引言

隨著伺服控制系統(tǒng)對(duì)其運(yùn)動(dòng)動(dòng)態(tài)特性要求的不斷提高，對(duì)系統(tǒng)的調(diào)速精度、調(diào)速范圍和改善低速平穩(wěn)性等方面的要求也相應(yīng)地提高。測(cè)速裝置是速度閉環(huán)控制系統(tǒng)中的關(guān)鍵部分，對(duì)數(shù)字式脈沖光電編碼器來講，常用的數(shù)字測(cè)速方法有三種，即m法測(cè)速、t法測(cè)速和m/t法測(cè)速，其中，m法測(cè)速是根據(jù)在規(guī)定時(shí)間間隔內(nèi)測(cè)速裝置產(chǎn)生的轉(zhuǎn)速脈沖數(shù)來確定轉(zhuǎn)速，即測(cè)量頻率。當(dāng)電機(jī)轉(zhuǎn)速較低時(shí)，規(guī)定時(shí)間內(nèi)轉(zhuǎn)速脈沖的數(shù)量很少，檢測(cè)精度降低，因此，這種測(cè)量方法適用于高速。t法是通過記取傳感器產(chǎn)生的相鄰兩個(gè)脈沖之間的時(shí)間間隔來來計(jì)算電機(jī)轉(zhuǎn)速，即測(cè)量周期。當(dāng)電機(jī)處于高速運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)，相鄰兩個(gè)脈沖之間的時(shí)間間隔極短，檢測(cè)精度也會(huì)降低，所以這種方法適用于低速。m/t法兼有m法和t法的優(yōu)點(diǎn)，不論高速還是低速。但是m/t法的實(shí)現(xiàn)至少需要一個(gè)定時(shí)器，2個(gè)計(jì)數(shù)器，而且要對(duì)定時(shí)周期后的第一個(gè)脈沖沿進(jìn)行捕捉，軟硬件開銷比較大，并且引入中斷，如果程序中斷資源有限，中斷使用太多，還將影響程序的正常運(yùn)行。本文針對(duì)以往測(cè)速方法的不足，提出了一種變m變p法測(cè)速，是對(duì)以往t法測(cè)速的改進(jìn)。

變m變p法的測(cè)量原理

如圖1所示，其中m為軟件周期內(nèi)得到的轉(zhuǎn)速脈沖數(shù)，p為對(duì)系統(tǒng)時(shí)鐘的分頻。由圖可以看出，在低速的時(shí)候，每2個(gè)轉(zhuǎn)速脈沖之間的計(jì)時(shí)脈沖數(shù)較多，根據(jù)m法測(cè)速的原理可知，固定周期內(nèi)，計(jì)數(shù)脈沖個(gè)數(shù)越多計(jì)算出來的轉(zhuǎn)速就越精確，但是由于dsp微控制器內(nèi)部的計(jì)數(shù)寄存器字節(jié)總是有限的，如16位只允許最大計(jì)數(shù)65536，如果達(dá)到低速〔如1r/min〕將遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過這個(gè)最大數(shù)，測(cè)量結(jié)果將不再準(zhǔn)確，特別對(duì)于分辨率低的光電編碼器，若要使低速的轉(zhuǎn)速測(cè)量準(zhǔn)確，就要選擇適當(dāng)小的m并把分頻倍數(shù)p取大；但是在高速的時(shí)候，相鄰轉(zhuǎn)速脈沖之間，計(jì)時(shí)脈沖數(shù)很少，對(duì)于高分辨率的光電編碼器，可能在相鄰的轉(zhuǎn)速脈沖之間只捕捉到一個(gè)計(jì)時(shí)脈沖或沒有，這樣將引起轉(zhuǎn)速測(cè)量的誤差極大，甚至無法測(cè)量，此時(shí)為了得到固定周期內(nèi)足夠多的計(jì)時(shí)脈沖的計(jì)數(shù)個(gè)數(shù)，就要選擇足夠大的m并把分頻倍數(shù)p取小，甚至不分頻。

從以上分析可知，在低速和高速要測(cè)量到精確的轉(zhuǎn)速所需選取的m和p是互相矛盾的，所以為了得到全速范圍的高精度測(cè)量轉(zhuǎn)速，就必須在低速和高速過渡的過程中，改變m和分頻倍數(shù)p以適應(yīng)各個(gè)轉(zhuǎn)速斷的測(cè)量精度要求，以使伺服系統(tǒng)在保證精度的條件下能夠獲得寬的調(diào)速范圍，這就是所謂的變m變p法，同時(shí)適用于不同分辨率的光電編碼器。

