趙仁德,曲華龍

(1.中國(guó)石油大學(xué)(華東)信息與控制學(xué)院,山東 東營(yíng) 257061;2.山東省榮成市華力集團(tuán),山東 威海 264300)

1 引言

定點(diǎn)DSP具有成本較低、對(duì)存儲(chǔ)器的要求較低、耗電少及豐富的專用接口等優(yōu)點(diǎn),在現(xiàn)代電機(jī)控制系統(tǒng)中得到廣泛應(yīng)用[1]。隨著電機(jī)調(diào)速精度要求越來(lái)越高,調(diào)速范圍越來(lái)越大,如何在較大的轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)快速準(zhǔn)確地檢測(cè)轉(zhuǎn)速,是電機(jī)控制系統(tǒng)需要解決的關(guān)鍵問(wèn)題之一。光電編碼器和DSP性能的提高為高精度轉(zhuǎn)速檢測(cè)奠定了基礎(chǔ)。但在電機(jī)調(diào)速系統(tǒng)中,DSP是控制系統(tǒng)的核心,測(cè)速只是DSP的一部分任務(wù),不宜過(guò)多地占用DSP的硬件和軟件資源。傳統(tǒng)的M 法、T法及M/T法不能適應(yīng)基于定點(diǎn)DSP的電機(jī)數(shù)字控制的需要。

本文以Ti公司的 TMS320F2812 DSP為例分析了上述3種傳統(tǒng)測(cè)速方法存在的問(wèn)題,提出了一種適合于定點(diǎn)DSP測(cè)速的最大絕對(duì)和相對(duì)誤差可控的測(cè)速方法,并進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。

2 增量式光電編碼器與QEP電路

一般來(lái)說(shuō)增量式光電編碼器有3路信號(hào)輸出:A,B和Z。A,B信號(hào)正交,相位差90°,超前滯后關(guān)系取決于光電編碼器的轉(zhuǎn)向。Z信號(hào)是光電編碼器每轉(zhuǎn)一圈輸出的那一個(gè)脈沖信號(hào)。

光電編碼器輸出的A,B,Z信號(hào)通過(guò)光耦隔離、電平轉(zhuǎn)換和整形接到DSP的QEP引腳上[2]。在TMS320F2812中,有2個(gè)QEP單元,可以將A,B和Z信號(hào)分別接到CAP1-QEP1,CAP2-QEP2和CAP3-QEPI1(或CAP4-QEP3,CAP5-QEP4和CAP6-QEPI2)引腳上。經(jīng)過(guò) QEP電路,不僅可以得到4倍于A,B信號(hào)的脈沖信號(hào)QEP-CLK,而且還可以得到電機(jī)的轉(zhuǎn)向信號(hào)DIR,如圖1所示,這都是DSP內(nèi)部電路完成的功能。

圖1 QEP電路的輸入和輸出信號(hào)Fig.1 Input and output signals of the QEP circuit

3 傳統(tǒng)測(cè)速方法存在的問(wèn)題

通用定時(shí)器2(或通用定時(shí)器4)對(duì)QEPCLK進(jìn)行計(jì)數(shù),得到以脈沖個(gè)數(shù)表示的轉(zhuǎn)子角度信息,即轉(zhuǎn)子位置角。需要注意的是,這個(gè)角度是相對(duì)于Z信號(hào)出現(xiàn)的位置而言的,是增量角度。

某段時(shí)間ΔT內(nèi)轉(zhuǎn)子位置角的變化量 Δ θ除以這一段時(shí)間,即得到轉(zhuǎn)速[3]:

式中:m為在這段時(shí)間內(nèi)QEP-CLK的脈沖數(shù);Kθ為每個(gè)脈沖對(duì)應(yīng)的機(jī)械角度。

T法測(cè)速測(cè)量的是轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)過(guò)確定的Δ θ角所經(jīng)歷的時(shí)間ΔT,然后根據(jù)式(1)計(jì)算轉(zhuǎn)速。它不適用于定點(diǎn)DSP的測(cè)速,主要原因有2點(diǎn)。

