编码器测速方法的研究

中国科学院研究生院（长春光学精密机械与物理研究所） 硕士学位 论文 政研论文下载论文大学下载论文大学下载关于长拳的论文浙大论文封面下载 编码器测速方法的研究 姓名：赵岩 申请学位级别：硕士 专业：机械电子工程 指导教师：陈涛 20030101 图表索弓 图i-I 图2-i 图2-2 图2-3 图2—4 图2-5 图2-6 图2—7 图2-8 图2-9 图3一l 图3—2 图3-3 图3—4 图3—5 图4—1 图4-2 图5一l 表2-l 表3一l 表4-I 图表索弓 伺服系统基本结构组成．．．．⋯．．．．，．．．．．．．．．．···· 电机输出的电势波形．．．⋯．．．．，··⋯．．．-·一⋯··· 基本光电脉冲发生器的部分分解示意图．．．．．．．．．．．．．．． 光电脉冲发生器的输出波形．．．．．．．．．。．．．．．．．--·-．． m法测速原理图．．，⋯．-．⋯．-．·-⋯．．··．·····- T法测速原理．．．．．．．．．．．．··⋯···．⋯-．．···．-· M／T法测速原理．．．一．-．．．。．-．-．．-⋯．．+·，．··．．· 变M／T法测速原理．⋯⋯．．．．．-．-．．+．．．-．．+．．．- 高速、高精度、连续测量 方案 气瓶 现场处置方案 .pdf气瓶 现场处置方案 .doc见习基地管理方案.doc关于群访事件的化解方案建筑工地扬尘治理专项方案下载 原理一．．．．⋯．．．．．．．．．． 多周期同步测频法测速原理．．⋯．．⋯，．．．．．．。．．．．． 编码器输出信号波形图．⋯⋯．。．．．．．+．。．．．．．．．．。 系统原理框图．，．⋯．．．+。．．．．．．．．．．．．．．．．+．．．．． 码盘脉冲倍频电路框图．．⋯．．．．．⋯，．．．．．⋯．．．． 捕获脉冲输出控制电路及时序图．．．．⋯．．．．．．⋯．．．． 方向信号提取电路及时序图．．。．．．．．．⋯．．．+．。．．．．． 主程序流程图．．．．．．．．⋯．．．．．。．。．．．．．．．．．．．．．， 中断程序流程图．⋯．．。．．．．．．．．．．⋯．．．，．．．．．．． 速度测试曲线．．．．．。．．⋯．．⋯．⋯．．．．．，．。．．．．． 数字脉冲的测速计算公式．．．．．．．．．．．．．．．⋯．．．．．．． 模拟控制系统与数字控制系统优劣性比较．．．．．．．+．．．．．． 整量化单位与不带符号位的字长的关系⋯．．．．．．．．．．．． 卫 巧 托 。 溜 c? u M 垢 埔 弘 孔 弱 拍 打 弛 弘 明 坞 n 犸 ● ● ● ● ● ● ● ● ● ● ● ● ， ● ● ● ● ● ， ● ， ● ● ● ● ● ● ● ● ● ● ● ● ● ● ● ● ● ● ● ● ● ● ● ● ● ● ● ● ● ● ● ● 中国科学院研究生院硕士学位论文 摘 要 光电精密跟踪技术是航空航天测控领域中的一项核心技术。跟踪伺服系统作 为光电精密跟踪系统的硬件设备，在光电精密跟踪系统的研制中起着极其重要的 作用。跟踪伺服系统的位置精度，速度精度和速度平稳性是光电跟踪系统设计的 重要指标。因此，伺服系统的测速问 题 快递公司问题件快递公司问题件货款处理关于圆的周长面积重点题型关于解方程组的题及答案关于南海问题 一直是人们不断探索的课题。 随着数字化进程的不断推进，伺服系统的全数字化是今后发展的必然趋势， 然而如何解决实时性则是数字控制的关键问题。目前，DSP(特别是TMS320系列) 发展起来，为伺服系统的全数字化奠定了物质基础，使得现代控制理论工程实用 化。本文正是从这一角度出发，在测速系统中，重点以718转台为实验对象，在 控制系统速度环开环的情况下，用光电编码器，借助于最新的控制系统数字信号 处理器TMS320LF2407及一定的测速算法——变M／T法，实现了对转台转速高精 度测量的目的，为迸一步实现伺服系统的全数字化打下了坚实的基础。本文的主 要的研究工作如下： 首先，在综合分析了影响模拟量和数字量测速的基础上，对基于数字脉冲计 数的测速方法进行了全面的研究。对最终确定用变M／T法在TMS320LF2407上实 现对电机低速转速测量的实验方案，提供了理论依据，也为进一步提高测速精度 和扩展测速范围提供了有利的保障。 其次以TMS320LF2407与CPLD为核心构成了测速系统，并完成了用变M／T法 实现对电机低速转速的测量。 关键词：TMS320LF2407，编码器，变M／T法 塑塑墨!!垄塑垄塑翌塞—一ABSTRACT Theoptoelectronic(0一E)precisetrackingtechnologylSa core technologvinthefieldofnavigation，testandcontrol(TT&C)．Asa hardwareof0一Eprecisetrackingsystem，trackingservosystemplays a keyroleinthemanufacturingofit．PositlonpreclSlonspeedpreclSlon andspeedstabilityareimportantfactorsinthedesignofO-Etracking system．