徐偉，杜貴平，張波

（華南理工大學 電力學院，廣東 廣州510640）

1 引言

目前，高性能的電機車交流傳動系統(tǒng)均引入了轉速閉環(huán)控制，采用增量式光電編碼器進行轉速檢測是最為常用的方法。 然而，光電編碼器存在的檢測誤差及其本身的機械誤差會影響控制系統(tǒng)的穩(wěn)定性和控制性能，因此有必要深入研究。

對光電編碼器輸出脈沖的鑒相和計數(shù)可以使用軟件和硬件兩種方法實現(xiàn)。 在數(shù)字信號處理器（DSP）廣泛應用之前，普遍采用單片機加外圍硬件計數(shù)電路的方法實現(xiàn)[1-2]，使用獨立的硬件計數(shù)電路可以減輕單片機的負擔，而且速度快，但這無疑使系統(tǒng)更加復雜，同時降低了可靠性。

隨著DSP 的發(fā)展，逐漸開始使用軟件方法進行鑒相和計數(shù)[3]，省去了附加的硬件處理電路，而且由于DSP 的高速特性，速度檢測的實時性也可以保證。 另外，可以方便地對光電編碼器輸出的脈沖進行數(shù)字濾波和抗干擾算法設計。

本文分析了現(xiàn)有測速方法的原理及其各自的優(yōu)缺點，并采用改進型轉差頻率控制系統(tǒng)，研究了測速誤差及機械誤差對系統(tǒng)控制性能的影響，提出了一種利用dsPIC30F 控制器進行轉速控制的可行方案。

2 常見測速方法分析與比較

利用增量式光電編碼器測速的方法有很多種，最常見的是M 法（頻率法）和T 法（周期法），另外還有改進后的M／T 法、SR 法、MT／SR法[4－7]。

M 法是指在一定的時間內(nèi)計取脈沖個數(shù)，通過差值求取轉速。 假設編碼器的線數(shù) （分辨率）為L，相隔Tc時間的脈沖計數(shù)值分別為M（i+1）和M（i），則第i+1 次測得電機的速度可表示為

M 法的特點是簡單易實現(xiàn)，但在低速時，由于編碼器產(chǎn)生的脈沖數(shù)減少，計數(shù)值產(chǎn)生的誤差影響作用增大，影響轉速的測算。

T 法指在每個脈沖周期內(nèi)計取標準高頻時鐘脈沖的個數(shù)，根據(jù)高頻脈沖個數(shù)計算轉速。設在光電編碼器2 個相鄰脈沖周期內(nèi)記取的高頻脈沖個數(shù)分別為T（i）和T（i+1），高頻脈沖的頻率為fh，P 為每轉產(chǎn)生的脈沖數(shù)，考慮與上面相同的情況下，則第i+1 次測得的電機轉速可表示為

相比于M 法，T 法更適用于低速情況。 在高速時，由于光電編碼器的單個脈沖周期很短，在此周期內(nèi)計取高頻脈沖個數(shù)的誤差較大，影響測速結果。

M 法和T 法各有其應用的范圍，取長補短，則有學者提出了M/T 法。 在高速段，利用M法測速，低速段則用T 法，互為補充。 在時間Tc內(nèi)計取光電編碼器的脈沖個數(shù)和標準高頻脈沖個數(shù)，在Tc結束后，計取ΔT 時間內(nèi)的標準高頻脈沖個數(shù)，其中，ΔT 是Tc結束到光電脈沖下一個上升沿的時間。 假設在這段時間內(nèi)，電機轉過的角度為D，則轉速應表示為

而由前面的分析，可知

代入上式可得到第i+1 次的速度檢測值為

M/T 在實際中得到較廣泛的應用，但該方法依賴于ΔT，在硬件配置方面有一定的復雜度，需要檢測脈沖邊沿，加大了硬件的設計難度。

由于工藝精度的限制，光電編碼器本身存在機械誤差。 SR 法是一種新的檢測方法，其每一次讀取計數(shù)的周期與光電碼盤旋轉一周的時間相同，因此機械誤差可以消除。 以P 標記碼盤旋轉一周所用的時間，此時間可由M/T 法測出，則轉速可表示為

SR 法消除了機械誤差對檢測結果的影響，但該方法需要等待碼盤旋轉一周的時間，才對轉速進行更新，在低速時無法快速響應，實時性較差，將對運動控制的精度產(chǎn)生影響。