其計(jì)算公式如下：

其中，v（k）為k時(shí)刻電機(jī)的瞬時(shí)轉(zhuǎn)速，x為設(shè)置的單位轉(zhuǎn)速脈沖數(shù)的位移，delta（t）即為轉(zhuǎn)過x位移所花費(fèi)的時(shí)間；m為軟件周期內(nèi)得到的轉(zhuǎn)速脈沖數(shù)，f為光電編碼器的分辨率，n為計(jì)時(shí)脈沖的計(jì)數(shù)個(gè)數(shù)，p為對(duì)系統(tǒng)時(shí)鐘的分頻倍數(shù)，tsysoutclk為cpu微控制器的系統(tǒng)時(shí)鐘周期。

測(cè)量方法在tms320f280x系列dsp上的應(yīng)用

tms320f280x系列dsp的eqep模塊包括一個(gè)對(duì)積分沿進(jìn)行捕捉的單元，用來測(cè)量產(chǎn)生單位位移事件所花費(fèi)的時(shí)間，正是這個(gè)單元常被用來計(jì)算低速時(shí)電機(jī)的轉(zhuǎn)速，eqep模塊捕捉定時(shí)器qctmr定時(shí)時(shí)鐘來源于dsp的系統(tǒng)時(shí)鐘即sysclkout的分頻，常被稱為計(jì)數(shù)時(shí)鐘，其分頻數(shù)可以通過qcapctl寄存器的第6-4位即ccps位設(shè)置，可設(shè)置的分頻為1，2，4，8，16，32，64，128，相應(yīng)的ccps的取值為0，1，2，3，4，5，6，7；同時(shí)qcapctl寄存器的第3-0位即upps位設(shè)置所要計(jì)數(shù)的轉(zhuǎn)速脈沖個(gè)數(shù)，也就是固定的單位位移，其可設(shè)置的固定轉(zhuǎn)速脈沖個(gè)數(shù)為1，2，4，8，16，32，64，128，256，512，1024，2048，對(duì)應(yīng)upps的取值為0，1，2，3，4，5，6，7，8，9，10，11。寄存器qctmr一直計(jì)數(shù)直到電機(jī)轉(zhuǎn)過所設(shè)置的固定單位位移，此時(shí)qctmr的計(jì)數(shù)值被裝入qcprd寄存器，自己本身復(fù)位即回零；同時(shí)狀態(tài)寄存器qepsts的狀態(tài)位upevnt被置1，表明有新的值被載入到qcprd寄存器里。編寫軟件的時(shí)候在計(jì)算轉(zhuǎn)速之前可先判斷此位是否為1，然后再計(jì)算轉(zhuǎn)速，此位可通過軟件清0，即對(duì)此狀態(tài)位寫1操作。圖3顯示了以上各寄存器之間的關(guān)系：

圖2中，qclk為轉(zhuǎn)速脈沖，計(jì)時(shí)脈沖沒有畫出。

這里有個(gè)地方要注意，那就是只要當(dāng)以下2個(gè)條件滿足的時(shí)候，用這個(gè)公式計(jì)算出來的轉(zhuǎn)速才是準(zhǔn)確的：

寄存器qcmtr的計(jì)數(shù)值不超過65535；

對(duì)固定轉(zhuǎn)速脈沖位移，進(jìn)行時(shí)間計(jì)數(shù)的時(shí)候，電機(jī)轉(zhuǎn)速的方向不發(fā)生改變。

對(duì)以上兩種情況發(fā)生與否，都可以通過狀態(tài)寄存器qepsts的對(duì)應(yīng)位來判斷，若1的情況發(fā)生，那么qepsts的狀態(tài)位coef被置1；若2情況發(fā)生，那么qepsts的狀態(tài)位cdef被置1。