SOtheproblemofspeed—measuringisacontinuousstudy taskin servoSystem． fsthedigitalprocessisspeedingup，atotaldigitalized methodof servosystemiSanecessarytrendinfuture，howeverhowtosolvedigltal controlinrealtimebecomeakeyproblem．Atpresent，thedevelopmentof DSP(especiallytheserialofTMS320)settlethematerialbasementforthe totaldigitalizedmethodofservosystem，andmakethemoderncontrol theoryprojectpractiseinrealtime．AccordingtothlSaspect，lnthe sDeed—measuringsystem，takingthe718gimbalsmodelasanobject，inthe circumstanceofopen100pcontrolsystem，thispaperusetheencoderto realizehighlYaccuratemeasuresforthespeedofmotorbymeansofthe latestdigitalSignalprocessor(DSP)TMS320LF2407，andasomearithmetiC— themethodsofalterableM／T．ThiSestablishesafirmbasementforthe furtherrealizationofatotaldigitalizedmethodinservosystem·The maJn researchcontentsareasfollows： First．influencingfactorsofanalogueanddigitalspeed—measuring arediscussedindetail，themethodsofmeasuringspeedbasedondigital pulsecountingarecomprehensivelystudied，whichprovidetheoretICbases f。restablishingexperimentalprojectusedthemethodsofalterableM／T andpositiondifferencetorealizelowspeedmeasurlngformotor，and providepowerfulguaranteeforfartherlyimprovingthepreciSion of speed—measuringandextendingtherangeofspeed—measuring． Secondly，tachosystemismainlymadeupofTMS320LF2407andCPLD， 10wsDeed—measuringformotoriscompletedbythemethodofalterableM／T． Keywords：TMS320LF2407，Encoder，theMethodofAlterableM／T 第～章绪论 第一章绪论 1．1测速系统研究的目的和意义 在科学技术高度发展的今天，国防科学技术是衡量各国科技发展程度 的重要标志，大量科技研究力量和投资都用于国防科技发展中。光电精密 跟踪技术是国防领域中的一项核心技术。跟踪伺服系统在精密跟踪系统的 研制中起着极其重要的作用。跟踪伺服系统的速度精度和速度平稳性是光 电跟踪系统设计的重要指标。因此设计高精度高分辨率的测速系统显得尤 为重要。 1．2测逮系统的现状“‘3。”’6““’6““’681 迄今为止，测速可分为两大类：模拟电路测速和数字电路的测速。随 着电子技术的发展，数字测速技术的进步，数字测速性能的提高，使数字 测速受到人们更多的重视。微电子技术的发展，计算机技术的广泛应用， 出现了以计算机为核心的数字测速装置。这样的速度测量装置测量范围宽， 工作方式灵活多变，适应面广，具有普通数字测速装置不可比拟的优越性。 [∞，62，∞，64，68】 目前，在数字系统中测速装置主要分为两类。一类是把测速机的模拟 输出信号经A／D变换为数字量，然后输入到计算机中。这是一种比较成熟 的测速方法。其优点是响应速度快，时间延迟小，其缺点是测速机灵敏度 低，寿命短，而且必须安装测速机。特别是与力矩电机配合使用的高灵敏 度测速机情况更是如此。此外速度分辨力和量化误差受到A／D转换芯片的 位数限制。例如一个n位的A／D转换芯片，考虑到正负转向，其最大测速 比为：D=2”1，如果系统要求的最高转速为Vmax，则系统的最高分辨率 为Vmax／D=Vmax／2“。