1)ΔT是變化的,在計(jì)算轉(zhuǎn)速時(shí)必須采用除法,Ti C2000系列定點(diǎn)DSP中沒(méi)有除法指令,需調(diào)用虛擬浮點(diǎn)數(shù)學(xué)庫(kù)(IQmath.lib)中的除法函數(shù)[4],調(diào)用一次需要63個(gè)指令周期,而執(zhí)行一次16位乘法只需1個(gè)指令周期,所以計(jì)算量較大,計(jì)算時(shí)間較長(zhǎng)。

2)QEP電路得到的脈沖信號(hào)不是DSP的中斷源,而且Ti C2000定點(diǎn)DSP的中斷無(wú)法嵌套,無(wú)法準(zhǔn)確得到ΔT。

M法測(cè)速測(cè)量的是在確定的時(shí)間段ΔT內(nèi),轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)過(guò)的角度 Δ θ,然后根據(jù)式(1)計(jì)算轉(zhuǎn)速。其優(yōu)點(diǎn)是可用乘以1/ΔT取代除以ΔT,以節(jié)省DSP運(yùn)算時(shí)間。其不足是低速測(cè)量誤差較大,如需減少誤差,則要增加測(cè)速時(shí)間,這將影響高速下的動(dòng)態(tài)響應(yīng)。

可見,傳統(tǒng)的M法和T法測(cè)速均不適用于轉(zhuǎn)速變化較大的場(chǎng)合。M/T法測(cè)速[5]可在高速和低速下均能準(zhǔn)確測(cè)速。其基本思想是將M法和T法相結(jié)合,在確定的時(shí)間ΔT內(nèi),測(cè)得m個(gè)脈沖,第m+1個(gè)脈沖不完整,則對(duì)這個(gè)脈沖的不完整部分進(jìn)行計(jì)時(shí)為ΔT′,則轉(zhuǎn)速為

由式(2)可知,分母不是確定的,所以M/T法測(cè)速也不適合于定點(diǎn)DSP的測(cè)速,原因同T法測(cè)速一樣。

4 適合于定點(diǎn)DSP的測(cè)速方法

由上面的分析可知,T法和M/T法測(cè)速不適合于定點(diǎn)DSP測(cè)速。而傳統(tǒng)的M法測(cè)速則不能滿足在較大轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)高精度測(cè)速的需要,需對(duì)其進(jìn)行改進(jìn)。

在確定的ΔT的時(shí)間內(nèi),M法測(cè)速最多可能少計(jì)或多計(jì)2個(gè)脈沖。測(cè)速的最大絕對(duì)誤差為

所以,M法測(cè)速的絕對(duì)誤差取決于2個(gè)因素:一是光電編碼器的線數(shù),線數(shù)越多,Kθ越小,誤差越小;二是測(cè)速的時(shí)間間隔ΔT,ΔT越小,誤差越大。M法測(cè)速的最大絕對(duì)誤差與轉(zhuǎn)速的高低無(wú)關(guān)。提高光電編碼器的線數(shù)和增大ΔT,可減少絕對(duì)誤差。

設(shè)在ΔT時(shí)間內(nèi),計(jì)數(shù)器計(jì)得的脈沖數(shù)為m,則測(cè)速的最大相對(duì)誤差為轉(zhuǎn)速越高,m越大,最大相對(duì)誤差越小;反之,轉(zhuǎn)速越低,m越小,最大相對(duì)誤差越大。提高光電編碼器的線數(shù)和增大 ΔT,可以增大m,可減少相對(duì)誤差。

可見,在使用相同的光電編碼器的情況下,增大ΔT是提高測(cè)速精度的唯一方法。但增大ΔT必將影響動(dòng)態(tài)響應(yīng)。傳統(tǒng)的M法測(cè)速,因?yàn)棣是確定的,不能兼顧動(dòng)態(tài)響應(yīng)與測(cè)速精度,所以不適合轉(zhuǎn)速變化較大的場(chǎng)合,必須進(jìn)行改進(jìn)。本文提出了一種適合于定點(diǎn)DSP測(cè)速的新方法。

