徐偉，杜貴平，張波

（華南理工大學(xué) 電力學(xué)院，廣東 廣州510640）

1 引言

目前，高性能的電機(jī)車交流傳動系統(tǒng)均引入了轉(zhuǎn)速閉環(huán)控制，采用增量式光電編碼器進(jìn)行轉(zhuǎn)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(jī)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(yīng)用之前，普遍采用單片機(jī)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(jī)的負(fù)擔(dān)，而且速度快，但這無疑使系統(tǒng)更加復(fù)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(jìn)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(jìn)行數(shù)字濾波和抗干擾算法設(shè)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(jìn)型轉(zhuǎn)差頻率控制系統(tǒng)，研究了測速誤差及機(jī)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(jìn)行轉(zhuǎn)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(jìn)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(zhuǎn)速。 假設(shè)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(jī)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(zhuǎn)速的測算。

T 法指在每個脈沖周期內(nèi)計取標(biāo)準(zhǔn)高頻時鐘脈沖的個數(shù)，根據(jù)高頻脈沖個數(shù)計算轉(zhuǎn)速。設(shè)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(zhuǎn)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(jī)轉(zhuǎn)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(jié)果。

M 法和T 法各有其應(yīng)用的范圍，取長補(bǔ)短，則有學(xué)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(bǔ)充。 在時間Tc內(nèi)計取光電編碼器的脈沖個數(shù)和標(biāo)準(zhǔn)高頻脈沖個數(shù)，在Tc結(jié)束后，計取ΔT 時間內(nèi)的標(biāo)準(zhǔn)高頻脈沖個數(shù)，其中，ΔT 是Tc結(jié)束到光電脈沖下一個上升沿的時間。 假設(shè)在這段時間內(nèi)，電機(jī)轉(zhuǎn)過的角度為D，則轉(zhuǎn)速應(yīng)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(yīng)用，但該方法依賴于ΔT，在硬件配置方面有一定的復(fù)雜度，需要檢測脈沖邊沿，加大了硬件的設(shè)計難度。

由于工藝精度的限制，光電編碼器本身存在機(jī)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(zhuǎn)一周的時間相同，因此機(jī)械誤差可以消除。 以P 標(biāo)記碼盤旋轉(zhuǎn)一周所用的時間，此時間可由M/T 法測出，則轉(zhuǎn)速可表示為

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

文獻(xiàn)[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(dāng)參考轉(zhuǎn)速與實測轉(zhuǎn)速相差較大時，利用M／T 法可達(dá)到快速響應(yīng)的目的；而SR 法用于微調(diào)，因為它不存在機(jī)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(yīng)用SR 法可進(jìn)一步縮減誤差，使測量結(jié)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(yīng)之間取得平衡，但該方法同時綜合了多種方法，使得程序設(shè)計困難，并且加大了硬件電路的復(fù)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(jié)果的精確度而言，M法和T 法各有應(yīng)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(yīng)用較為廣泛；SR 法及其改進(jìn)的MT／SR法雖然能夠消除機(jī)械誤差，但前者響應(yīng)慢，后者實現(xiàn)復(fù)雜，具體應(yīng)用較少。

3 改進(jìn)型轉(zhuǎn)差頻率控制系統(tǒng)的轉(zhuǎn)速檢測仿真研究

改進(jìn)型轉(zhuǎn)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(zhuǎn)速與實際轉(zhuǎn)速相差較大時，限制轉(zhuǎn)差頻率輸出為3～4 Hz，可以獲得最大啟動轉(zhuǎn)矩，而且在運(yùn)行過程中也保持了對轉(zhuǎn)差頻率的控制，因此系統(tǒng)具備最大的輸出轉(zhuǎn)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(shè) 計[8]。

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

圖1 隨機(jī)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(jié)果比較1Fig.2 Comparison chart 1 of speed result

可見，在加入隨機(jī)加性噪聲幅值與轉(zhuǎn)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(yīng)性能并沒有太大的影響，只在降速段稍有延遲。 表明最大轉(zhuǎn)矩控制能夠容許較大的測速誤差，具有較好的自適應(yīng)特性和穩(wěn)健性。