‘” 另一类方法是直接采用数字测速。随着数字测速的完善和发展，在速 度回路中用它来代替直流测速机，不但可提高测速精度，扩大测速范围， 还可大大简化系统体积结构，这对设计高精度、高分辨率、小型化的测速 编码器测速方法的研究 系统显得尤为重要。数字测速是多种多样的，有脉冲测速机，光栅盘等。 目前使用最广泛的是增量式码盘。在闭环伺服控制系统中，根据脉冲计数 来测量转速的方法有下列几种：M法、T法，以及后来发展的M／T法、变 M／T法等。而多周期同步测频法是近期在发展变M／T法基础上发展起来的。 各种方法有其各自的优点及其具体的适用与范围。。“ 就本课题所研究的光电跟踪设备而言，其跟踪伺服控制系统由高低角 和方位角伺服控制系统组成，用于驱动跟踪架跟踪并拍摄高低空飞行目标， 确定目标参数。主要伺服控制系统组成结构如图卜1所示。通常采用速度 回路和位置回路二环控制。跟踪伺服系统的速度精度及低速平稳性是 评价 LEC评价法下载LEC评价法下载评价量规免费下载学院评价表文档下载学院评价表文档下载 转台性能好坏的重要标志。测量元件、反馈元件的误差(角位置测量误差， 速度测量误差)是一种有规律的误差，它将引起转台产生有规律的速度波 动，而且这种速度误差不能通过改变控制系统的参数来消除或减小。所以 在测速系统中选择适宜的测量元件和反馈元件，以尽量减小其自身的误差， 对提高系统的测量精度及平稳性将有重要的意义。 图卜l伺服系统基本组成结构 Figurel一1．Blockdiagramofservosystem 在伺服系统的速度回路中，通常采用直流测速机(或编码器)作为测 速元件来测量电机的输出速度，而在编码器上常采用位置差分法(即M法) 实现对电机转速的测量。该方法的优点是固定采样周期测量，实现起来简 单易行。在高速测量时，有较好的速度平稳性及较高的测量精度，而在低 速时却会出现速度波动幅度大，平稳性差，且随着采样频率的提高，所测 得的低速范围会变窄，测速精度随之下降等问题。所以随着仪器速度、加 速度的动态性和跟踪要求越来越高，采用传统的角度位置差分法，以不能 第一章绪论 满足要求。系统急需找到一种满足上述要求的测速方法。针对上述问题 有必要对电机的低速测量问题及对于编码器的具体测速方法进行研究。 1．3论文主要研究工作 伺服控制技术经历了交磁电机扩大系统、磁放大器控制、晶体管控制、 集成电路控制、计算机控制的发展过程，至今已经进入了一个全新的鼎盛 时期，其主要标志在于智能功率集成电路(SmartPowerIC)和数字信号 处理器(DigitalSignal—Processing．简称DSP)的出现，使得伺服系统 模块化和全数字化容易实现，长期以来建筑在现代控制理论或其他一些复 杂控制算法基础上的控制原理得以快速在线计算及进行优化处理，从而把 许多过去认为只能在理论上成立而在实际上无法应用的控制原理实用化。 本文以美国Texas仪器公司最新推出专用电机控制器TMS320LF2407为例， 在全面总结了多种测速方法基础上，研究了其结构特征和测速系统新型测 速方法的软、硬件实现等问题。具体说来，本课题以718模型为实验对象， 对编码器的测速方法进行了研究。主要研究工作如下： 1．根据数字测速的原理，确定了在数字信号处理器TMS320LF2407上实现 对电机低速测量的实验方案。 2．详细比较了各种测速方法的性能后，选择用变M／T法完成对测速系统 的硬件电路与软件的设计及调试。 3． 主要以TMS320LF2407与CPLD为核心，并采用23位绝对式编码器中的 14位精码构成了测速系统，软件上采用C和汇编语言混合编程的方法 实现了对电机低速转速的测量。 实验结果表明：用变m／T法解决了最初提出的传统方法测量力矩电机 低速转动时，测速精度低，测速范围窄的问题，达到了实验研究的目的。 编码嚣测速方法的研究 2．1引言 第二章光电码盘测速方法研究 速度闭环控制系统因具有可提高伺服系统的调速范围，改善低速平稳性等优 点，在对动态性能要求越来越高的伺服系统中，得到了越来越多的应用。测速装 置是速度闭环控制系统中的关键部分，其速度分辨能力的高低是实现高精度、大 范围速度测量的重要因素。对于不同的测速装置，其相应的测速元件选择标准以 及所要采取的测速方法也有所不同，而且每种测速方法也有其各自的优缺点及适 用范围，所以应根据实际系统的技术指标要求(如调速范围、测速精度等)，选 择适宜的测速方法，以满足系统的需要。 2．2测速元件的选择“’5 测速元件是速度闭环控制系统中的关键元件。为了扩大调速范围，改善低速 平稳性，要求测速元件低速输出稳定、纹波小、线性度好。由于测速可分模拟量 测速和数字量测速两种，所以对测速元件的选择也就自然的分为两类：模拟量测 速元件和数字式测速元件。对于模拟量测速元件，通常采用直流测速发电机，它 已被广泛应用于速度伺服系统中；对于数字式测速元件，为了便于计算机控制和 提高测速性能，在机器人和数控系统中，通常采用光电式脉冲发生器(也称增量 编码器)作为测速反馈元件。”1 2．2．1模拟测速元件的原理。1 51 直流测速发电机是一种把机械转速变换成电压信号的测量元件。