高偉 王云龍 金勇

(南京理工大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院，江蘇 南京 210094)

0 引言

目前使用光電編碼器常用的測速方法有M法、T法以及M/T法。M法適用于高速測量場合，低速測量時，檢測誤差較大;T法適用于低速場合，高速測量時，檢測誤差大，并且更新速度太快，系統(tǒng)不停地計算更新轉(zhuǎn)速;M/T法可適用于測量高、低速場合，且具有較高的測量精度。光電編碼器在實際工作過程中，干擾和抖動總是客觀存在，忽視它們系統(tǒng)的將會計數(shù)錯誤，測量系統(tǒng)就無精度而言。本文在基于TMS320F28335對輸入A、B、Z相信號進(jìn)行輸入限制，濾除干擾，采用M/T法進(jìn)行測速，通過并口或串口輸出給控制機(jī)。

1 系統(tǒng)的硬件設(shè)計

本文采用的是長春禹衡光學(xué)有限公司的A-ZKD-13-200BM-G05LH光電編碼器。詳細(xì)參數(shù)為:電源電壓DC5 V;分辨率2 000 P/R;最大機(jī)械轉(zhuǎn)速為5 000 r/min。

TI公司的數(shù)字信號處理器TMS320F28335有增強(qiáng)型QEP接口，用于增量式光電編碼器測速。TMS320F28335所有IO口的電平均為3.3 VLVTTL電平，5 VTTL電平不能直接輸入到DSP的輸入口。如圖1所示，因此使用一片74LVC245A與光電編碼器A、B、Z相相連，并擴(kuò)展2路通用輸出I/O口和2個通用輸入I/O口，以便和上位機(jī)通訊的握手信號74LVC245A起到電平轉(zhuǎn)換和緩沖隔離的作用。外擴(kuò)16路輸出并口使用一片74LVTH16245A和5 V系統(tǒng)兼容。一片MAX3232外擴(kuò)一路串口和上位機(jī)進(jìn)行通訊［1］。

2 系統(tǒng)的軟件設(shè)計

理論上，光電編碼器的輸出波形如圖2.。在實際交流伺服系統(tǒng)中，存在著很強(qiáng)的電磁干擾以及光電編碼器本身的擾動，用示波器多次觀察A、B相脈沖，有很多很尖的干擾脈沖，時間持續(xù)很短，如圖3所示(為了便于觀看，圖為示意圖)，但DSP的IO口采樣周期更短。如果不進(jìn)行輸入信號處理，QEP是無法完成計數(shù)測速的，在實際系統(tǒng)中運行時，當(dāng)電機(jī)勻速運轉(zhuǎn)時，通過觀察口觀察正交方向標(biāo)志(正反轉(zhuǎn)的狀態(tài)標(biāo)志位)時高時低，即eQEP位置計數(shù)寄存器QPOSCNT時增時減，測速就沒有意義了。

本文所用的光電編碼器最大轉(zhuǎn)速為5000r/min，故A相輸出最大頻率為5 000×2 000/60=0.167 Mhz。通過對DSP的輸入限制寄存器進(jìn)行設(shè)置，使輸入信號需要先與SYSCLKOUT同步，然后在特定的周期進(jìn)行采樣。采樣周期是由A口控制寄存器GPACTRL寄存器的值決定的，本文設(shè)置為輸入限制寄存器QUALPRD2=10，信號的采樣次數(shù)可以是三個信號寬度或者是六個信號寬度，由輸入A口量化選擇寄存器GPAQSEL2確定。本文將QEP的輸入引腳的量化選擇寄存器GPAQSEL2設(shè)置為2，即輸入信號只有在6個被采樣的信號相同時才發(fā)生變化，如圖4所示(圖中量化寄存器 QUALPRD=1)［2］。

采樣頻率為1.5 MHz＞＞0.167 Mhz。故不會丟失信號。

M/T法測速原理如圖5所示［3］。使能1 ms周期中斷，使能eQEP邊沿捕獲模塊。當(dāng)周期中斷發(fā)生且捕獲鎖存模式QCLM為1時，則位置計數(shù)器GPOSCNT、捕獲計數(shù)器QCTMR的值分別鎖存到GPOSLAT和捕獲時間鎖存寄存器QCTMRLAT中;每當(dāng)捕獲到一個計數(shù)脈沖，則使單位位置溢出標(biāo)志置位，捕獲計數(shù)器QCTMR的值鎖存到捕獲周期寄存器QCPRD中。捕捉計數(shù)器QCTMR的最大計時周期為27.96 ms(0xFFFF×64/150 000 000)，當(dāng)轉(zhuǎn)速很小時，也需捕捉到一個脈沖，捕獲計數(shù)器QCTMR最多只能溢出一次，則最小轉(zhuǎn)速

圖1 系統(tǒng)原理圖

圖4 輸入限制時鐘周期

當(dāng)轉(zhuǎn)速很快時，測量周期略大于1 ms，能滿足一般伺服控制系統(tǒng)的實時性要求。

當(dāng)進(jìn)入周期中斷時，首先清除單元位置捕獲事件狀態(tài)標(biāo)志UPEVNT為1，然后等待單元位置捕獲事件再次發(fā)生將位置捕獲狀態(tài)標(biāo)志再次置位(即使等待時間大于1ms，周期中斷也不會發(fā)生，因為上次的周期中斷還沒有結(jié)束，中斷標(biāo)志位還沒有清除)，讀捕獲周期寄存器QCPRD值，如果捕獲計數(shù)器QCTMR沒有溢出即溢出標(biāo)志位COEF為0，則測量時間為