首先通過(guò)設(shè)定最短時(shí)間ΔTmin來(lái)限制絕對(duì)誤差。在ΔTmin內(nèi)不讀取m的數(shù)值,也不進(jìn)行轉(zhuǎn)速計(jì)算。其次通過(guò)設(shè)定脈沖數(shù)的下限值mmin來(lái)限制相對(duì)誤差。當(dāng)脈沖數(shù)小于mmin,不進(jìn)行轉(zhuǎn)速計(jì)算。通過(guò)這2個(gè)條件來(lái)限制最大絕對(duì)和相對(duì)誤差。

若在ΔTmin內(nèi),脈沖數(shù)已超過(guò)了設(shè)定的下限值mmin,則進(jìn)行轉(zhuǎn)速計(jì)算。如在 ΔTmin內(nèi),脈沖數(shù)小于設(shè)定的下限值mmin時(shí),則延長(zhǎng)計(jì)數(shù)時(shí)間為原來(lái)的2倍,如仍不能滿足,再增大計(jì)數(shù)時(shí)間2倍,依此類推,直至脈沖數(shù)大于mmin為止。此時(shí)計(jì)數(shù)的時(shí)間為

式中:n為延長(zhǎng)計(jì)數(shù)時(shí)間的次數(shù)。這樣轉(zhuǎn)速的計(jì)算公式為

式中:m和n為變量;其它的量都是常數(shù)。

在定點(diǎn)DSP的運(yùn)算中,除以2n可以用右移n位來(lái)實(shí)現(xiàn),不使用除法,減少計(jì)算量。

5 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

將所提出的測(cè)速方法用于以 TMS320F2812為控制核心的直驅(qū)式永磁同步風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)的最大功率追蹤控制中。在此系統(tǒng)中,發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)矩指令由轉(zhuǎn)速的結(jié)果進(jìn)行運(yùn)算得到[6],準(zhǔn)確測(cè)速非常重要。采用型號(hào)為OIH60-TS5246的光電編碼器,每轉(zhuǎn)輸出 8 192個(gè)脈沖,經(jīng) QEP電路 4倍頻后得到32 768個(gè)脈沖。部分實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖2和圖3所示。

圖2 不同轉(zhuǎn)速下DSP測(cè)速結(jié)果Fig.2 Speed measurement results in DSP under different conditions

圖2給出在不同轉(zhuǎn)速下,從DSP中讀出的格式為Q11的單位為r/s的測(cè)速結(jié)果。圖2a所示的是發(fā)電機(jī)實(shí)際轉(zhuǎn)速為29.086 r/min的測(cè)速結(jié)果,轉(zhuǎn)換成以r/min為單位的實(shí)際值是1 000÷211×60=29.297 r/min;圖 2b所示的是發(fā)電機(jī)實(shí)際轉(zhuǎn)速為149.584 r/min的測(cè)速結(jié)果,轉(zhuǎn)換成以r/min為單位的實(shí)際值是 5 118÷211×60=149.941 r/min。由此可見,DSP測(cè)速結(jié)果在不同的轉(zhuǎn)速下都有較高的測(cè)速精度。

圖3 風(fēng)速突變時(shí)并網(wǎng)電流的動(dòng)態(tài)響應(yīng)Fig.3 Phase current response to step change in wind speed

圖3給出了風(fēng)速由6m/s突變?yōu)? m/s然后再突變?yōu)? m/s這一過(guò)程中 A相并網(wǎng)電流的波形。由圖 3可以看出:風(fēng)速為6 m/s時(shí),并網(wǎng)電流的峰值約為5 A,風(fēng)速為8 m/s時(shí),并網(wǎng)電流約為12 A,在單位功率因數(shù)下,并網(wǎng)電流的幅值與系統(tǒng)向電網(wǎng)發(fā)出的功率成正比,所以,在2種風(fēng)速下向電網(wǎng)發(fā)出的功率之比為12/5=2.4。而在最大功率點(diǎn)處,風(fēng)力機(jī)的輸出功率與風(fēng)速的立方成正比[6],兩種風(fēng)速下風(fēng)力機(jī)的輸出功率之比為83÷63=2.37?？紤]到風(fēng)力機(jī)的輸出功率與系統(tǒng)的并網(wǎng)功率之間有各種損耗,這表明系統(tǒng)有良好的最大功率追蹤的動(dòng)靜態(tài)特性,也間接證明了測(cè)速方法的精確性。

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