1。它对伺服 系统的最大贡献是为速度控制系统提供转轴速度负反馈。尽管它存在由于空气间 隙和温度变化以及电刷的磨损而引起测速发电机输出斜率改变等问题，但它还具 有在宽广的范围内提供速度信号的能力等优点，因此直流测速发电机仍是速度伺 服控制系统中的主要反馈元件。实际上，它是一台微型直流发电机。一般来说， 伺服系统对控制元件的基本要求是：精确度好、灵敏度高、可靠性好等。具体说 来，直流测速发电机在电气性能方面应满足以下几项要求”“3： A．输出电压要与转速成线性关系，并具有对称性，而且能保持稳定： 第二章光电码盘测速方法研究 8．输出特性的灵敏度高； c．输出电压的纹波小，即要求在一定的转速下输出电压稳定，波动小： D． 电机的转动惯量要小，以保证响应速度快。 此外还要求高频干扰小，噪音小，工作可靠，结构简单，体积小和重量轻等。 其中的几个关键性因素具体阐述如下： 灵敏度一即输出(特性)斜率，它是在额定的激磁条件下，单位转速(kr／min) 所产生的输出电压。通过对输出电压的测量，达到对转速测量的目的。 ^E 阜4 。 1 3厶△．：奁趱： 图2—1．电机输出的电势波形 a．单个绕组的输出电势 b．双绕组的输出电势 Figure2-l‘Voltagewaveoftaotoroutput 测速发电机的偏差可分为三种：纹波电压、线性度和温度稳定性。 纹波的影响”1：理想的情况下，任何转速时直流测速发电机的输出电压都应 是平稳而恒定的直流电压。但是产生感应电动势的电枢绕组数不可能是无限的。 单个绕组在一对极的磁场中旋转一周产生的电势是近似梯形的交变电势，经换向 器整流后，输出为图2一l所示的脉动电势。多个绕组的合成电势只能使这种脉动 现象减小，但决不可能消除。因此，输出电压将总是呈现微小的脉动，称这种脉 动现象叫做纹波。在一般系统中纹波电压频率较高，RC低通网络很容易将它滤 掉。所以一般的调速系统对纹波要求并不高。但是，当用于阻尼作用和高精度速 度、加速度反馈等要求较高的系统时，对纹波的要求就很苛刻了，需要研究整个 测速范围的纹波电压。而在高精度的解算装置中则完全是不允许的。 测速机的纹波电压是影响系统速度性能的一个因素。它一般是转角的函数， 但不一定成比例。由于纹波现象的存在，使得速度、加速度的测量精度因此降低， 这也是模拟电路测速效果低于数字电路测速的原因所在。 线性度、温度稳定性的影响。1：直流测速发电机当工作在“额定”转速时， 它的线性度特性一般是很好的(O．5％左右)，但是当工作在较高转速时，应考虑 编码器测速方法的研究 非线性的问题。对于温度稳定性，它与磁铁的温度系数有关，在要求高的系统中， 需要采用温度补偿技术。 2．2．2数字测速元件的原理“1 数字测速元件由光电脉冲发生器及检测装置组成。它们具有低惯量、低噪声、 高分辨率和高精度的优点，有利于控制直流伺服电动机。脉冲发生器连接在被测 轴上，随着被测轴的转动产生一系列的脉冲，然后通过检测装置对脉冲进行比较， 从而获得被测轴的速度。 数字测量中用到的关键部件是光电编码器，俗称码盘。码盘是一种先进的角 位移、角速度测量元件，也可作为模／数转换器，因其具有结构紧凑、可靠性好 等优点，广泛地应用于数控机床、机器人、雷达、航空、航海水文及各种精密测 角及高精度伺服电机的转速测量中。光电编码器可分为两种：绝对式光电编码器 和增量式光电编码器。绝对式光电编码器具有固定的零点位置，一般用于雷达、 指挥仪等军用系统中。增量式光电编码器则广泛用于速度闭环控制和位置增量控 制系统中。它将角度信息转变成一列脉冲串，通过测量脉冲串的频率，达到对转 速测量的目的。 光电脉冲发生器又称增量式光电编码器。最近广泛使用的数字测速元件就是 光电式脉冲发生器，它是增量式光电编码器的一种，图2—2为其基本原理图。 光敏元件 f放大整形E：嚣 光电转盘 图2—2基本光电脉冲发生器的部分分解示意图 Figure2-2．PhotoelectricityPulseProducerDecomposeSketchMap 第二章光电码盘测速方法研究 它由光源、光电转盘、光敏元件和光电放大整形电路组成。光电转盘与被测 轴连接，光源通过光电转盘的透光孔射到光敏元件上，当转盘旋转时，光敏元件 便发出与转速成正比的脉冲信号。为了适应可逆控制以及转向判别，光电脉冲发 生器发出两路(A相、B相)相隔n／2电脉冲角度的正交脉冲，输出波形如图2—3 所示。通过对正交脉冲进行4倍频处理，以及脉冲计数电路对4倍频脉冲信号进 行计数，由CPU采样，并与固定频率的高频时钟脉冲的计数值比较、计算后得到 被测伺服电机的转速。在某些编码器中，常备有用作参考零位的标志脉冲或指示 脉冲，用来指示机械位置或对累积误差清零。 在闭环控制的PWM伺服系统中，对测速装置的质量要求比较高，通常应满足： A． 高分辨率分辨率表征测量装置对转速变化的敏感度，当测量数值改变，对 应转速由n。变为n：，则分辨率Q定义为Q=n。一n。(r／min)(2-1) Q值愈小， 说明 关于失联党员情况说明岗位说明总经理岗位说明书会计岗位说明书行政主管岗位说明书 测量装置对转速变化愈敏感，亦即其分辨率愈高。