李 勇，潘松峰

（青島大學(xué) 自動化與電氣工程學(xué)院，青島 266071）

0 引言

電機是各種自動化設(shè)備中的主要組成部分，對電機轉(zhuǎn)速的精確、快速的測量是衡量一個系統(tǒng)好壞的重要指標(biāo)。尤其在工業(yè)生產(chǎn)中，精確的測量點擊轉(zhuǎn)速可以安全有效的對機械設(shè)備進行故障預(yù)防，增加系統(tǒng)的安全性，減小設(shè)備的維護成本。

因此，設(shè)計一個高精度，款范圍且可靠性高的電機轉(zhuǎn)速表，在各種生產(chǎn)設(shè)備中顯得尤為重要。本文利用光電碼盤，結(jié)合DSP芯片設(shè)計了一款寬范圍高精度的測速表。

1 測速表硬件組成

測速表的硬件組成示意圖如圖1所示。

圖1 測速表示意圖

其中主要硬件包括兩部分：光電碼盤和DSP芯片。

1.1 光電編碼器

光電編碼器是被廣泛使用于電機測量。碼盤旋轉(zhuǎn)時，一對光感應(yīng)器件輸出的信號和另外一對光感應(yīng)器件輸出的信號的相位相差90°，這就是通常所說的正交信號QEPA和QEPB。根據(jù)相位情況可以判定碼盤的旋轉(zhuǎn)方向。在實際應(yīng)用中，常常定義為QEPA比QEPB相位超前90°到來時，電機轉(zhuǎn)向為順時針方向。當(dāng)電機正轉(zhuǎn)時，光電編碼器輸出的波形如圖2所示。

1.2 DSP芯片

作為C2000系列一款典型的控制芯片，TMS320F28335芯片將常用的轉(zhuǎn)速測量電路集成于芯片內(nèi)部，組成了增強型正交編碼模塊eQEP。當(dāng)工作在正交計數(shù)模式下，正交解碼單元可對正交信號進行4倍頻處理，為位置計數(shù)器寄存器的計數(shù)提供時鐘頻率。例如，一個2000線的編碼器旋轉(zhuǎn)一周時，會輸出8000個計數(shù)脈沖。同時還會通過判定正交信號的先后順序來確定電機的轉(zhuǎn)向。

該模塊內(nèi)的捕獲單元可以根據(jù)系統(tǒng)時鐘分頻后工作，為變M/T法提供時間的計算，分頻可以通過設(shè)置相應(yīng)的寄存器來設(shè)置。

2 變M/T法測速原理

應(yīng)用光電碼盤測速時，常見的方法主要有四種，分別是M法，T法，M/T法和變M/T法。本次設(shè)計是采用的變M/T法，在此之前，先簡單介紹一下其他三種原理。

M法又稱之為測頻法，其原理是先設(shè)定一定的時間，然后在這段時間TC內(nèi)，對光電碼盤輸出的信號的個數(shù)進行計數(shù)。在測量過程中，計取的脈沖數(shù)M1不一定正好是整數(shù)，M1可能存在±1的誤差。計取的M1的值越大，所得的誤差越小，因此M法適用于高速轉(zhuǎn)速的測量。

T法又稱之為測周法，此測量原理是在一個脈沖周期內(nèi)對高頻脈沖數(shù)進行計數(shù)。為了減小誤差，計得的高頻脈沖M2應(yīng)盡量大，因此T法測量適用于低速測量。

M/T法是將M法和T法兩種方法結(jié)合起來，即在一定的時間范圍TC內(nèi)，計取光電碼盤輸出的脈沖數(shù)M1的同時，也對高頻脈沖M2進行計數(shù)。TC時間到來后，再計取ΔT時間內(nèi)的高頻脈沖數(shù)m，ΔT是時間TC結(jié)束后到碼盤信號下一個脈沖上升沿的時間間隔，如圖3所示。則電機的轉(zhuǎn)速：

M/T能夠適用于較廣的測量范圍，測量精度也相對較高，但這種方法的缺點是，測量精度取決于ΔT的測取。測取的過程較為復(fù)雜，針對這個缺點，本文采用了變M/T的測速方法。

圖3 M/T法測速原理

變M/T法的原理在電機轉(zhuǎn)速測量的過程中，測量時間TC并不是一成不變的，而是根據(jù)當(dāng)前的電機轉(zhuǎn)速的大小來調(diào)節(jié)TC的大小。即測取得光電碼盤脈沖數(shù)M1和高頻脈沖數(shù)M2都是變化的。時間TC在測量的過程始終等于M1個脈沖的周期之和，如圖2所示。其中時間TC的大小由已知的高頻脈沖數(shù)M2來計算，即法方法TC=M2/f0，速度公式為：

圖4 變M/T法測速原理

當(dāng)電機轉(zhuǎn)速較低時，可以減下時間TC來彌補M/T法在低速檢測時誤差較大的缺點。同時也不需要測取M/T法中的ΔTT，其性能均等于或超過M法和T法。

