朱亞光馮國勝李婭君韓超李先河

（1.石家莊鐵道大學(xué)；2.河北省節(jié)水灌溉設(shè)備質(zhì)量監(jiān)督檢驗(yàn)站）

在電動汽車中電動機(jī)的轉(zhuǎn)速常常作為反饋量在控制系統(tǒng)中起著重要的作用，也是駕駛?cè)藛T觀察電動汽車運(yùn)行狀態(tài)的重要依據(jù)之一。在當(dāng)前的電動機(jī)轉(zhuǎn)速測量方法中，有微電動機(jī)測速法、離心式轉(zhuǎn)速表法及霍爾元件測速法等。微電動機(jī)測速和離心式轉(zhuǎn)速表測速2種方法有現(xiàn)成的測速儀器，但測速電動機(jī)和測速表都要與被測電動機(jī)的軸連接，既增加安裝難度，也消耗電動機(jī)一部分能量，因此，2種測速方法都不可取。光電編碼器測速和霍爾元件的測速方法相似，都是在電動機(jī)轉(zhuǎn)軸上安裝傳感器，將軸的轉(zhuǎn)動信號轉(zhuǎn)化為脈沖信號，通過計(jì)算脈沖信號的個(gè)數(shù)來計(jì)算轉(zhuǎn)速。光電編碼器具有線性度好、精度高及體積小等特點(diǎn)，是目前應(yīng)用廣泛的測速工具之一。為了實(shí)現(xiàn)電動機(jī)轉(zhuǎn)速的快速及準(zhǔn)確的測量，文章通過DSP56F8346開發(fā)板對編碼器進(jìn)行計(jì)數(shù)，然后通過新的編程方式在保證測量精度的情況下，擴(kuò)大了電動機(jī)轉(zhuǎn)速的測量范圍，并通過DSP和上位機(jī)的通信實(shí)現(xiàn)了電動機(jī)轉(zhuǎn)速數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)監(jiān)測和存儲[1]。該測量系統(tǒng)具有精度高、范圍廣的特點(diǎn)，為電動機(jī)轉(zhuǎn)速測量提供了有效的測量手段。

1 測速原理

目前，電動機(jī)轉(zhuǎn)速光電編碼器的測速常用方法有3種，即測周期法（T法）、測頻法（M法）及將以上2種方法結(jié)合起來的測頻率周期法（M/T法）。T法主要是檢測2個(gè)邊沿信號的時(shí)間，在低速范圍的速度檢測中比較適用；M法主要是在一個(gè)固定的時(shí)間內(nèi)檢測正交脈沖信號的個(gè)數(shù)，適用于高速測量，但測量的速度降低時(shí)，誤差也隨即增大；M/T法是計(jì)算一定時(shí)間內(nèi)脈沖的個(gè)數(shù)和該時(shí)間內(nèi)第1個(gè)脈沖和最后1個(gè)脈沖的時(shí)間值，然后通過計(jì)算得到轉(zhuǎn)速值，此法檢測轉(zhuǎn)速范圍廣，測量精度比較高。圖1示出M/T法測速原理。光電編碼器主要由光柵盤和光電檢測裝置組成。由于光柵盤與電動機(jī)同軸，電動機(jī)旋轉(zhuǎn)時(shí)，光柵盤與電動機(jī)同速旋轉(zhuǎn)，經(jīng)發(fā)光二極管等電子元件組成的檢測裝置檢測輸出若干脈沖信號，通過計(jì)算每秒光電編碼器輸出脈沖的個(gè)數(shù)就能反映當(dāng)前電動機(jī)的轉(zhuǎn)速[2]。

圖1 測頻率周期法（M/T法）測速原理圖

電動機(jī)中的編碼器信號由定時(shí)器（TIMERA）的1和2引腳輸入2路正交編碼脈沖，當(dāng)正交編碼脈沖電路測量這2路的正交編碼脈沖信號進(jìn)行計(jì)數(shù)時(shí)，無論是檢測到下降沿還是上升沿，都會產(chǎn)生一個(gè)時(shí)鐘脈沖對TIMERA進(jìn)行計(jì)數(shù)?？梢酝ㄟ^定時(shí)器每隔一定時(shí)間（t）讀取TIMERA的值，然后將讀取到的值保存下來并用于下一時(shí)刻的計(jì)算，如：t1時(shí)刻讀取的TIMERA值為K1，t1+t時(shí)刻讀取到的TIMERA值為K2。那么在時(shí)間為t的時(shí)間間隔內(nèi)，讀取到TIMERA的脈沖個(gè)數(shù)為K2-K1。因此，電動機(jī)轉(zhuǎn)速（n）的計(jì)算，如式（1）所示。