为了扩 大调速范围，使电动机在尽可能低的速度下运行，必须有很高的分辨率。 B．高精度精度表示偏离实际值的百分比，即当实际转速为n、误差为An时 的测速精度为：s％=(An／n)×100％ (2-2) 影响测速精度的因素有：光电测速器的制造误差(光电转盘安装的不同心度) 及对脉冲计数时总有的±1个脉冲的误差。 c．短的检测时间所谓检测时间，即连续两次速度采样的间隔时间T，T愈短 愈有利于实现快速响应。 。相厂]厂] 嘣习』m“2悻≮}卜 标记脉冲L—J a) ，周期． h■—————'一 厂]厂]A相一L一卜～ 厂]?m B相—J叫iLi甜厂 b) 图2-3光电脉冲发生器的输出波形 a)顺时针转 b)逆时针转 OutputWaveofPhotoelectricityPulseProducer 编码器测速方法的研究 2．3数字测速方法。’“ 在闭环伺服控制系统中，根据脉冲计数来测量转速的方法有：M法、T法， 以及后来发展的M／T法、变M／T法等。而高速、高精度、连续测量方法是近期在 发展变M／T法基础上逐渐发展起来的。各种方法有其各自的优点及其具体的适用 范围，现简述如下。 2．3．1常用的测速方法。’ 常用的钡0速方法有三种：M法、T法和M／T法． A． M法测速(又叫定时测角法)：即在规定的时间间隔T。内，测量所产生的脉 冲数来获得被测速度值，这种方法称为M法测速。设脉冲发生器每转一圈发出的 脉冲数为P，且在规定的时间T。(S)内，测得得脉冲数为m。，如图2—4所示， 则电机每分钟转数：‰56o．景p／min) (2—3) mi Tg 一 图2--4M法测速原理 Figure2-4SpeedMeasurementTheoryofM M法测速的技术指标： A)分辨率由(2一1)可得，M法的测速分辨率为p：垡竖幽一60．rai旦(2—4)P。i；P≮P。i； 可见，Q值与转速无关，即计数值m．变化l，在何转速下所对应的转速值增 量均等。当电动机转速很小时，在规定时间Tg内只有少数几个脉冲，甚至只有一 个或者不到一个脉冲，则测出的速度就不准确了。欲提高分辨率，可改用较大P 值的脉冲发生器(即增加光电转盘的透光孔或刻线密度)，或增加检测时间L。 B) 测量精度此方法虽然检测时间一定，但检测的起始时间具有随机性，因此 第二章光电码盘测速方法搿f究 溅塞遭程在壤端{毒滚下会产垒士1令转速辣跨弱捻溺误惹，羹莲稳对误蓑为 l／m；。当被测转速较高或电枫转渤一圈发出的转速脉冲信号的个数较大时，才有 较高的测照精度。即随着转速增加，m。即增大，相对误差会减小，说明M法适用 于高速测爨场合。 e)硷测时勰爨式(2—4)可褥≯=毛=嚣 (2～i) 式中瓦——规定的测量时间。 在保持一定分辨率的情况下，缩短检测时间的唯一办法是改用P值大(转盘 裁线密度太域透党孔多)豹光瞧赫浊发生器。 ’ B。 T法测遮(又秘定舞溺E亨滋)：瑟溺量裙邻两个躲冲酶时闻闻隔采确定被滚《 速度的方法。用一已知频率为正的高频时钟脉冲向一计数器发送脉冲数，此计 数器由测遮脉冲的两个相邻脉冲控制其起始和终止。若计数器的读数为m：(如 蓥2-5所示)，粼毫疆每分镑熬转数为：n。=60·÷L9，min，(2-s) i'm， 式中工——时钟脉冲频肇； m：——计数器对时钟脉冲频率五的脉冲计数值。 脉冲发生 输出脉冲 时钟脉冲 下№h 厂^弋 黼2-5T法溅速器疆 Figure2-5． SpeedMeasurementTheoryofT T法测遮的技术指标： 妨分辫率 盘式(2一l>哥褥：Q=丐60万．fo一面6丽0．fe=—60』f。蛊+三n．一P (2—7)m，， {掰，+l}， 可见，柱极端情况下，时间的检测会产生±1个离频脉冲周期。因此T法在 编码器测速方法的研究 被测转速较低(相邻两个转速脉冲信号时间较大)时，才有较高的测量精度。亦 即随着转速n。的升高，Q值增大，转速愈低，Q值愈小，T法测速在低速时有较 高的分辨率。 B)测量精度由于光电脉冲发生器制造误差为s，％，导致测速的绝对误差随着 转速的升高而增加。另外，时钟脉冲硒计数时，总有～个脉冲的误差，由此造成 的相对误差为1／％随着转速月。增加，mz计数值减小，此项误差也随之增大。 可见，T法在低速时有较高的精度和分辨率，适合于低速时测量。 c)检测时间检测时间T等于测速脉冲周期‰，即r=‰=j鲁(2喝) 可见，随着转速的升高，检测时间将减小。确定检测时间的原则是：既要使 T尽可能短，又要使计算机在电机最高速运行时有足够时间对数据进行处理。 D) 时钟脉冲正的确定 由式(2—7)可知，五愈高，分辨率愈高，测速精度愈 高；但五过高又会使m2过大，使计数器字长加大，影响运算速度。确定方法是： 根据最低转速‰mm和计算机字长设计出最大计数m2。。，由式(2—6)得 f：坠≤；堕(2-9)～ 60 C． M／T法测速 同时测量检测时间和在此检测时间内脉冲发生器发送的脉冲 数来确定被测转速，其原理如图2-6所示。它是用规定时间间隔t以后的第一 个测速脉冲去终止时钟脉冲计数器，并由此计数器值m：来确定检测时间T。