實(shí)現(xiàn)的實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析

本文研究的方法可以適用于低分辨率和高分辨率的光電編碼器，在此為了說明的方便，選取一固定分辨率的光電編碼器，在此選取2500脈沖/轉(zhuǎn)的光電編碼器，額定轉(zhuǎn)速3000r/min。以下轉(zhuǎn)速的測(cè)量是在轉(zhuǎn)度給定，電流-轉(zhuǎn)度雙閉環(huán)的情況下測(cè)得的。

m和p的選取限制：

●m只能取2^n（n取0～11的整數(shù)）；

●p只能取2^n（n取0～7的整數(shù)）；

●設(shè)轉(zhuǎn)速為n，那么它們要滿足計(jì)時(shí)脈沖寄存器qcmtr計(jì)數(shù)不溢出的條件，即計(jì)數(shù)個(gè)數(shù)：

更新m，p的時(shí)間限制：本伺服系統(tǒng)轉(zhuǎn)速?gòu)?上升到1000r/min所需的上升時(shí)間為20ms左右，所以m，p的更新時(shí)間要大大小于20ms，否則，若m，p的更新跟不上轉(zhuǎn)速的變化，就將產(chǎn)生轉(zhuǎn)速測(cè)量的誤差，在這里選取其更新周期為1ms，當(dāng)然如果上升時(shí)間更小，那么可以設(shè)置更快的m，p更新周期。

實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析

圖3為給定轉(zhuǎn)速2500r/min情況下用dsp開發(fā)軟件ccs捕捉到的的實(shí)時(shí)轉(zhuǎn)速檢測(cè)曲線和誤差曲線，圖3曲線中y軸“1”表示3000r/min，x軸為時(shí)間（s），圖4曲線y軸表示的是檢測(cè)的轉(zhuǎn)速差與額定轉(zhuǎn)速的比值。從實(shí)驗(yàn)結(jié)果曲線可以看出，給定轉(zhuǎn)速2500r/min時(shí)，測(cè)量出來的轉(zhuǎn)速為0.8333×3000=2499.9r/min。可見，檢測(cè)出來的轉(zhuǎn)速很精確，其誤差的最大值分別為0.067%，也就是說最大誤差的時(shí)候有0.067%×3000=2.01r/min的誤差。圖4為給定轉(zhuǎn)速為5r/min時(shí)，采用ti公司的dsp開發(fā)軟件工具ccs上檢測(cè)到的電機(jī)實(shí)時(shí)轉(zhuǎn)速，并測(cè)得5r/min時(shí)，轉(zhuǎn)速的最大值為0.00183105*3000r/min即5.493r/min，轉(zhuǎn)速的最小值為0.00128174×3000r/min即3.845r/min。

對(duì)于360脈沖/轉(zhuǎn)的光電編碼器，采用同樣的方法可以測(cè)得其轉(zhuǎn)速響應(yīng)曲線如下圖。圖5為示波器測(cè)得的給定轉(zhuǎn)速為1000r/min時(shí)的轉(zhuǎn)速階躍響應(yīng)曲線，圖6為用ccs軟件捕捉到的轉(zhuǎn)速穩(wěn)態(tài)時(shí)的誤差曲線，可以測(cè)得最大誤差為0.00110即3.3r/min。

從實(shí)驗(yàn)結(jié)果可以看出，本文提出的測(cè)速方法是正確的，符合預(yù)期的結(jié)果，且容易實(shí)現(xiàn)，具有一定的參考價(jià)值。

結(jié)語

在高度數(shù)字化、集成化的今天，數(shù)字測(cè)速的方法被普遍采用，模擬發(fā)電機(jī)測(cè)速的方法已逐漸的被取代，所以越來越多的設(shè)備都迫切的追求數(shù)字測(cè)速的精確性，而本文提出的測(cè)速方法不僅具有測(cè)速精確度高，測(cè)量的速度范圍寬等優(yōu)點(diǎn)，還結(jié)合tms320f280x系列dsp的優(yōu)點(diǎn)，節(jié)省了外部硬件的分頻電路，簡(jiǎn)化硬件結(jié)構(gòu)，所以具有很好的應(yīng)用前景。需要注意的是，數(shù)字測(cè)速法對(duì)從光電編碼器送到dsp的a，b脈沖要求比較苛刻，若是傳送的過程中受到干擾，將影響實(shí)際的測(cè)量結(jié)果，所以一般在a，b脈沖送給dsp的過程中，要進(jìn)行濾波，整形，本系統(tǒng)采用rc濾波和74hc245對(duì)波形進(jìn)行整形，實(shí)驗(yàn)結(jié)果比較理想。