基于DSP／QEP電路的電機位置檢測和轉速測量研究

摘要：在現代伺服系統(tǒng)中，位置檢測和轉速測量技術是提高控制系統(tǒng)精度的關鍵技術。本文詳細的介紹了使用光電編碼器和DSP／QEP電路來進行電機位置檢測和轉速測量的原理。實踐表明，該方法具有檢測精度高、易于編程實現的特點。
關鍵詞：DSP／OEP電路；光電編碼器；M／T法測速

0 引言
在電機的閉環(huán)控制系統(tǒng)中，由于需要實時獲得電機的位置和轉速信息，高速、高精度的傳感器以及相應的處理電路是必不可少的。光電編碼器輸出數字信號，容易實現高分辨率、高精度的檢測，在現代電機檢測技術中得到了廣泛的應用。TI公司2000系列的DSP是目前控制領域最先進的處理器之一，其最新產品的工作頻率高達150MHz，大大提高了控制系統(tǒng)的控制精度和實時處理信息的能力，其特有的QEP電路和光電編碼器的配合使用為電機位置和轉速測量提供了完美的解決方案。

1．DSP／QEP電路簡介
以TI公司控制領域最新產品TMS320F2812為例，它的正交編碼脈沖(QEP)電路和捕獲單元共用輸入引腳，分別為CAPl／QEPl、CAP2／QEP2、CAP3／QEPIl(對于EVA)，CAP4／QEP4、CAP5／QEP5、CAP6／QEPI2(對于EVB)，可以通過設置相應的捕獲單元控制寄存器使能QEP電路而禁止其捕獲功能。QEP電路可以對固定在電機軸上的光電編碼器產生的正交編碼脈沖A、B路信號進行解碼和計數，從而獲得電機的位置和速率等信息。
光電編碼器的正交編碼脈沖輸入到DSP的CAPl／QEPl、CAP2／QEP2腳，通常選擇通用定時器T2(EVA)對輸入的正交脈沖進行解碼和計數。要使QEP電路正常工作，必須使T2工作在定向增／減模式，在此模式下，QEP電路不僅為定時器T2提供計數脈沖，而且還決定了它的計數方向。QEP電路對輸入的正交編碼脈沖的上升沿和下降沿都進行計數，因此對輸入的正交編碼脈沖進行4倍頻后作為T2的計數脈沖，并通過QEP電路的方向檢測邏輯確定哪個脈沖序列相位超前，然后產生一個方向信號作為T2的方向輸入，當電機正轉時，T2增計數，當電機反轉時，T2減計數。正交編碼脈沖、定時器計數脈沖及計數方向時序邏輯如圖1所示。

在QEP模式下，T2CNT計數到邊沿時將自動翻轉，當增計數到ffffh時將返回0重新開始增計數，當減到O時，翻轉到ffffh重新開始減計數，由于在采樣時間內計數脈沖的數目遠小于T2CNT的周期數ffffh，所以在增／減計數過程中至多有一次翻轉．，圖2和圖3分別描述了電機正轉和反轉時T2CNT的計數情況。

2．光電編碼器和DSP的接口電路
光電編碼器可以輸出3路信號，其中A路和B路信號相位相差90°，光電編碼器的輸出的脈沖信號經過光電隔離、濾波整形后直接送到DSP的相應引腳，其接口電路如圖4所示。其中6N137是高速光耦，實現模擬信號和數字信號的隔離，74Hel4是CMOS反相器，實現對信號的整形。

3．電機位置測量
DSP／QEP電路將編碼器送過來的脈沖數轉換為絕對的轉子軸機械位置，絕對的轉子軸機械位置將存放在變量θm中。通過每一次采樣周期△t內T2的計數脈沖的改變量δ，可以得到相應的位置增量△θm。如上圖所示：f(t)和f(t+△t)分別表示兩次相鄰采樣時刻的值，那么在△t時間內電機轉子旋轉的機械角度為：

其中：P為電機旋轉一尉T2CNT的脈沖計數值
如圖2所示：當T2增計數無翻轉時，δ=f(t+△t)一f(t)當T2增計數有翻轉時，δ=f(t+△t)-f(t)65536，此時θm=θm+△θm
如圖3所示：當T2減計數無翻轉時，δ=-[f(t+△t)一f(t,)]當T2減計數有翻轉時，δ=-[f(t)一f(t+△t)+65536]，此時θm=θm-△θm

4．電機轉速測量
常見的電機測速方法主要有三種：M法、T法、和M／T法，由于M法比較適合高速的場合，而T法適合低速的場合，為了在整個調速范圍內都得到較好的準確性，在這里我們選擇M／T法，其原理如圖5所示。

M1為測速脈沖計數值(對應前面的δ)，M2為高頻時鐘脈沖計數值，△t為采樣周期，雖然在M1個計數脈沖內，M2存在多一個少一個的誤差，但由于時鐘脈沖的頻率遠高于計數脈沖頻率，引起的誤差可以忽略，所以轉速的計算公式為：

其中F為時鐘脈沖的頻率

5． 結束語
本文利用光電編碼器和DSP／QEP電路實現了電機閉環(huán)控制系統(tǒng)轉子位置及轉速的測量，并在電機的仿真試驗中得了較好的效果。實踐證明，光電編碼器和DSP／QEP的配合使用有利于提高伺服系統(tǒng)的控制精度，并為不同控制領域提供了高性能的數字解決方案。