3 精度分析

式(1)中，f0是eQEP模塊內(nèi)的高頻時鐘頻率，N是光電編碼器旋轉(zhuǎn)一周后輸出的脈沖個數(shù)。此次設(shè)計的測速表多用的編碼器為2000線，即N=2000。在測量時間TC內(nèi)，式(1)中的M1始終是一個整數(shù)，不存在M法中的±1個脈沖的誤差，只有高頻脈沖會存在±1個脈沖的誤差。

即誤差公式：

相對誤差：

顯然檢測誤差只與M2的大小有關(guān)且成反比。由M2=TC.f0知，增大高頻時鐘頻率f0和增大允許測量時間TC可以減小檢測誤差。

4 參數(shù)設(shè)置

TMS320F28335芯片eQEP模塊內(nèi)含邊沿捕獲單元，可以通過設(shè)置該單元寄存器中的值來改變高頻時鐘頻率f0。由式(4)可知，M2的數(shù)值越大，即時鐘頻率越高，所得到的速度誤差越小?？紤]到時鐘計數(shù)寄存器為16位寄存器（即最大值為65535）。故TC時間一定的情況下，f0盡可能大的前提是該計數(shù)器沒有發(fā)生溢出。本測量TC的最大值大約在10ms左右，故設(shè)置為32頻，可使得時鐘計數(shù)器的值盡可能大（為46875）且不溢出。

下面推導(dǎo)M1的選取：

改變測量時間的大小是通過設(shè)置不同的M2的值來實現(xiàn)的，其中N為編碼器的線數(shù)，N=2000，測量時間公式為：

由式(5)可得：

同時，為保證測量誤差在萬分之一以內(nèi)，則M2的值必須大于10000，測量時間需有一個下限值，即f0.t≥M2=10000，可得測量時間需t≥2.2ms。

又由2.2ms≤t≤10ms可得M1與轉(zhuǎn)速r的關(guān)系為：

由式(7)針對不同的轉(zhuǎn)速范圍，設(shè)定不同的M1，具體如下：

速度在0～40r/min時，M1=12；40～160r/min時，M1=50；160～600r/min時，M1=200；600～1500r/min時，M1=500；1500～5000r/min時，M1=1800；5000～20000r/min時，M1=6400。

當(dāng)確定高頻時鐘頻率后，測量時間TC的選?。碝1的選取）是根據(jù)當(dāng)前電機的轉(zhuǎn)速范圍而定，當(dāng)電機轉(zhuǎn)速較高時，為減小誤差可將M1取的較大，相當(dāng)于M法；當(dāng)電機轉(zhuǎn)速較低時，考慮到快速響應(yīng)的問題，可以將M1的值取的較小，相當(dāng)于T法。

5 軟件程序設(shè)計

流程圖說明：

當(dāng)轉(zhuǎn)速表接到電機軸上時，由于無法確定當(dāng)前速度的范圍，故需要粗測一次速度值來確定具體的M1。此時，可允許測量的時間較長，可令M1=6400，然后根據(jù)式(2)粗測一次速度。然后再根據(jù)粗測速度所在的速度范圍確定相應(yīng)的M1的值，然后再高精度的測量。

變M/T法實現(xiàn)的前提是，測量時間等、始終等于碼盤脈沖數(shù)M1。即在正交信號的上升沿或下降沿到來時，開啟位置計數(shù)器（QPOSCNT）和捕獲定時寄存器（QCTMR）?？梢酝ㄟ^設(shè)置相應(yīng)的外圍硬件加以實現(xiàn)，由于指令執(zhí)行周期短，也可以設(shè)置相應(yīng)的軟件程序來實現(xiàn)。程序處理如下：開啟兩個計數(shù)器之后，當(dāng)位置計數(shù)器增加到1的時候，將捕獲時鐘寄存器清零。做到位置計數(shù)器，高頻時鐘時鐘和正交信號三者同步。

程序流程圖如圖5所示。

圖5 程序流程圖

6 測量結(jié)果

測量所得數(shù)據(jù)如表1所示。

表1 測量結(jié)果表

從實際測量的數(shù)據(jù)來看，DSP結(jié)合光電碼盤所設(shè)計的測速表滿足萬分之一的測量的精度要求。若要進一步減小誤差，提高測量精度，可適當(dāng)減小分頻數(shù)，提高時鐘頻率；或者增加速度段，增大M1的值，來增大測量時間。

7 結(jié)束語

此測速表的設(shè)計采用變M/T法，從理論上推導(dǎo)了，為達到萬分一的誤差精度以及一定的響應(yīng)時間所需要的M1的值，并且用測量數(shù)據(jù)驗證了該方法的可行性。同時也高效利用了DSP芯片中可編程的高頻脈沖的特性。讀者可根據(jù)自己所需要的測量精度和響應(yīng)時間對M1的取值做出相應(yīng)的修改。對程序加以修改，也可以用于伺服系統(tǒng)速度反饋環(huán)的設(shè)計。

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