责接收图像传感器的数字口图像数据，实时存入外部存储器中；当DSP芯片和D/A转换器需要图像数据时，实时将图像数据从外部存储器中取出提供给DSP芯片和D/A，V5 FPGA完成整个图像数据的实时传输。
2）光栅码盘是编码器的核心元件，它是一块具有若干同心圆码道的玻璃盘，每条码道由若干等周期的透明与不透明的线条组成。
3）串行接口采用标准422A格式接口，采用差分传输模式。
4）外采样提供需要的输入脉冲模式。
5）D/A转换将模拟信号转换为数字信号。
光电编码器测量电机转速的方法
光电编码器测量电机转速的方法光电编码器测量电机转速的方法可以利用定时器/计数器配合光电编码器的输出脉冲信号来测量电机的转速。
具体的测速方法有M法、T法和M/T法3种。
一、M法又称之为测频法，其测速原理是在规定的检测时间Tc内，对光电编码器输出的脉冲信号计数的测速方法，例如光电编码器是N线的，则每旋转一周可以有4N个脉冲，因为两路脉冲的上升沿与下降沿正好使编码器信号4倍频。
现在假设检测时间是Tc，计数器的记录的脉冲数是M1，在实际的测量中，时间Tc内的脉冲个数不一定正好是整数，而且存在最大半个脉冲的误差。
如果要求测量的误差小于规定的范围，比如说是小于百分之一，那么M1就应该大于50。
在一定的转速下要增大检测脉冲数M1以减小误差，可以增大检测时间Tc单考虑到实际的应用检测时间很短，例如伺服系统中的测量速度用于反馈控制，一般应在0.01秒以下。
由此可见，减小测量误差的方法是采用高线数的光电编码器。
M法测速适用于测量高转速，因为对于给定的光电编码器线数N机测量时间Tc条件下，转速越高，计数脉冲M1越大，误差也就越小。
二、T法也称之为测周法，该测速方法是在一个脉冲周期内对时钟信号脉冲进行计数的方法。
为了减小误差，希望尽可能记录较多的脉冲数，因此T法测速适用于低速运行的场合。
但转速太低，一个编码器输出脉冲的时间太长，时钟脉冲数会超过计数器最大计数值而产生溢出;另外，时间太长也会影响控制的快速性。
与M法测速一样，选用线数较多的光电编码器可以提高对电机转速测量的快速性与精度。
三、M/T法M/T法测速是将M法和T法两种方法结合在一起使用，在一定的时间范围内，同时对光电编码器输出的脉冲个数M1和M2进行计数。
实际工作时，在固定的Tc时间内对光电编码器的脉冲计数，在第一个光电编码器上升沿定时器开始定时，同时开始记录光电编码器和时钟脉冲数，定时器定时Tc时间到，对光电编码器的脉冲停止计数，而在下一个光电编码器的上升沿到来时刻，时钟脉冲才停止记录。
刘宜章基于光电编码器的直流电机转速测量系统设计
基于光电编码器的直流电机转速测量系统设计摘要在工程实践中，经常会遇到各种需要测量转速的场合，测量转速的方法分为模拟式和数字式两种。
模拟式采用测速发电机为检测元件，得到的信号是模拟量。
数字式通常采用光电编码器，霍尔元件等为检测元件，得到的信号是脉冲信号。
随着微型计算机的广泛应用，特别是高性能价格比的单片机的出现，转速测量普遍采用以单片机为核心的数字式测量方法。
本文便是运用AT89C51单片机控制的智能化转速测量仪。
电机在运行过程中，需要对其进行监控，转速是一个必不可少的一个参数。
本系统就是对电机转速进行测量，并可以和PC机进行通信，显示电机的转速，并观察电机运行的基本状况。
本设计主要用AT89C51作为控制核心，由光电编码器、LED数码显像管、HIN232CPE 电平转换、及RS232构成。
详细介绍了单片机的测量转速系统及PC机与单片机之间的串行通讯。
充分发挥了单片机的性能。
本文重点是测量速度并显示在5位LED数码管上。
其优点硬件是电路简单，软件功能完善，测量速度快、精度高、控制系统可靠，性价比较高等特点。
关键字：MSC-51（单片机）；AT89C51；转速；光电编码器AbstractIn the project practice, we will meet each kind to need frequently to survey the rotational speed the situation, the survey rotational speed method divides into the simulation type and the digital two kinds. The simulation type uses measured that the fast generator is the detecting element, obtains the signal simulates the quantity. Digital usually uses the electro-optical encoder, the Hall part and so on is the detecting element, obtains the signal is the signal impulse. Along with microcomputer's