电机位置检测和转速测量研究

1．DSP／QEP电路简介
    以TI公司控制领域最新产品TMS320F2812为例，它的正交编码脉冲(QEP)电路和捕获单元共用输入引脚，分别为CAPl／QEPl、CAP2／QEP2、CAP3／QEPIl(对于EVA)，CAP4／QEP4、CAP5／QEP5、CAP6／QEPI2(对于EVB)，可以通过设置相应的捕获单元控制寄存器使能QEP电路而禁止其捕获功能。QEP电路可以对固定在电机轴上的光电编码器产生的正交编码脉冲A、B路信号进行解码和计数，从而获得电机的位置和速率等信息。
    光电编码器的正交编码脉冲输入到DSP的CAPl／QEPl、CAP2／QEP2脚，通常选择通用定时器T2(EVA)对输入的正交脉冲进行解码和计数。要使QEP电路正常工作，必须使T2工作在定向增／减模式，在此模式下，QEP电路不仅为定时器T2提供计数脉冲，而且还决定了它的计数方向。QEP电路对输入的正交编码脉冲的上升沿和下降沿都进行计数，因此对输入的正交编码脉冲进行4倍频后作为T2的计数脉冲，并通过QEP电路的方向检测逻辑确定哪个脉冲序列相位超前，然后产生一个方向信号作为T2的方向输入，当电机正转时，T2增计数，当电机反转时，T2减计数。正交编码脉冲、定时器计数脉冲及计数方向时序逻辑如图1所示。

    在QEP模式下，T2CNT计数到边沿时将自动翻转，当增计数到ffffh时将返回0重新开始增计数，当减到O时，翻转到ffffh重新开始减计数，由于在采样时间内计数脉冲的数目远小于T2CNT的周期数ffffh，所以在增／减计数过程中至多有一次翻转．，图2和图3分别描述了电机正转和反转时T2CNT的计数情况。

2．光电编码器和DSP的接口电路
    光电编码器可以输出3路信号，其中A路和B路信号相位相差90°，光电编码器的输出的脉冲信号经过光电隔离、滤波整形后直接送到DSP的相应引脚，其接口电路如图4所示。其中6N137是高速光耦，实现模拟信号和数字信号的隔离，74Hel4是CMOS反相器，实现对信号的整形。

3．电机位置测量
    DSP／QEP电路将编码器送过来的脉冲数转换为绝对的转子轴机械位置，绝对的转子轴机械位置将存放在变量θm中。通过每一次采样周期△t内T2的计数脉冲的改变量δ，可以得到相应的位置增量△θm。如上图所示：f(t)和f(t+△t)分别表示两次相邻采样时刻的值，那么在△t时间内电机转子旋转的机械角度为：

   
    其中：P为电机旋转一尉T2CNT的脉冲计数值
    如图2所示：当T2增计数无翻转时，δ=f(t+△t)一f(t)当T2增计数有翻转时，δ=f(t+△t)-f(t)65536，此时θm=θm+△θm
    如图3所示：当T2减计数无翻转时，δ=-[f(t+△t)一f(t,)]当T2减计数有翻转时，δ=-[f(t)一f(t+△t)+65536]，此时θm=θm-△θm

4．电机转速测量
    常见的电机测速方法主要有三种：M法、T法、和M／T法，由于M法比较适合高速的场合，而T法适合低速的场合，为了在整个调速范围内都得到较好的准确性，在这里我们选择M／T法，其原理如图5所示。

    M1为测速脉冲计数值(对应前面的δ)，M2为高频时钟脉冲计数值，△t为采样周期，虽然在M1个计数脉冲内，M2存在多一个少一个的误差，但由于时钟脉冲的频率远高于计数脉冲频率，引起的误差可以忽略，所以转速的计算公式为：

   
    其中F为时钟脉冲的频率

5． 结束语
    本文利用光电编码器和DSP／QEP电路实现了电机闭环控制系统转子位置及转速的测量，并在电机的仿真试验中得了较好的效果。实践证明，光电编码器和DSP／QEP的配合使用有利于提高伺服系统的控制精度，并为不同控制领域提供了高性能的数字解决方案。