式中：n——電動機(jī)的轉(zhuǎn)速，r/s；

K1——t時(shí)刻讀取的TIMERA值，個(gè)；

K2——t1+t時(shí)刻讀取的TIMERA值，個(gè)；

N——電動機(jī)每轉(zhuǎn)的脈沖數(shù)[3]，個(gè)；

t——時(shí)間間隔，s。

在時(shí)間為t的一段時(shí)間中，計(jì)數(shù)1個(gè)已知頻率為f/Hz的高頻脈沖數(shù)為M/個(gè)，如式（2）所示。

將式（2）代入式（1）中，則電動機(jī)轉(zhuǎn)速，如式（3）所示。

2 總體設(shè)計(jì)

為了測量出電動機(jī)編碼器輸出的2個(gè)相鄰脈沖之間高頻時(shí)鐘脈沖的個(gè)數(shù)，可以采用DSP56F8346開發(fā)板進(jìn)行測量。DSP56F8346的主頻為60 MHz，時(shí)鐘周期為16.7 ns，它集成了數(shù)字信號處理器（DSP）和微控制單元（MCU）的功能，具有2個(gè)雙6通道的PWM模塊、1個(gè)相位檢測器功能模塊，2個(gè)串行通信接口模塊等[4]。通過對電動機(jī)中的正交編碼器脈沖信號的測量，將測得的脈沖信號傳送給DSP56F8346的捕捉單元，使用DSP56F8346的計(jì)數(shù)器對已知頻率的脈沖信號在一個(gè)脈沖周期范圍內(nèi)進(jìn)行計(jì)數(shù)，得出M，最后通過M和f來計(jì)算轉(zhuǎn)速。轉(zhuǎn)速值通過串口發(fā)送到FreeMASTER軟件中，實(shí)現(xiàn)了轉(zhuǎn)速信號的適時(shí)監(jiān)測和數(shù)據(jù)存儲[5]。圖2示出電動機(jī)編碼器測速總體流程圖。試驗(yàn)用的電動機(jī)型號為SM060R20B30MNAD，示波器測出的編碼器A相信號，如圖3所示。

圖3 電動機(jī)編碼器的A相信號顯示界面圖

3 軟件系統(tǒng)設(shè)計(jì)

3.1 轉(zhuǎn)速測量的軟件設(shè)計(jì)

本設(shè)計(jì)利用DSP的TIMERA進(jìn)行高速時(shí)鐘的累加，將捕獲引腳CAP1_QEP1定義為功能引腳，允許定時(shí)器中斷和捕捉中斷，轉(zhuǎn)速測量流程，如圖4所示。

圖4 電動機(jī)轉(zhuǎn)速測量流程圖

單片機(jī)DSP56F8346有相位檢測器0和相位檢測器1，這2個(gè)相位檢測器分別與定時(shí)器A和定時(shí)器B共享引腳。因此，在測量轉(zhuǎn)速時(shí)需要將編碼器中的A，B相與定時(shí)器相應(yīng)的針腳相連接，然后通過編程計(jì)算，就可以得到轉(zhuǎn)速值。DSP56F8346開發(fā)板的編程軟件為CodeWarriors，它可以用C語言也可以用匯編語言進(jìn)行編程。這個(gè)編程環(huán)境的嵌入式軟件PE（Processor Expert）提供了比較高效又方便的嵌入豆模塊。每個(gè)嵌入豆模塊有相對應(yīng)的嵌入式系統(tǒng)的基本功能，如CPU內(nèi)核和外設(shè)等，它可以根據(jù)用戶的需求通過可視化窗口選擇和配置適當(dāng)?shù)墓δ?。?dāng)啟動代碼設(shè)計(jì)時(shí)，系統(tǒng)會根據(jù)嵌入豆中的設(shè)置自動生成代碼，不易出錯(cuò)；也可根據(jù)自己的需要來編寫代碼，從而提高工作效率。