widespread application, specially high performance price compared to monolithic integrated circuit's appearance, the tachometric survey uses generally take the monolithic integrated circuit as the core digital measuring technique I graduated from the Design of the issue is control of the intelligent use of SCM speed measuring instrument. The system is the motor speed measurement, and PC and can communicate that the motor speed, and to observe the motor running the basic situation.The main design AT89C51 control as the core, by the Hall sensor, LED digital CRT, HIN232CPE-level conversion, and a RS232. Detailed measurements of the speed of the SCM system and PC and the serial communication between the microcontroller. Give full play to the performance of the SCM. This paper is to measure the speed and displayed in five LED digital pipe.The advantage of a simple hardware and software capabilities improve, measuring speed, high precision and control system reliable, cost-effective and so on.Keyword：MSC-51(One-chip computer)；AT89C51; sensor；Tachometer绪论目前, 测量直流电机转速的方法很多, 主要分为计数式、模拟式、同步式三大类。
基于DSP2812的三种电机转速测量方法研究
转速（转/秒）
1500 1400 1300 1200 1100 1000
900 800 700 600 500 400 300 200 100
0 0
12000 24000 36000 48000 60000 72000 84000 96000 108000 120000 时间（毫秒）
Abstract：The three operation theories of motor speed detection arithmetic called M arithmetic, T arithmetic and
M/T arithmetic are presented, and their characteristics for the problem of speed detection in servo system and
579.7 r/min，则计算误差为-0.05%≤△e≤0.02%。
若电机转速提高到 1180 r/min，则检测到的脉冲数
应为 931 或 932，T 法计算出的电机转速为 1180.1
r/min 与 1178.8 r/min，计算误差为-0.1%≤△e≤
0.01%。随着转速的提高，T 法测速精度变高低。T
法测速原理如图 2 所示。
M2 个脉冲
Tc 图 2 T 法测速原理
M1 个脉冲
M2 个脉冲
Tc
T2
图 3 M/T 法测速原理
min 与 1179.994 r/min，计算误差为△e≈0%。随着 转速的提高，M/ T 法测速一直都有比较高的精度。 M/ T 法测速原理如图 3 所示。
3 三种测速方法的 DSP 实现
基于DSP的智能转速测量装置的设计
基于DSP的智能转速测量装置的设计
蔡文皓;赵熙
【期刊名称】《微特电机》
【年(卷),期】2014(042)009
【摘要】提出了一种智能转速测量装置的设计方案.利用TMS320F28335的正交eQEP模块捕获编码器的脉冲信号计算出转速,D/A芯片TLC5615将计算出的转速值转换成模拟信号输出,通过调理电路将该信号调整为0～10V的标准电压信号,然后通过集成电路AD694将电压信号转化成4～20mA的标准电流信号.给出了详细的电路图并详细剖析了eQEP模块在M/T法中的测量原理.实验结果证明该系统具有结构简单、输出精度高的特点.