检测 时间为：T=t+AT (2～10) 设电机在T(S)时1司内转过的角度位移为X(rad)，则其实际转速值为 船。：罂：—当L (2—11)” 2；rT 2玎(一十AT) 如果电机每转动一圈脉冲发生器输出P个脉冲，在T时间内，计数值为m．， 则角位移x为z=2rcm。／P。同时，考虑在检测时间T=L+AT内，由计数频率 为正的参考时钟脉冲来定时，且计数值为m：，则检测时间T可表示为T=m：／L， 第二章光电码盘测速方法研究 于是删黼概=等(r／min) (2-12) 上式中的60‘‘项是常数，在检测时间T内，分别计取测速脉冲／：。。和时钟 脉冲／：=的脉冲个数码和m：，即可计算出电机转速值。计取疋时间内的测速脉冲 ，。的个数相当于M法，而计取T(T=t+AT)时间内参考时钟脉冲五的个数 m，相当于T法，所以这种测速方法兼有M法和T法的优点，在高速和低速段均 可获得较高的分辨能力，M／T法由此而得名。 通过上面的分析可知：M法测量转速在极端情况下会产生±1个转速脉冲的 误差，而T法在极端情况下，时间的测量会产生4-1个高频脉冲周期，由于转速 脉冲的频率远小于高频脉冲的频率，因此如果用转速脉冲信号的上升沿／下降沿 来同步计数器的起止，在预定的测速时间内，转速脉冲信号的计数值将为整数(无 误差)，只有高频时钟脉冲会产生±l的误差，因其很小，影响可以忽略，所以 M／T法可适用于测量高、低速的场台，且具有较高的测速精度，但检测时间不宜 过长。虽然M／T法测速可满足一些快速性要求不高的速度伺服控制的要求，它具 有宽的调速范围、高精度和高分辨率的特点，但对于快速响应的伺服系统，M／T 法在低速运行时，会使检测时间过分加长，这是速度闭环所不能忍受的。 ：：：L————心——一．一一————————————一、————————————、撇嘉置l』{|ll』I 检测时间 时钟脉冲 !灿删山L二二二二二∑二二二二：：叫删＼———————————、，——————————√ 图2-6M／T法测速原理 Figure2-6． SpeedMeasurementTheoryofM／T M／T法测速的性能指标 编碍麟测速方法抟辑究 A)分辨率由于t定时和m。计数同时开始，ml无误差。由m2变化±1时，得Q 为；Q=字(志～寺=莉60f,'mi=里m2-I(r／咖)∞㈣ 鼙测逮精度焉F。(％≥淡示溅速黥狰屑赣‰不鹭匀误差，因误差不累积， 计敬州：时只猩最后一个周期内对删：产生影响，由此引起的测遮误差 气。(％)为‰=钐． 番考惑诗数磁，#孝霹戆产生主l的误藏，弱诗数瀑差为占。。土。100％。 。 彬2—1 忽略微机有艰字长的舍入误差，则M／T法测逮的最大误麓为 占⋯≈占。。 。三上+——!—一×100％ (2—14)+8占max蒯占m曲m描二m+——。 lz—lm2-1 2。3。2鬻用数字测速方法浮徐 以上对数字测速的三种方法作了详细描述，为了便于比较，现将三种速度测 量豹计冀公式茳憨魏表2一i。 由袋可见，对分辨率而言，T法测低速时较商，随着速度的增大，分辨率变 蓼。醛渡燃稳反，糍速时较薅，淹若遮发静痒低。分辨率交差；M／T瀵粒彰％蹩 常数，与速度无关，因此它比前面两种方法都好。 鼓测遽穰度上善，也敷M／T法为佼。至予捡i羹||辩润，在糖准熬甄浚中，T=乏， 与速度无关；在T法中，因为取测速脉冲的间隔时间瓦。作为检测时间，因而， 随着速艨静增大丽减小；M／T法检测秘瞬稿对前两种方法怒较长静，僵是若硝微 牺牲一点分辨率，选择分辨率在最低转速是仍可使m，=5—6个脉冲，便可使检测 时闯几乎与M法栩闻(T“瓦)。另外，速度控制系统的响应决不仅仅是由检测 时间确定，还与功率转换电路、电动枫的特性以殿负载情猿有关。鞠越，检测时 间的选取，应视系统的要求而定。僵对快速响应瑟求较高的系统来说，检测时间 销二避光电码盘测速方法研究 懿影羲是不器忽褫熬。 Table2-1．DigitalPulseSpeedMeasurementFormula 表2一l数字脉冲的测速计搏公式 方法 M法 T法 M／T法 被测逮瘦 ∞旦 60一王￡一 ∞五璺 P{， Pm， p徽、 ／-／“p／rain) 检测时间 瓦 ‰=暴 一l———一十lJⅣ、 60 ’ 分辨蜜 60 亟篓 拦埘 Q P疋 60五+‰P 磁。一l 精度 l 生+—L×100％‘。。—— 占．+—— D?1 m。 m】 m2—1s(％) 2．3．3新烈测速方法 A， 变M／T法“：是为了解决常用髓M／T浏速法中存在的检测对间过长，梭测误 差过夫_瑟箍爨来懿。其体是指瓣逮过程中，不仅铡致瓣溺速鲸净与高频时镑躲；孛 随电机的转遮不同而变化，而且测量时间Tg也是变化的，它将始终等于光电脉 冲发生器燕数个脉冲信号之和。其原理如图2—7所示。由图可知， 一的大小由 已知的高频时钟辣冲腕：计取，即疋=m2／五，电机黪遥发‰=60m，L／em。，此 时酶m，与M／T法中静m，含义不露，它不含△T时闯内的赢频时钟赫i串个数。可 在相当广的邂度范围内高精度测滤，且响应快，工作可靠性高，对设计全数字化 PWM系统数字测速、位置反馈检测有实用价值。 