引言

隨著伺服控制系統(tǒng)對其運動動態(tài)特性要求的不斷提高，對系統(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。測速裝置是速度閉環(huán)控制系統(tǒng)中的關(guān)鍵部分，對數(shù)字式脈沖光電編碼器來講，常用的數(shù)字測速方法有三種，即m法測速、t法測速和m/t法測速，其中，m法測速是根據(jù)在規(guī)定時間間隔內(nèi)測速裝置產(chǎn)生的轉(zhuǎn)速脈沖數(shù)來確定轉(zhuǎn)速，即測量頻率。當電機轉(zhuǎn)速較低時，規(guī)定時間內(nèi)轉(zhuǎn)速脈沖的數(shù)量很少，檢測精度降低，因此，這種測量方法適用于高速。t法是通過記取傳感器產(chǎn)生的相鄰兩個脈沖之間的時間間隔來來計算電機轉(zhuǎn)速，即測量周期。當電機處于高速運轉(zhuǎn)時，相鄰兩個脈沖之間的時間間隔極短，檢測精度也會降低，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，不論高速還是低速。但是m/t法的實現(xiàn)至少需要一個定時器，2個計數(shù)器，而且要對定時周期后的第一個脈沖沿進行捕捉，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行。本文針對以往測速方法的不足，提出了一種變m變p法測速，是對以往t法測速的改進。

變m變p法的測量原理

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為對系統(tǒng)時鐘的分頻。由圖可以看出，在低速的時候，每2個轉(zhuǎn)速脈沖之間的計時脈沖數(shù)較多，根據(jù)m法測速的原理可知，固定周期內(nèi)，計數(shù)脈沖個數(shù)越多計算出來的轉(zhuǎn)速就越精確，但是由于dsp微控制器內(nèi)部的計數(shù)寄存器字節(jié)總是有限的，如16位只允許最大計數(shù)65536，如果達到低速〔如1r/min〕將遠遠超過這個最大數(shù)，測量結(jié)果將不再準確，特別對于分辨率低的光電編碼器，若要使低速的轉(zhuǎn)速測量準確，就要選擇適當小的m并把分頻倍數(shù)p取大；但是在高速的時候，相鄰轉(zhuǎn)速脈沖之間，計時脈沖數(shù)很少，對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計時脈沖或沒有，這樣將引起轉(zhuǎn)速測量的誤差極大，甚至無法測量，此時為了得到固定周期內(nèi)足夠多的計時脈沖的計數(shù)個數(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)各個轉(zhuǎn)速斷的測量精度要求，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，同時適用于不同分辨率的光電編碼器。

其計算公式如下：

其中，v（k）為k時刻電機的瞬時轉(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位移所花費的時間；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為計時脈沖的計數(shù)個數(shù)，p為對系統(tǒng)時鐘的分頻倍數(shù)，tsysoutclk為cpu微控制器的系統(tǒng)時鐘周期。

測量方法在tms320f280x系列dsp上的應(yīng)用

tms320f280x系列dsp的eqep模塊包括一個對積分沿進行捕捉的單元，用來測量產(chǎn)生單位位移事件所花費的時間，正是這個單元常被用來計算低速時電機的轉(zhuǎn)速，eqep模塊捕捉定時器qctmr定時時鐘來源于dsp的系統(tǒng)時鐘即sysclkout的分頻，常被稱為計數(shù)時鐘，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qcapctl寄存器的第3-0位即upps位設(shè)置所要計數(shù)的轉(zhuǎn)速脈沖個數(shù)，也就是固定的單位位移，其可設(shè)置的固定轉(zhuǎn)速脈沖個數(shù)為1，2，4，8，16，32，64，128，256，512，1024，2048，對應(yīng)upps的取值為0，1，2，3，4，5，6，7，8，9，10，11。寄存器qctmr一直計數(shù)直到電機轉(zhuǎn)過所設(shè)置的固定單位位移，此時qctmr的計數(shù)值被裝入qcprd寄存器，自己本身復(fù)位即回零；同時狀態(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。編寫軟件的時候在計算轉(zhuǎn)速之前可先判斷此位是否為1，然后再計算轉(zhuǎn)速，此位可通過軟件清0，即對此狀態(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，計時脈沖沒有畫出。

這里有個地方要注意，那就是只要當以下2個條件滿足的時候，用這個公式計算出來的轉(zhuǎn)速才是準確的：

寄存器qcmtr的計數(shù)值不超過65535；

對固定轉(zhuǎn)速脈沖位移，進行時間計數(shù)的時候，電機轉(zhuǎn)速的方向不發(fā)生改變。

對以上兩種情況發(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。

實現(xiàn)的實驗結(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)速的測量是在轉(zhuǎn)度給定，電流-轉(zhuǎn)度雙閉環(huán)的情況下測得的。

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，那么它們要滿足計時脈沖寄存器qcmtr計數(shù)不溢出的條件，即計數(shù)個數(shù)：

更新m，p的時間限制：本伺服系統(tǒng)轉(zhuǎn)速從0上升到1000r/min所需的上升時間為20ms左右，所以m，p的更新時間要大大小于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)速測量的誤差，在這里選取其更新周期為1ms，當然如果上升時間更小，那么可以設(shè)置更快的m，p更新周期。

實驗結(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捕捉到的的實時轉(zhuǎn)速檢測曲線和誤差曲線，圖3曲線中y軸“1”表示3000r/min，x軸為時間（s），圖4曲線y軸表示的是檢測的轉(zhuǎn)速差與額定轉(zhuǎn)速的比值。從實驗結(jié)果曲線可以看出，給定轉(zhuǎn)速2500r/min時，測量出來的轉(zhuǎn)速為0.8333×3000=2499.9r/min。可見，檢測出來的轉(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候有0.067%×3000=2.01r/min的誤差。圖4為給定轉(zhuǎn)速為5r/min時，采用ti公司的dsp開發(fā)軟件工具ccs上檢測到的電機實時轉(zhuǎn)速，并測得5r/min時，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。

對于360脈沖/轉(zhuǎn)的光電編碼器，采用同樣的方法可以測得其轉(zhuǎn)速響應(yīng)曲線如下圖。圖5為示波器測得的給定轉(zhuǎn)速為1000r/min時的轉(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)時的誤差曲線，可以測得最大誤差為0.00110即3.3r/min。

從實驗結(jié)果可以看出，本文提出的測速方法是正確的，符合預(yù)期的結(jié)果，且容易實現(xiàn)，具有一定的參考價值。

結(jié)語

在高度數(shù)字化、集成化的今天，數(shù)字測速的方法被普遍采用，模擬發(fā)電機測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)字測速的精確性，而本文提出的測速方法不僅具有測速精確度高，測量的速度范圍寬等優(yōu)點，還結(jié)合tms320f280x系列dsp的優(yōu)點，節(jié)省了外部硬件的分頻電路，簡化硬件結(jié)構(gòu)，所以具有很好的應(yīng)用前景。需要注意的是，數(shù)字測速法對從光電編碼器送到dsp的a，b脈沖要求比較苛刻，若是傳送的過程中受到干擾，將影響實際的測量結(jié)果，所以一般在a，b脈沖送給dsp的過程中，要進行濾波，整形，本系統(tǒng)采用rc濾波和74hc245對波形進行整形，實驗結(jié)果比較理想。