【总页数】4页(P25-27,32)
【作者】蔡文皓;赵熙
【作者单位】西安科技大学,西安710054;西安科技大学,西安710054
【正文语种】中文
【中图分类】TM306;TM34
【相关文献】
1.基于DSPF2812的发动机转速测量系统设计 [J], 于海征;冯国胜;袁新华;邓晓龙;李鹏飞
2.基于DSP56F8346的电动机转速测量系统设计 [J], 朱亚光;冯国胜;李娅君;韩超;李先河
3.基于DSP56F8346的电动机转速测量系统设计 [J], 朱亚光;冯国胜;李娅君;韩超;
李先河;
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5.基于DSP的高精度电机转速测量系统的设计 [J], 赵小霞
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基于光电编码器轴的转速测量系统设计实例
（Ｈｅｎａｎ Ｐｒｏｖｉｎｃｅ Ｘｉｎｘｉａｎｇ Ｉｎｄｕｓｔｒｉａｌ Ｔｒａｄｅ Ｓｃｈｏｏｌ， Ｘｉｎｘｉａｎｇ ４５３０００， Ｈｅｎａｎ， Ｃｈｉｎａ） 〔Ａｂｓｔｒ ａｃｔ〕 Ａ ｒｏｔａｒｙ ｓｐｅｅｄ ｍｅａｓｕｒｉｎｇ ｓｙｓｔｅｍ ｈａｓ ｂｅｅｎ ｄｅｓｉｇｎｅｄ， ｗｈｉｃｈ ｉｓ ｃｏｍｐｏｓｅｄ ｏｆ ｓｅｍｉｃｏｎｄｕｃｔｏｒ ｌａｓｅｒ ａｉｄ， ｐｈｏｔｏｅｌｅｃｔｒｉｃ ｅｎｃｏｄｅｒ， ｐｈｏｔｏｅｌｅｃｔｒｉｃ ｄｉｏｄｅ， ｍａｇｎｉｆｙｉｎｇ ａｎｄ ｐｒｏｔｅｃｔｉｎｇ ｃｉｒｃｕｉｔ， ８９Ｓ５２ ｓｉｎｇｌｅ ｃｈｉｐ， ａｎｄ ｄｉｓｐｌａｙｉｎｇ ｍｏｄｕｌｅ． Ｃａｌｃｕｌａｔｉｎｇ ｐｒｏｃｅｓｓ ｏｆ ｔｉｍｅｒ ｉｎｉｔｉａｌ ｖａｌｕｅ ｈａｓ ｂｅｅｎ ｇｉｖｅｎ， ａｎｄ ｍａｉｎ ｐｒｏｇｒａｍ ｃｏｄｅ ｈａｓ ｂｅｅｎ ｗｒｉｔｔｅｎ． Ａｔ ｌａｓｔ， ａ ｐａｒｔ ｏｆ ｍｅａｓｕｒｉｎｇ ｄａｔａ ｈａｓ ｂｅｅｎ ｇｉｖｅｎ． 〔Ｋｅｙ ｗｏｒ ｄｓ〕 Ｐｈｏｔｏｅｌｅｃｔｒｉｃ ｅｎｃｏｄｅｒ； Ｒｏｔａｒｙ ｓｐｅｅｄ； Ｍｅａｓｕｒｅｍｅｎｔ ｓｙｓｔｅｍ
０引言 目前， 测量轴的转速的方法很多， 主要分为计数
式、模拟式、同步式三大类。这三种类型根据不同的工 作原理又可分为具体不同的类型， 其中， 计数式可以分 为机械式、光电式、电磁式。光电式目前是一种常用的 计数式转速测量仪， 此种测量方法离不开重要的部件 光电编码器。光电编码器是通过光电转换的作用将输 出轴上的机械几何位移量转换成脉冲或数字量的传感 器。这是目前常用的传感器， 它由光栅盘（ 或称码盘） 和 光电检测装置组成。光栅盘是在一定直径的圆板上等 分地开通若干个孔。由于光栅盘与电动机同轴， 电动机 旋转时， 光栅盘与电动机同速旋转， 经发光二极管等电 子元件组成的检测装置检测输出若干脉冲信号。通过 计算每秒光电编码器输出脉冲的个数就能反映当前电 动机的转速。光电编码器具有体积小， 精度高， 工作可 靠， 接口数字化等优点。它广泛应用于数控机床、回转 台、伺服传动、机器人、雷达、军事目标测定等需要检测 角度的装置和设备中。 １ 测量系统的组成
用DSP2407以及正交编码信号实现电机测速
2007年第4期75用DSP2407以及正交编码信号实现电机测速Motor S p eed Measurin g B ased on DSP2407and Ortho g onal Codes浙江电力ZHE J IANG E LECT RIC POWER光编码器精度高、抗磁干扰性能好、响应速度快,采用光编码组成的电机测速装置能够较好地适应电机周围的环境,提高测量精度。
脉冲边缘振荡容易使电子元件错误判较,导致测速误差。
采用正交编码信号能有效消除脉冲边缘振荡的影响。
普通的单片机几乎不能正确地检出正交编码。
而DSP2407拥有单周期乘法指令,在捕获正交编码信号时能够及时处理正交编码,并方便地进行标幺化处理。
