基于DSP／QEP電路的電機位置檢測和轉速測量研究

摘要：在現代伺服系統中，位置檢測和轉速測量技術(shù)是提高控制系統精度的關(guān)鍵技術(shù)。本文詳細的介紹了使用光電編碼器和DSP／QEP電路來(lái)進(jìn)行電機位置檢測和轉速測量的原理。實(shí)踐表明，該方法具有檢測精度高、易于編程實(shí)現的特點(diǎn)。
關(guān)鍵詞：DSP／OEP電路；光電編碼器；M／T法測速

0 引言
在電機的閉環(huán)控制系統中，由于需要實(shí)時(shí)獲得電機的位置和轉速信息，高速、高精度的傳感器以及相應的處理電路是必不可少的。光電編碼器輸出數字信號，容易實(shí)現高分辨率、高精度的檢測，在現代電機檢測技術(shù)中得到了廣泛的應用。TI公司2000系列的DSP是目前控制領(lǐng)域最先進(jìn)的處理器之一，其最新產(chǎn)品的工作頻率高達150MHz，大大提高了控制系統的控制精度和實(shí)時(shí)處理信息的能力，其特有的QEP電路和光電編碼器的配合使用為電機位置和轉速測量提供了完美的解決方案。

1．DSP／QEP電路簡(jiǎn)介
以TI公司控制領(lǐng)域最新產(chǎn)品TMS320F2812為例，它的正交編碼脈沖(QEP)電路和捕獲單元共用輸入引腳，分別為CAPl／QEPl、CAP2／QEP2、CAP3／QEPIl(對于EVA)，CAP4／QEP4、CAP5／QEP5、CAP6／QEPI2(對于EVB)，可以通過(guò)設置相應的捕獲單元控制寄存器使能QEP電路而禁止其捕獲功能。QEP電路可以對固定在電機軸上的光電編碼器產(chǎn)生的正交編碼脈沖A、B路信號進(jìn)行解碼和計數，從而獲得電機的位置和速率等信息。
光電編碼器的正交編碼脈沖輸入到DSP的CAPl／QEPl、CAP2／QEP2腳，通常選擇通用定時(shí)器T2(EVA)對輸入的正交脈沖進(jìn)行解碼和計數。要使QEP電路正常工作，必須使T2工作在定向增／減模式，在此模式下，QEP電路不僅為定時(shí)器T2提供計數脈沖，而且還決定了它的計數方向。QEP電路對輸入的正交編碼脈沖的上升沿和下降沿都進(jìn)行計數，因此對輸入的正交編碼脈沖進(jìn)行4倍頻后作為T(mén)2的計數脈沖，并通過(guò)QEP電路的方向檢測邏輯確定哪個(gè)脈沖序列相位超前，然后產(chǎn)生一個(gè)方向信號作為T(mén)2的方向輸入，當電機正轉時(shí)，T2增計數，當電機反轉時(shí)，T2減計數。正交編碼脈沖、定時(shí)器計數脈沖及計數方向時(shí)序邏輯如圖1所示。

在QEP模式下，T2CNT計數到邊沿時(shí)將自動(dòng)翻轉，當增計數到ffffh時(shí)將返回0重新開(kāi)始增計數，當減到O時(shí)，翻轉到ffffh重新開(kāi)始減計數，由于在采樣時(shí)間內計數脈沖的數目遠小于T2CNT的周期數ffffh，所以在增／減計數過(guò)程中至多有一次翻轉．，圖2和圖3分別描述了電機正轉和反轉時(shí)T2CNT的計數情況。

2．光電編碼器和DSP的接口電路
光電編碼器可以輸出3路信號，其中A路和B路信號相位相差90°，光電編碼器的輸出的脈沖信號經(jīng)過(guò)光電隔離、濾波整形后直接送到DSP的相應引腳，其接口電路如圖4所示。其中6N137是高速光耦，實(shí)現模擬信號和數字信號的隔離，74Hel4是CMOS反相器，實(shí)現對信號的整形。

3．電機位置測量
DSP／QEP電路將編碼器送過(guò)來(lái)的脈沖數轉換為絕對的轉子軸機械位置，絕對的轉子軸機械位置將存放在變量θm中。通過(guò)每一次采樣周期△t內T2的計數脈沖的改變量δ，可以得到相應的位置增量△θm。如上圖所示：f(t)和f(t+△t)分別表示兩次相鄰采樣時(shí)刻的值，那么在△t時(shí)間內電機轉子旋轉的機械角度為：

其中：P為電機旋轉一尉T2CNT的脈沖計數值
如圖2所示：當T2增計數無(wú)翻轉時(shí)，δ=f(t+△t)一f(t)當T2增計數有翻轉時(shí)，δ=f(t+△t)-f(t)65536，此時(shí)θm=θm+△θm
如圖3所示：當T2減計數無(wú)翻轉時(shí)，δ=-[f(t+△t)一f(t,)]當T2減計數有翻轉時(shí)，δ=-[f(t)一f(t+△t)+65536]，此時(shí)θm=θm-△θm

4．電機轉速測量
常見(jiàn)的電機測速方法主要有三種：M法、T法、和M／T法，由于M法比較適合高速的場(chǎng)合，而T法適合低速的場(chǎng)合，為了在整個(gè)調速范圍內都得到較好的準確性，在這里我們選擇M／T法，其原理如圖5所示。

M1為測速脈沖計數值(對應前面的δ)，M2為高頻時(shí)鐘脈沖計數值，△t為采樣周期，雖然在M1個(gè)計數脈沖內，M2存在多一個(gè)少一個(gè)的誤差，但由于時(shí)鐘脈沖的頻率遠高于計數脈沖頻率，引起的誤差可以忽略，所以轉速的計算公式為：

其中F為時(shí)鐘脈沖的頻率

5． 結束語(yǔ)
本文利用光電編碼器和DSP／QEP電路實(shí)現了電機閉環(huán)控制系統轉子位置及轉速的測量，并在電機的仿真試驗中得了較好的效果。實(shí)踐證明，光電編碼器和DSP／QEP的配合使用有利于提高伺服系統的控制精度，并為不同控制領(lǐng)域提供了高性能的數字解決方案。