反之，測量時間

重新初始化位置計數(shù)器GPOSCNT和單位定時寄存器QUTMR，即軟件初始化位置計數(shù)器SWI=1，單位定時寄存器 QUTMR=0。如果計數(shù)方向標(biāo)志位COEF為0即反轉(zhuǎn)，則計數(shù)脈沖為

反之，計數(shù)脈沖為1

位置計數(shù)器QPOSCNT不可能下溢或上溢，只有轉(zhuǎn)速大于6 000 r/min才可能溢出，已超過光電編碼器的最大轉(zhuǎn)速。故轉(zhuǎn)速

周期中斷發(fā)生時，位置計數(shù)器GPOSCNT，捕捉計數(shù)器QCTMR是自動裝載到位置計數(shù)鎖存寄存器GPOSLAT和捕獲時間鎖存寄存器QCTMRLAT中，單元位置捕獲再次發(fā)生時，捕獲計數(shù)器QCTMR的值自動裝載到周期寄存器QCPRD中，故沒有進(jìn)中斷和讀計數(shù)寄存器值的時間消耗。理論上，在極端情況下，時間的檢測會產(chǎn)生±1個時鐘周期即為64/150 μs，在高速時最少的測量周期為1 ms，故速度的理論最大誤差為0.43‰。

程序流程圖如圖6，程序運行時，首先進(jìn)行系統(tǒng)、PIE控制寄存器、GPIO、SCI、eQEP等初始化，然后進(jìn)入for循環(huán)，判斷采用哪種方式輸出速度值，等待觸發(fā)中斷，實時更新速度值。

3 實驗結(jié)果

為了驗證測量方法的測量精度和響應(yīng)特性，搭建實驗平臺，采用美國Kollmorgen公司的交流伺服電機(jī)，最大轉(zhuǎn)速為3200 r/min，上位機(jī)通過DA輸出電壓值到伺服放大器(范圍-2.5 V～2.5 V)，以控制交流伺服電機(jī)轉(zhuǎn)速，光電編碼器裝在輸出軸的下一級上，在減速器輸出端裝有旋轉(zhuǎn)變壓器(16位)與光電編碼器所在級的傳動比為(100∶1)。上位機(jī)每10 ms更新一次電壓值，然后發(fā)出讀信號，測速板檢測到信號后通過并口發(fā)出轉(zhuǎn)速值，并向上位機(jī)發(fā)出可讀信號，上位機(jī)保存時間、輸出電壓值、旋轉(zhuǎn)變壓器的絕對位置值以及并口讀取的速度數(shù)據(jù)。如圖7所示，圖7(a)輸入電壓為幅值為2 V，周期為4 s的正弦波;圖 7(b)為 2.5 V的階躍信號;圖7(c)為輸入正弦電壓時測量轉(zhuǎn)速值，周期相同，幅值約為700的正弦波;圖7(d)為輸入階躍電壓時測量的轉(zhuǎn)速值;圖7(e)為輸入正弦電壓時根據(jù)旋轉(zhuǎn)變壓器兩次采樣位置值差計算出來的轉(zhuǎn)速值;圖7(f)為輸入階躍電壓時根據(jù)旋轉(zhuǎn)變壓器兩次采樣位置值差計算出來的轉(zhuǎn)速值。從圖中可以看出，根據(jù) M/T法測量出來的轉(zhuǎn)速和旋轉(zhuǎn)變壓器計算出來的轉(zhuǎn)速趨勢完全吻合，但更加平滑，測速效果明顯優(yōu)于旋轉(zhuǎn)變壓器根據(jù)位置計算出來的速度值。

圖7 測量結(jié)果圖

4 結(jié)束語

本文使用TMS320F28335的片上資源和光電編碼器可實現(xiàn)精確測量電機(jī)轉(zhuǎn)速，充分利用DSP的系統(tǒng)資源，發(fā)送速度數(shù)據(jù)，簡化系統(tǒng)軟硬件設(shè)計，如不需要硬件濾除噪聲、正交脈沖的鑒相電路以及倍頻電路，以及濾波程序，提高了系統(tǒng)的穩(wěn)定性和可靠性。采用M/T法測速，能保證在很寬的測速范圍的測量精度，在高速時，響應(yīng)時間快(略大于1ms)，能夠滿足一般的伺服系統(tǒng)的速度反饋要求。

［1］TMS320f28× × 和 TMS320f28× × × DSCs的硬件設(shè)計指南［R］.TEXAS INSTRUMENTS應(yīng)用報告，2008.

［2］TMS320×2833×，2823× System Control and Interrupts［S］.TEXAS INSTRUMENTS Reference Guide，2010.

［3］TMS320×2833×，2823× Enhanced Quadrature Encoder Pulse(eQEP)Module［S］.TEXAS INSTRUMENTS Reference Guide，2008.