在CodeWarriors編程環(huán)境中，可以添加脈沖累加模塊（PulseAccumulator）、定時(shí)模塊（TimerInt）及位輸入輸出模塊（BitsIO）。在PulseAccumulator模塊中設(shè)置中斷使能（Interrupt service/event）開啟；在 TimerInt模塊中設(shè)置中斷周期（Interrupt Period）為100 ms；在BitsIO中設(shè)置引腳Pin0-Pin2為GIPOC8_ISA0-GIPOC10_ISA2，其它的都選擇默認(rèn)設(shè)置[6]，再進(jìn)行編譯，系統(tǒng)會根據(jù)設(shè)置自動生成相應(yīng)的代碼。需要編寫的主程序?yàn)椋?/p>

3.2 信號監(jiān)測和數(shù)據(jù)儲存

為了實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)速信號的實(shí)時(shí)監(jiān)測和數(shù)據(jù)儲存，采用通過串口（R232）傳輸DSP發(fā)出的數(shù)據(jù)到上位機(jī)。FreeMASTER利用計(jì)算機(jī)強(qiáng)大的圖形環(huán)境，采用可視化的圖形語言和平臺，可以在計(jì)算機(jī)上建立圖形化的軟面板來取代傳統(tǒng)的儀器面板。因此它可以將DSP通過串口發(fā)送過來的數(shù)據(jù)進(jìn)行采集和顯示[7]。

通過DSP的SCI模塊和FreeMASTER實(shí)現(xiàn)串口通信，數(shù)據(jù)用串口進(jìn)行發(fā)送。由于可以通過在CodeWar riors編程環(huán)境中直接添加FreeMASTER，因此用戶不用考慮是怎樣傳輸數(shù)據(jù)的，這給用戶帶來了極大的方便。FreeMASTER在接收程序時(shí)，在工程（Project）選項(xiàng)中設(shè)定波特率為9 600 Bd、選用R232串口選擇并連接相應(yīng)的COM接口，然后再選擇并生成轉(zhuǎn)速變量（Speed）即轉(zhuǎn)速值。新建一個(gè)窗口（NewScope），將生成的轉(zhuǎn)速值轉(zhuǎn)移到NewScope中顯示出來，即可觀測到轉(zhuǎn)速值。

4 測試結(jié)果分析

應(yīng)用DSP56F8346的捕獲單元模塊測量電動機(jī)編碼器脈沖信號的方法可以計(jì)算出電動機(jī)的轉(zhuǎn)速，同時(shí)可以保證很高的精度。為驗(yàn)證本系統(tǒng)的有效性，首先在試驗(yàn)室中的信號發(fā)生器上模擬光電編碼器的脈沖信號，把采集到的脈沖頻率轉(zhuǎn)化成轉(zhuǎn)速值，采集到的轉(zhuǎn)速值在FreeMASTER面板圖中顯示，如圖5所示。

圖5FreeMASTER面板顯示界面

最后采用本系統(tǒng)進(jìn)行電動機(jī)測速試驗(yàn)，并將所得到的轉(zhuǎn)速值和實(shí)際的轉(zhuǎn)速值進(jìn)行對比，如表1所示。經(jīng)比較，兩者數(shù)據(jù)相差很小。

表1 電動機(jī)編碼器轉(zhuǎn)速測量值和實(shí)際值對比表

5 結(jié)論

文章基于DSP56F8346的電動機(jī)測速系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了對電動機(jī)轉(zhuǎn)速的測量，通過串口傳輸?shù)紽reeMASTER中將數(shù)據(jù)儲存并顯示，在實(shí)際測量電動機(jī)轉(zhuǎn)速的試驗(yàn)中取得了比較好的結(jié)果。該系統(tǒng)測量的方法簡單、有效，克服了傳統(tǒng)測量方法存在的一些缺陷與不足，具有較寬的速度測量范圍。通過對電動機(jī)轉(zhuǎn)速測量的對比結(jié)果可知，測量值與實(shí)際值存在一些偏差，但偏差都很小，在可接受的范圍內(nèi)，相對來講比較精確。因此該系統(tǒng)可以應(yīng)用到發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速測量等領(lǐng)域中，具有比較好的實(shí)用價(jià)值。