13 编码器测速方法的研究 L—————————————、————————————一 蚴?!n厂]厂]厂]厂1 ，。m m2 ：，—————————————7。————————————。’一 时钟脉冲h厂]r]r]r]几nr]厂]n o‘k‘——————————二^—————————————————一 图2—7变M／T法测速原理 Figure2-7． SpeedMeasurementTheoryofAlterableM／T 由于在检测时间T。内，帆始终是一个整数，只有啪，脉冲可能存在±1的误 差，所以相对误差为％，。显然检测误差与个m：成反比。该方法的优点在于： 它不必象M／T法那样费力的去测取△T，且无论在高速或低速，其检测性能都等 于或超过M法或T法。 B，高速、高精度、连续测量方法。41：是对变M／T法的完善。 虽然变M／T法使测量精度有了较大的提高，但它也有其缺点：在快速测量的 要求下，因为要求较高的测量精度，所以必须采用较高的时基频率，这样，标频 计数的位数较多。测量的动态范围受最小速度的限制，使之不能有大的扩展。且 对于误差源产生的过程而言，每测量～次均会产生±1个脉冲误差，即相当于系 统时钟多／少计了一次，所以精度还有进一步提高的空间。且因为计数器计数的 限制，所以计数范围有较大的局限性。若采用分频器(分频数设为N)，则每测 量一次，相当于多／少计算了N次，误差较大。“高速、高精度、连续测频原理” 正是基于上述问题提出来的。其工作原理如图2—8所示。对未达到整数倍分频脉 冲的误差，采用系统时钟脉冲填补的方法，这样更充分的利用了高频脉冲快速的 特点，且速度范围调整有较大的随意性，码盘每转所产生的脉冲数P也不必因时 钟脉冲的范围大小加以调整，软件实现起来更为简洁，且不用计算定时时间，而 只需根据所确定的速度范围确定被测脉冲的m。即可。而实际闸门定时时I司为NTx (即为被测脉冲的整数倍)无须计算。且由于分频器及高频脉冲填补等方法的应 用，实际上大大的提高了16位计数器的计数范围，使原本16位的计数器完成了 原本24位、甚至32位计数器才能完成的工作，大大提高了其应用范围。 14 擀二二章光电码盘测速方法研宽 参考疑门：曩———]厂了一 被测信号； nnr]nn厂]几厂|n 实际闸门 蠡频分蔟： 标频计数 图2—8高速、离精度、连续测嫩方鬃原理 Figure2-8．ProjecttheoryoftheHighSpeed。High Precision．Consecutive龋easurement 2．3．4其他测速方法㈣ 珐了以上分缨戆测速方法外，述有壹接灏频法秘多翅麓藏步铡频方法。 A。 蓝接溅频法脚1：是在给定的嘲门信号中填入脉}窀，通过必要的计数缝路，得 到填入脉冲的个数。从而算出待测信号的频率或周期。 在测量过稷中，依据信号频率大小的不同，测量方法分为两种： A)被测信号频率较高时：先爆频率较低标准频濑信号{乍为阕门信号，箍将被 溺滚号{乍为壤充踩滓，在溜定麓门霹闻交对冀计数。 B)被测信号频率较低时：选用被测信号作为闸门信号，而将频率较黼的标 频信号作为填充脉冲，进行计数。 这种测速方法的主要缺点是：由于±l误差的存在，难以兼顾低频和高频 实瑷等凑菠溅量，骚良撼爱精度鞍低。 B． 多周期同步测频法9。1：如图2-9所示。它的闸门辩间不是固定的傻，黼是被 测信号的整周期倍，即与被测储号同步，因此消除了对被测信号计数产生的±1 个脉冲误差，测量精度会因此大大提高，达到了在整个测量频段内的等精度测量。 壶以上瓣琴孛方法匏论述过稷孛霄知：壹接铡频法瓣是姆赫法帮T濠合并在一 起送行讨论，箕方法实质鄄是M法帮T法。露多餍瀚嗣步测频方法魏澎式与变 M／T法类似，两种方法的本质相同。所以，其测迭糟度及分辨率自然也就相同。 编码器测速方法的研究 参考闸门 实际闸门 被测信号 时基脉冲 时基计数 F=====了-：======：l 图2—9多周期同步测频法测速原理 Figure2-9．SpeedMeasurementTheoryofmanyperiodmeasuringfrequency 通过对以上多种方法的讨论可知：目前，根据脉冲计数来测量转速的方法主 要是：M法、T法、M／T法和变M／T法。而高速、高精度、连续测量的方法是对 变M／T法的推广，以扩大测速范围，提高测速精度，其方法本身仍是变M／T法。 由此可见，在目前已掌握的方法中，变M／T法是测速精度最高，测速范围最广， 检测性能最完善的方法。 2．4经纬仪控制系统数字测速的实现 在目前的经纬仪实际控制系统中，系统要求的调速范围和高、低速速度精度 如下： 调速范围：0．01。／s一100。／s 低速分辨力：O．005。／s 根据以上的具体要求，有必要对通常采用的测速方法是否适合于目前系统指 标要求的问题进行研究。 在光电跟踪设备伺服系统的速度回路中，通常采用直流测速机(或编码器) 作为测速元件来测量电机的输出速度，在位置回路中，测角元件是24位的绝对 式光电轴角编码器，常采用位置差分法(即M法)其数学模型为 co(n)=[O(n)一O(n一1)]／瓦(其中，t为采样周期)实现对电机转速的测量。