文獻[8]提出一種新的方法，稱為MT／SR法。 該方法綜合上面的M／T 法和SR 法，利用對誤差大小的判斷選擇不同的速度檢測方法。其中，M／T 法用于粗調(diào)，當參考轉速與實測轉速相差較大時，利用M／T 法可達到快速響應的目的；而SR 法用于微調(diào)，因為它不存在機械誤差的影響，檢測精度高，在檢測速度已接近實際速度時，應用SR 法可進一步縮減誤差，使測量結果更精確。

MT／SR 法從理論上具備M／T 法和SR 法的優(yōu)點，在精確度與快速響應之間取得平衡，但該方法同時綜合了多種方法，使得程序設計困難，并且加大了硬件電路的復雜度。 另外，對于兩種算法切換臨界點的選取也值得研究，在具體實現(xiàn)中有一定的困難。

上述5 種方法，從實現(xiàn)的難易程度而言，M法最為簡單，無需引入高頻脈沖計數(shù)以及額外的邊沿處理硬件電路；從結果的精確度而言，M法和T 法各有應用的范圍，在各自范圍內(nèi)均有較好的效果，M／T 法由于綜合了M 法和T 法的特點，應用較為廣泛；SR 法及其改進的MT／SR法雖然能夠消除機械誤差，但前者響應慢，后者實現(xiàn)復雜，具體應用較少。

3 改進型轉差頻率控制系統(tǒng)的轉速檢測仿真研究

改進型轉差頻率控制舍棄了參數(shù)難以整定的PI 環(huán)節(jié)，在給定轉速與實際轉速相差較大時，限制轉差頻率輸出為3～4 Hz，可以獲得最大啟動轉矩，而且在運行過程中也保持了對轉差頻率的控制，因此系統(tǒng)具備最大的輸出轉矩。 利用恒壓頻比控制中保持磁通恒定的方法，而不必引入電流變化曲線，簡化了程序設 計[8]。

為了驗證測速誤差及機械誤差對系統(tǒng)控制性能的影響，在已構造系統(tǒng)仿真模型的基礎上，對測速值加入隨機加性噪聲，模擬測速誤差。 圖1表示在加隨機加性噪聲情況下，系統(tǒng)檢測到的速度情況。 控制結果如圖2所示，其中參考轉速按階梯狀變化，負載為空載，最高轉速不超過50 Hz，加性噪聲的最大幅值為實際轉速的10%。

圖1 隨機加性噪聲下速度檢測值變化曲線Fig.1 Speed change curve with random additive noise

圖2 測速結果比較1Fig.2 Comparison chart 1 of speed result

可見，在加入隨機加性噪聲幅值與轉速幅值比為10%（誤差較大）的情況下，系統(tǒng)仍具有較好的控制性能，與不帶噪聲的情況相比，系統(tǒng)的動態(tài)響應性能并沒有太大的影響，只在降速段稍有延遲。 表明最大轉矩控制能夠容許較大的測速誤差，具有較好的自適應特性和穩(wěn)健性。

繼續(xù)考察編碼器機械誤差對系統(tǒng)的影響，假設編碼器存在機械誤差，造成測量值總大于實際值，為了便于仿真，假設測量值偏離實際值的誤差與實際值的比例恒定，設為5%。 系統(tǒng)響應曲線如圖3所示。

圖3 測速結果比較2Fig.3 Comparison chart 2 of speed result

可見，機械誤差會影響系統(tǒng)的動態(tài)響應速度，使得轉速相比于理想測速情況下對參考轉速的跟蹤有所延遲。 顯然，隨著機械誤差的增大，延遲加大，系統(tǒng)的動態(tài)性能變差。 但一般情況下可通過選取機械誤差較小的編碼盤以盡量消除機械誤差的影響。 另外，由于機械誤差是由編碼盤的機械原因引起的，其影響一般是固定且可預測的，可通過對測速值的固定補償來減少機械誤差的影響。

最后，對改進轉差頻率控制系統(tǒng)和矢量控制系統(tǒng)的調(diào)速精度和啟動時間進行了仿真對比，結果如表1所示。

表1 調(diào)速精度及啟動時間的仿真對比Tab.1 Simulation contrast of speed precision and start time

表1中數(shù)據(jù)由最終獲得的轉速以及到達給定轉速所用的時間組成。 從數(shù)據(jù)可看出，最大轉差控制系統(tǒng)的調(diào)速精度已十分接近矢量控制，并且具有比矢量控制更快的啟動時間以及加速時間，且系統(tǒng)結構簡單、易于實現(xiàn)，具有良好的應用前景。