1正交编码及其测速原理通常情况下如果两个周期为T 的信号S1(t )和S2(t )互相正交[1],即每个传感器发出一个方波与另一个传感器发出的方波异相90°,即两个信号为正交编码。
正交编码具有良好的抗噪性能,能有效消除脉冲边缘振荡造成的干扰,在测速时能有效提高准确性。
采用在固定时间间隔内数正交编码器脉冲数量的方法估算速度和加速度[2]。
两个正交编码的输入脉冲的两个边沿均被正交编码器脉冲(QEP )接口计数,QEP 电路产生的时钟频率是每个输入序列频率的四倍[3],并接入到通用定时器2或4。
在计数测量速度的同时,对每周的整倍数波形和不足整数倍的波形分别进行统计,由于码盘上的缝隙是均匀分布的,所以可以根据整圈的码数和当前零散码数的比值得出当前码盘所在的角度,因此只要知道码盘的初始位置就能测算出码盘当前的位置。
通过检验电机轴上的光学编码器产生正交编码脉冲序列中哪个序列领先,即可确定计数器增减。
如果编码器A 序列领先,则计数器增加。
如果编码器B 序列领先,那么计数器减少。
QEP 电路的方向检测逻辑测定哪个脉冲序列的相位领先来产生方向信号作为通用定时器2或4的方向输入。
如果CAP1/QEP1(EV B 为CAP4/QEP3)的输入为领先相位,选定的计数器递增计数;如果CAP2/QEP2(EV B 为CAP5/QEP4)输入的相位领先,则计数器递减计数。
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测试技术与检测设备 EMCA2010,37(1)基于DSP的绝对式光电编码器的电机转速测量邓 建, 林 桦(华中科技大学,湖北武汉 430074)摘 要:转速测量的精确度与实时性影响着电机调速系统的性能。
基于绝对式光电编码器抗干扰能力强,具有掉电记忆功能等优点,及其在电机转子位置测量的广泛应用,设计了基于绝对式光电编码器和数字信号处理器(DSP)的转速测量环节。
在分析常用测速方法的基础上,采用高精度、高分辨率的M/T法,并设计测速系统的软、硬件,通过试验,验证了设计的正确性。
关键词:绝对式光电编码器;M/T法;转速测量中图分类号:TN762 文献标识码:A 文章编号:1673 6540(2010)01 0050 03M otor V elocity M easure m ent by Absol ute Optical Encoder Based on DS PDE NG J ian, LI N H ua(H uazhong Un i v ersity of Sc i e nce and Techno logy,W uhan430074,Ch i n a)Abstrac t:The prec i sion and rea l ti m e perfor m ance of mo tor ve l o city m easure m ent have i nfl uences on speed con trol syste m.A bso l ute encoder w hich was used extensi ve l y i n rotor position detec tion was stable to disturbance and can count nu mber of ro tor positi on dur i ng pow er fail ure.Based on t he advantages of abso lute encoder above,a veloc it y m easurement system using abso l ute encode r and DSP was desi gned.By ana l yz i ng usua lm ethod of speed detecti on,a dopti ng M/T m ethod wh ich has h i gh de fi nition and high reso l u tion,and desi gn i ng so ft ware and hard w are.The result show s that t he desi gn w as co rrect.K ey word s:absolute opt i cal encoder;m ethod of M/T;ve l ocity m easuremen t0 引 言对于交流电机调速,控制系统都要求能在很宽的转速范围内实现高精度的转速测量。
