目前，在高的交流電機(jī)數(shù)字控制系統(tǒng)中，電機(jī)轉(zhuǎn)速與轉(zhuǎn)子位置的測量通常是采用安裝在電機(jī)軸上的光電編碼器。在給定的測量周期內(nèi)，編碼器隨著電機(jī)轉(zhuǎn)速的變化輸出相應(yīng)頻率的數(shù)字脈沖信號(hào)，利用不同的方法對(duì)這些脈沖信號(hào)進(jìn)行處理，可得到多種數(shù)字測速方法。光電編碼器是通過讀取光電編碼盤上的圖案或編碼信息來表示與光電編碼器相連的電機(jī)轉(zhuǎn)子的位置信息的。TI公司2000系列的DSP特有的QEP電路和光電編碼器的配合使用為電機(jī)位置和轉(zhuǎn)速測量提供了完美的解決方案。本文詳細(xì)的介紹了使用光電編碼器和DSP／QEP電路來進(jìn)行電機(jī)位置檢測和轉(zhuǎn)速測量的原理。

　　1.DSP／QEP電路簡介

　　以TI公司控制領(lǐng)域產(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(duì)于EVA），CAP4／QEP4、CAP5／QEP5、CAP6／QEPI2（對(duì)于EVB），可以通過設(shè)置相應(yīng)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(duì)固定在電機(jī)軸上的光電編碼器產(chǎn)生的正交編碼脈沖A、B路信號(hào)進(jìn)行解碼和計(jì)數(shù)，從而獲得電機(jī)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對(duì)輸入的正交脈沖進(jìn)行解碼和計(jì)數(shù)。QEP電路對(duì)輸入的正交編碼脈沖的上升沿和下降沿都進(jìn)行計(jì)數(shù)，對(duì)輸入的正交編碼脈沖進(jìn)行4倍頻后作為T2的計(jì)數(shù)脈沖，且通過QEP電路的方向檢測邏輯確定哪個(gè)脈沖序列相位超前，產(chǎn)生一個(gè)方向信號(hào)作為T2的方向輸入，當(dāng)電機(jī)正轉(zhuǎn)時(shí)，T2增計(jì)數(shù)，當(dāng)電機(jī)反轉(zhuǎn)時(shí)，T2減計(jì)數(shù)。正交編碼脈沖、定時(shí)器計(jì)數(shù)脈沖及計(jì)數(shù)方向時(shí)序邏輯如圖1所示。

　　在QEP模式下，T2CNT計(jì)數(shù)到邊沿時(shí)將自動(dòng)翻轉(zhuǎn)，當(dāng)增計(jì)數(shù)到ffffh時(shí)將返回0重新開始增計(jì)數(shù)，當(dāng)減到O時(shí)，翻轉(zhuǎn)到ffffh重新開始減計(jì)數(shù)，由于在采樣時(shí)間內(nèi)計(jì)數(shù)脈沖的數(shù)目遠(yuǎn)小于T2CNT的周期數(shù)ffffh，所以在增／減計(jì)數(shù)過程中至多有翻轉(zhuǎn)。，圖2和圖3分別描述了電機(jī)正轉(zhuǎn)和反轉(zhuǎn)時(shí)T2CNT的計(jì)數(shù)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(hào)，其中A路和B路信號(hào)相位相差90°，光電編碼器的輸出的脈沖信號(hào)經(jīng)過光電隔離、濾波整形后直接送到DSP的相應(yīng)引腳，其接口電路如圖4所示。其中6N137是高速光耦，實(shí)現(xiàn)模擬信號(hào)和數(shù)字信號(hào)的隔離，74Hel4是CMOS反相器，實(shí)現(xiàn)對(duì)信號(hào)的整形。

　　3.電機(jī)位置測量

　　DSP／QEP電路將編碼器送過來的脈沖數(shù)轉(zhuǎn)換為的轉(zhuǎn)子軸機(jī)械位置，的轉(zhuǎn)子軸機(jī)械位置將存放在變量θm中。通過每采樣周期△t內(nèi)T2的計(jì)數(shù)脈沖的改變量δ，可以得到相應(yīng)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(nèi)電機(jī)轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)的機(jī)械角度為：

　　其中：P為電機(jī)旋轉(zhuǎn)一尉T2CNT的脈沖計(jì)數(shù)值

　　如圖2所示：當(dāng)T2增計(jì)數(shù)無翻轉(zhuǎn)時(shí)，δ=f（t+△t）一f（t）當(dāng)T2增計(jì)數(shù)有翻轉(zhuǎn)時(shí)，δ=f（t+△t）-f（t）65536，此時(shí)θm=θm+△θm

　　如圖3所示：當(dāng)T2減計(jì)數(shù)無翻轉(zhuǎn)時(shí)，δ=-[f（t+△t）一f（t,）]當(dāng)T2減計(jì)數(shù)有翻轉(zhuǎn)時(shí)，δ=-[f（t）一f（t+△t）+65536]，此時(shí)θm=θm-△θm

　　4.電機(jī)轉(zhuǎn)速測量

　　常見的電機(jī)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合，而T法適合低速的場合，為了在整個(gè)調(diào)速范圍內(nèi)都得到較好的準(zhǔn)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(jì)數(shù)值，M2為高頻時(shí)鐘脈沖計(jì)數(shù)值，△t為采樣周期，雖然在M1個(gè)計(jì)數(shù)脈沖內(nèi)，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(yuǎn)高于計(jì)數(shù)脈沖頻率，引起的誤差可以忽略，所以轉(zhuǎn)速的計(jì)算公式為：

　　其中F為時(shí)鐘脈沖的頻率

　　5. 結(jié)束語

　　本文利用光電編碼器和DSP／QEP電路實(shí)現(xiàn)了電機(jī)閉環(huán)控制系統(tǒng)轉(zhuǎn)子位置及轉(zhuǎn)速的測量，并在電機(jī)的仿真試驗(yàn)中得了較好的效果；為不同控制領(lǐng)域提供了高性能的數(shù)字解決方案。

參考文獻(xiàn):

[1]. TMS320F2812 datasheet http://www.hbjingang.com/datasheet/TMS320F2812_1116432.html.
[2]. 6N137 datasheet http://www.hbjingang.com/datasheet/6N137_91364.html.