4 基于dsPIC30F 的轉速檢測實現(xiàn)方法

dsPIC30F 系列芯片內(nèi)置了QEI （正交編碼接口）模塊，可方便地與光電編碼器連接。 圖4為其連接原理圖，其中Sa，Sb 接DSP 的QEI 相關引腳。

圖4 QEI 模塊原理圖Fig.4 Principle diagram of QEI module

本文結合dsPIC30F 的QEI 模塊，選擇M測速法，給出了一種具體的實現(xiàn)方案，圖5、圖6分別為系統(tǒng)框圖和程序流程圖。

圖5 系統(tǒng)結構圖Fig.5 System structure

圖6 程序流程圖Fig.6 Program flow chart

速度檢測及計算程序每100 ms 執(zhí)行一次，程序的開頭讀取相關寄存器的值及方向標志位。 如果電機正轉，則計數(shù)值遞增變化，如果電機反轉，則情況相反。 計數(shù)值到達最大值后清零，但由于在芯片內(nèi)部采用補碼的形式進行計算，因而不影響計算值，可直接作減法運算。

如果在100 ms 內(nèi)檢測到電機的轉向相反，可以認為電機轉速為零，因為電機轉速在反向的過程中必然經(jīng)過零點。 當計算得到的轉速值過高時，可以認為轉速檢測和計算出現(xiàn)誤差，轉速檢測值不更新。 在每次轉速計算完成后，均要保存本次檢測到寄存器的值，以便下次比較使用，該備份值初始化為零值。

在數(shù)據(jù)的處理上，統(tǒng)一采用整數(shù)形式，由于芯片處理上采用整除，會將小數(shù)截除，影響處理結果。 為了加強計算結果的精確度，將數(shù)值擴展為32 位整數(shù)精度，擴展以乘上常數(shù)1 000處理，利用雙字節(jié)與字節(jié)的除法運算達到等效保存小數(shù)位的目的。

以實際采用的編碼器分辨率為600 線為例，在×4 模式下，圖6計算Speed 的公式中分母為2 400，由于采用了×4 模式，兩次寄存器值之差應至少為3 才能確保編碼器A 相的整個脈沖通過，表明編碼器至少轉過一個間隙，即達到編碼盤的最小測速分辨率。 將差值乘以1 000才能夠保證當差值小于3 時，該乘積值與分母2 400 的整除值為0，不會產(chǎn)生誤計算值。

5 實驗結果

為了驗證本文控制方案調(diào)速過程平穩(wěn)、能容許較大的轉速檢測誤差、 轉矩沖擊小等特點，按照上節(jié)提出的系統(tǒng)結構圖，測速方法使用M 法，搭建了實驗平臺。我們觀察了電機升速和降速的電流波形。其中圖7表示設定參考頻率50 Hz，開機后定子電流的變化波形，圖8表示在50 Hz 穩(wěn)定運行中關機后的定子電流波形。 可以看出升降速過程較快，且過程中，轉矩穩(wěn)定（表現(xiàn)為電流幅值變化穩(wěn)定），則轉速穩(wěn)定升降，不存在轉矩沖擊（表現(xiàn)為電流幅值不存在突變）。

圖7 電機升速過程定子電流波形Fig.7 Stator current waveform of speed up

圖8 電機降速過程定子電流波形Fig.8 Stator current waveform of motor speed down

6 結論

本文研究了帶光電編碼器的電機車改進型轉差頻率控制系統(tǒng)。 通過仿真，分析了編碼器轉速測量誤差及機械誤差對系統(tǒng)性能的影響，仿真結果表明，系統(tǒng)具有較大的轉速誤差容許度與矢量控制相近的調(diào)速精度，但啟動時間更快。 采用dsPIC30F 控制芯片，給出了系統(tǒng)實現(xiàn)方案，并搭建了實驗平臺。 實驗結果表明，在電機升降速過程中，定子電流平穩(wěn)變化，不存在突變，由此可以知道系統(tǒng)轉矩穩(wěn)定，轉速平穩(wěn)變化。 所以，本文在理論研究的基礎上，針對改進型轉差頻率控制系統(tǒng)，提出的測速方法及實現(xiàn)方案簡單可靠，穩(wěn)定可行，具有良好的應用前景。

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