目前,测速器件主要有光电编码器、测速发电机、霍尔传感器及磁旋转编码器等,而通常使用的是光电编码器,又称光电轴角编码器和轴编码器等。
光电编码器以高精度计量圆光栅为检测元件,通过光电转换,将输入的角位置信息转换成相应的数字代码,并与计算机等控制器件及显示装置相连接,实现数字测量、数字控制与数字显示[1]。
光电编码器根据输出代码的不同主要分为绝对式与增量式两大类。
增量式编码器输出两路正交编码脉冲以及每转一个脉冲的零脉冲信号,其码盘如图1所示。
对两路正交脉冲进行计数及相位判断,可计算速度大小和方向;零脉冲信号用于校正每转编码器产生的脉冲个数,防止积累误差的产生。
增量式编码器的优点是易于实现小型化,响应迅速,结构简单,其缺点是初始定位及掉电后容易造成数据损失等。
绝对式编码器一般使用二进制码(如格雷码)盘,码盘上的码道按一定规律排列,对应每一分辨率区间有唯一的二进制数,5位格雷码制绝对式码盘如图2所示。
绝对式编码器同增量式的相比,具有固定零点,输出代码是轴角的单值函数,抗干扰能力强,掉电后再起动无须重新标定,无累积误差等优点。
但是绝对式编码器的缺点是图1增量式编码器图2 绝对式编码器502010,37(1)测试技术与检测设备 EMC A制造工艺复杂,不易实现小型化[1],通常生产的位数不高。
因此,一般速度测量采用的是增量式编码器。
由于绝对式G编码器比增量式编码器更容易检测转轴位置,且其输出的数字码计算简单,不需另外增加编码器脉冲计数器等,将绝对式编码器应用于速度测量,以简化测速环节。
同时,针对绝对式编码器的位数较低问题,分析比较常用的测速方法,选择精度较高的M/T法,以提高测速的精度和分辨率。
结合数字信号处理器(DSP)进行软、硬件的设计,最后进行了试验验证并进行了分析。
1 常用测速方法原理及比较常用测速方法主要有定时测角法(M法)及定角测时法(T法),后来又发展有M/T法及变M/T法[2]等其他一些方法。
这些方法基于增量式编码器,编码器测速脉冲可以看作一位二进制数,每次脉冲跳变表示转到新的分辨率区间。
而对于绝对式编码器而言,每个分辨率区间输出的是一组二进制数,但仍然可以看作是检测到位置改变的一位测速脉冲(已带有脉冲计数信息),因此其测速原理仍然可以用常用测速方法的原理表述。
1.1 M法M法通过测量一定时间内编码器的脉冲个数来获得速度值。
设编码器每圈发出脉冲数为P,在指定的测量时间T g内,编码器共发出m1个脉冲,则电机转速n的表达式为:n=60m1PT g(1)M法的分辨率Q[3]及精度 分别为:Q=60(m1+1)PT g-60m1PT g=60PT g(2)=Qn =60PT g/60m1PT g=1m1(3)由式(1)可看出,M法的分辨率与转速无关,任何转速情况下,能检测到的速度最小改变量都相等。
由式(2)可以看出,在测量时间一定时,只有当m1增大(速度增加)时,精度才会增加,因此M法适用于高速情况下的测量。
1.2 T法T法的原理是通过测量相邻两个编码器脉冲的时间间隔来得到速度信息,即测频法。
如果计时用的高频时钟脉冲频率为f c,由编码器的相邻两个测速脉冲控制计时的起始和终止,如计时器计数值为m2,则转速n、分辨率Q及精度 的表达式如表1所示。
因此,T法的Q值随转速上升而增加,分辨率减小,在低速时有较高的分辨率。
转速增加时, m2减小,测量误差增大,可见T法适合于低速情况下的测量,但低速测量时间会较长。
1.3 M/T法M/T法是综合M法和T法进行改进得来的,它同时测量检测时间和此段时间内的编码器脉冲数。
