電機位置檢測和轉(zhuǎn)速測量研究
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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(zhuǎn)速信息，高速、高精度的傳感器以及相應(yīng)的處理電路是必不可少的。光電編碼器輸出數(shù)字信號，容易實現(xiàn)高分辨率、高精度的檢測，在現(xiàn)代電機檢測技術(shù)中得到了廣泛的應(yīng)用。TI公司2000系列的DSP是目前控制領(lǐng)域最先進(jìn)的處理器之一，其最新產(chǎn)品的工作頻率高達(dá)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(zhuǎn)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(lǐng)域最新產(chǎn)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(shè)置相應(yīng)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(chǎn)生的正交編碼脈沖A、B路信號進(jìn)行解碼和計數(shù)，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(jìn)行解碼和計數(shù)。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(shù)脈沖，而且還決定了它的計數(shù)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(jìn)行計數(shù)，因此對輸入的正交編碼脈沖進(jìn)行4倍頻后作為T2的計數(shù)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(chǎn)生一個方向信號作為T2的方向輸入，當(dāng)電機正轉(zhuǎn)時，T2增計數(shù)，當(dāng)電機反轉(zhuǎn)時，T2減計數(shù)。正交編碼脈沖、定時器計數(shù)脈沖及計數(shù)方向時序邏輯如圖1所示。
在QEP模式下，T2CNT計數(shù)到邊沿時將自動翻轉(zhuǎn)，當(dāng)增計數(shù)到ffffh時將返回0重新開始增計數(shù)，當(dāng)減到O時，翻轉(zhuǎn)到ffffh重新開始減計數(shù)，由于在采樣時間內(nèi)計數(shù)脈沖的數(shù)目遠(yuǎn)小于T2CNT的周期數(shù)ffffh，所以在增／減計數(shù)過程中至多有一次翻轉(zhuǎn)．，圖2和圖3分別描述了電機正轉(zhuǎn)和反轉(zhuǎn)時T2CNT的計數(shù)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(jīng)過光電隔離、濾波整形后直接送到DSP的相應(yīng)引腳，其接口電路如圖4所示。其中6N137是高速光耦，實現(xiàn)模擬信號和數(shù)字信號的隔離，74Hel4是CMOS反相器，實現(xiàn)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(shù)轉(zhuǎn)換為絕對的轉(zhuǎn)子軸機械位置，絕對的轉(zhuǎn)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(nèi)T2的計數(shù)脈沖的改變量δ，可以得到相應(yīng)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(nèi)電機轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)的機械角度為：
其中：P為電機旋轉(zhuǎn)一尉T2CNT的脈沖計數(shù)值
如圖2所示：當(dāng)T2增計數(shù)無翻轉(zhuǎn)時，δ=f(t+△t)一f(t)當(dāng)T2增計數(shù)有翻轉(zhuǎn)時，δ=f(t+△t)-f(t)65536，此時θm=θm+△θm
如圖3所示：當(dāng)T2減計數(shù)無翻轉(zhuǎn)時，δ=-[f(t+△t)一f(t,)]當(dāng)T2減計數(shù)有翻轉(zhuǎn)時，δ=-[f(t)一f(t+△t)+65536]，此時θm=θm-△θm
4．電機轉(zhuǎn)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(diào)速范圍內(nèi)都得到較好的準(zhǔn)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(shù)值(對應(yīng)前面的δ)，M2為高頻時鐘脈沖計數(shù)值，△t為采樣周期，雖然在M1個計數(shù)脈沖內(nèi)，M2存在多一個少一個的誤差，但由于時鐘脈沖的頻率遠(yuǎn)高于計數(shù)脈沖頻率，引起的誤差可以忽略，所以轉(zhuǎn)速的計算公式為：
其中F為時鐘脈沖的頻率
5． 結(jié)束語
本文利用光電編碼器和DSP／QEP電路實現(xiàn)了電機閉環(huán)控制系統(tǒng)轉(zhuǎn)子位置及轉(zhuǎn)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(lǐng)域提供了高性能的數(shù)字解決方案。
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