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

圖3 測速結(jié)果比較2Fig.3 Comparison chart 2 of speed result

可見，機(jī)械誤差會影響系統(tǒng)的動態(tài)響應(yīng)速度，使得轉(zhuǎn)速相比于理想測速情況下對參考轉(zhuǎn)速的跟蹤有所延遲。 顯然，隨著機(jī)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(jī)械誤差較小的編碼盤以盡量消除機(jī)械誤差的影響。 另外，由于機(jī)械誤差是由編碼盤的機(jī)械原因引起的，其影響一般是固定且可預(yù)測的，可通過對測速值的固定補(bǔ)償來減少機(jī)械誤差的影響。

最后，對改進(jìn)轉(zhuǎn)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(jìn)行了仿真對比，結(jié)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(zhuǎn)速以及到達(dá)給定轉(zhuǎn)速所用的時間組成。 從數(shù)據(jù)可看出，最大轉(zhuǎn)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(jié)構(gòu)簡單、易于實現(xiàn)，具有良好的應(yīng)用前景。

4 基于dsPIC30F 的轉(zhuǎn)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(guān)引腳。

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

本文結(jié)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(jié)構(gòu)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(guān)寄存器的值及方向標(biāo)志位。 如果電機(jī)正轉(zhuǎn)，則計數(shù)值遞增變化，如果電機(jī)反轉(zhuǎn)，則情況相反。 計數(shù)值到達(dá)最大值后清零，但由于在芯片內(nèi)部采用補(bǔ)碼的形式進(jìn)行計算，因而不影響計算值，可直接作減法運(yùn)算。

如果在100 ms 內(nèi)檢測到電機(jī)的轉(zhuǎn)向相反，可以認(rèn)為電機(jī)轉(zhuǎn)速為零，因為電機(jī)轉(zhuǎn)速在反向的過程中必然經(jīng)過零點。 當(dāng)計算得到的轉(zhuǎn)速值過高時，可以認(rèn)為轉(zhuǎn)速檢測和計算出現(xiàn)誤差，轉(zhuǎn)速檢測值不更新。 在每次轉(zhuǎn)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(jié)果。 為了加強(qiáng)計算結(jié)果的精確度，將數(shù)值擴(kuò)展為32 位整數(shù)精度，擴(kuò)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(yùn)算達(dá)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(yīng)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(zhuǎn)過一個間隙，即達(dá)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(dāng)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(jié)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(zhuǎn)速檢測誤差、 轉(zhuǎn)矩沖擊小等特點，按照上節(jié)提出的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖，測速方法使用M 法，搭建了實驗平臺。我們觀察了電機(jī)升速和降速的電流波形。其中圖7表示設(shè)定參考頻率50 Hz，開機(jī)后定子電流的變化波形，圖8表示在50 Hz 穩(wěn)定運(yùn)行中關(guān)機(jī)后的定子電流波形。 可以看出升降速過程較快，且過程中，轉(zhuǎn)矩穩(wěn)定（表現(xiàn)為電流幅值變化穩(wěn)定），則轉(zhuǎn)速穩(wěn)定升降，不存在轉(zhuǎn)矩沖擊（表現(xiàn)為電流幅值不存在突變）。

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

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

6 結(jié)論

本文研究了帶光電編碼器的電機(jī)車改進(jìn)型轉(zhuǎn)差頻率控制系統(tǒng)。 通過仿真，分析了編碼器轉(zhuǎn)速測量誤差及機(jī)械誤差對系統(tǒng)性能的影響，仿真結(jié)果表明，系統(tǒng)具有較大的轉(zhuǎn)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(jié)果表明，在電機(jī)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(zhuǎn)矩穩(wěn)定，轉(zhuǎn)速平穩(wěn)變化。 所以，本文在理論研究的基礎(chǔ)上，針對改進(jìn)型轉(zhuǎn)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(yīng)用前景。

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