其原理是,设定一个时间间隔T g,用T g后第一个编码器脉冲来终止时间计数器m2,则测量时间T=Tg+ T。
如编码器脉冲计数值为m1,fc为高频时钟脉冲频率,则M/T法的转速n、分辨率Q 及精度 如表1所示。
表1 常用测速方法比较方法测量速度n分辨率Q精度M法60m1/PT g60/PT g1/m1T法60f c/Pm2n2P/(60f c+nP)1/(m2+1) M/T法60f c m1/Pm2n/(m2-1)1/(m2-1) 由表1可以看出,分辨率与测量时间及转速都有关系。
但高速时,M/T法中的m2值比T法的要大很多,所以精度仍然很高。
M/T法相比于M法和T法,在很大的速度范围内,精度高,误差小,因此其应用非常广泛,本文也采用M/T法实现转速测量。
但M/T法在低速时测量时间仍然很长。
2 基于D SP的M/T法实现2.1 硬件接口电路基于分立式器件构成的测速单元一般包括脉冲整形、判向电路、可逆计数器、归零控制和限位信号读取电路[4]等。
这种测量电路存在着电路结构复杂的缺点,除电阻、电容外,还需要多片门电路、触发器、外围芯片等,器件多、功耗大,易受外界噪声的干扰[5],可靠性难以得到保证。
增量式编码器结合DSP实现测速功能时,可直接与DSP正交解码模块相连,结合芯片内部的计数器,节省了硬件电路开支,同时增强了可51测试技术与检测设备 EMCA 2010,37(1)靠性。
但是绝对式编码器应用在测速时,并不需要正交解码电路等;而且调速系统整体庞大,如果采用捕获等功能以产生中断的方式精确捕捉编码器脉冲以实现测速功能,多中断会加大系统的复杂程度。
本文使用一种简易方法,将8位绝对式编码器的输出信号通过74LS245总线收发器,再经过电平转换接至DSP 的数据总线上,通过软件读取绝对式编码器输出的位置值,实现转速测量。
绝对式编码器采用欧姆龙EC6P AG5C 型8位格雷码制码盘,其参数为:精度 1!,最高应答频率5k H z ,容许最高转速为1000r /m in 。
简化的硬件连接示意图如图3所示。
图3 测速环节硬件示意图2.2 软件设计软件设计结合调速系统的主中断周期(T =200 s),在主中断中以子程序调用的方式计算电机转速。
由于转子位置都是由数据总线读进来的,所以只有通过软件方式判断脉冲是否结束或开始,即判断当前位置值是否等于上一次位置值。
这样编码器脉冲的起止会存在误差,且都限定在一个主中断周期内。
M /T 法在转速很低时测量时间很长,即 T 会很长,为了满足系统的实时性,同时为了尽量提高测量的精度,T g 选为10m s ,而选择 T 的上限为5m s 。
这样处理以后,牺牲了可测的转速范围,但提高了系统的实时性,在转速测量范围要求不高时可以采用。
由于采用读取位置值的方式,以及通过软件判断编码器位置的起止,计时精确而位置值的起止有误差,但可以认为位置值的起止是精确检测到的,而时间计数器极限情况下存在 1的误差,因此仍然可以用M /T 法的原理分析。
由于测量时间为10~15m s ,而中断周期为200 s ,则m 2的计数范围为50~75,从表1中公式可以推出精度波动范围为1.35%~2.04%。
测量时间与精度的关系如图4所示。
由8位编码器及M /T 法的原理可知,在最长图4 M /T 法的精度(相对误差)与测量时间的关系测量时间15m s 内,如果编码器脉冲只变化一次,即最低可测转速为15.625r /m in 。
n =60f c m 1Pm 2=60∀5000∀1256∀75=15.625(r /m in )程序中,测量时间小于10m s 时一直记录当前编码器输出的位置值;大于10m s 则判断最近一个位置值是否结束,如果是则计算转速,否则退出子程序。
由于使用16位定点DSP ,计算中采用Q15格式以提高精度,图5为测速子程序流程图。
图5 测速子程序流程图3 试验及分析试验在异步电机上进行,通过改变变频器输出电压的频率,开环调节电机转速,以验证不同速度时转速的测量。