用 该方法测速的优点是固定采样周期测量，实现起来简单易行。但要求低速时编码 器的电子学细分精度非常高，高速时编码器的16位码之间的频响和校正衔接良 好，不允许有跳码的现象。具体说来，该方法在高速测量时，有较好的速度平稳 性及较高的测量精度，而在低速时却会出现速度波动幅度大，平稳性差，且随着 第二章光电码盘测速方法研究 采样频率的提高，所测得的低速范围会变窄，测速精度随之下降等问题。而采用 增量式编码器进行测速方法的就灵活得多，即可以采用M法、T法、MIT法、变 M／T法等方法。 下面通过具体例子，说明位置差分法不适于目前经纬仪实际控制系统中低速 测量的问题。在经纬仪实际控制系统中，测角元件是24位绝对式光电轴角编码 器。编码器的连续输出只有16位(即码盘刻划码道只有16圈)其它8位通过电 细分产生。假定在经纬仪速度回路中，要求的测速范围是实际控制系统001。 ／s一100。／s，系统的采样频率为400c／s或800c／s。此时数字测速的主要难点 在于o．Ol。／s的低速测量。如使用常用的位置差分法，按式(2．3)，即一个采 样周期L必须产生一个码盘脉冲计算，在丁，不同时，所能测到的最低转速如下： A·T／=400C／S时，‰=器=焘=0．0086形ss e．T／=800C／S时^。=篇=淼=0．0172形ss 可见，采样频率越高，所能测得的低速范围越窄，且测速精度越低。而速度越 高，用该方法就越易实现高精度测量。以丁，=800C／S为例，高速时， 矿=等=o0172×研。(m1为码数)，所以要达到。．1％的测速精度，仅需％ ≥1000即可。即当力矩电机的速度为17 2。／s一100。／s，系统的采样频率为 丁，=800C／S时，用位置差分法很容易实现精度为0．1％的速度测量。而当力矩电 机的速度为O．01。／s--17．2。／s时，用上述方法便很难实现系统要求了。 根据位置差分法的传递函数G(J)2再j忑，从它的相频特性来看，采样频 率越高，愈能无失真的恢复出原模拟图的效果，亦即数字化效果越好，系统带宽 越宽，越有益于满足伺服跟踪系统快速跟踪目标的要求。 从位置差分法的计算公式丛堕三；量翌』来看，巧越小，则在编码器分辨力 』／ 一定的情况下，o(n)变化越不显著，所以计算出的速度精度也就越低。 编码器测速方法的研究 盘凳露羹，由于瑟器速凌、秀嚣速度戆动态经及裁踩要求越来越毫，遴磐使霹 的礁法无法解决采样频率提高坶所测得的低速范阐会变窄，测速精度会髓之下降 的矛盾，所以必须采用新的测速方法以满足系统要求。 由前面对数字测速方法的讨论可知，在低速情况下，用T法测量通常可获得 高精度豹测爨缝鬈，毽它又无法满足高速时系统的鬟求。由于系统要求鲍调速范 围较宽，辑隧所选瓣速方法应兼鞭蓠、低速测量对均麓满足系统测量精发和瓣量 范围的要求，且高低速之间转换应简单方便等特点。在目前已掌握的方法中，变 M／T法是测濂精度最高，测速藏阐最广，检测性能墩完善的方法。当电机转速较 低时，可取端=l，繇T法：露警邀褪转速较毫对，取置=’粤，即赫法，且二 一 {： 者之间的转捩随着电机转速的快慢自动完成，较好的解决了传统高低遮测量时， 二者之间的转换速度段算法复杂的特点。所以，根掰系统测速精度高、测速范围 大等要求，确定在最新的数字信号处理器TMS320LF2407上用增量式编码器及变 M／T法实凌对邀援低速转速测爨瓣实验方案。 2．5本章小络 这一奄荫先比较了模拟和数字两种测速元件的优缺点，然后按照转遥测量方 法的发展避疆，详细全面的夯绥了根据躲冲计数测麓转速的方法一酣法、T法、 M／T法各蠡戆王作缀理、逶臻藏瓣及优点，著在垂乏蘩磷之上分孝厅了透麓发矮筵来 的变M／T法，直接测频法，多周期同步测频法，高滤、高精度、连续测蹩方法的 工作原理。在详细的分析了多种测速方法的测速原溅之后，得出了目前核心的测 速方法即为艟法、T法、M／T法鞠交M／T法的结论。谈部分是目前所了解到的测 速方法戆凝聚程慧结。最蜃，凝攘经终饺实嚣接肇l系绞中，系统蕊谖遮藏鋈宽、 高低速速度精度要求高的特点，详细讨论了原有测遮方法的不足，并按照目前系 统要求选定用变M／T法实现对力矩电机低速测量的实验方案。测速元件的选择， 测速方法和关键参数的确定对实际测速结果起到了黧关夔要的作用。 针对不强测速蒸墨及测逮元传选择不冠豹铡逮方法，可褥至g较蠢滟溅量精 度，并可蕊亿硬俘设计，这至《枣半功倍的效票。第三、瞪章是在诧基磷上，其体 讨论了变M／T法在硬件和软件上的实现过程。 18 第三章测速系统硬件设计 3．1引言 第三章测速系统硬件设计 通常对电机转速的测量是通过测量与电机同轴安装的编码器转速来实现的。 正是由于编码器的码盘与电机同轴安装，码盘会随电机同轴转动，才使得编码器 的转速与电机的转速相同。进而达到对编码器转速的测量即是对电机转速测量的 目的。 具体而言，编码器的速度是其单位时间内转过的角度，也即是其每秒钟产生 脉冲的个数(即信号频率)，与编码器以及电机在测量时间内的位置变化成正比。 传统测速问题均是采用单片机进行，其特点是数据处理速度慢，难以实现实 时测速。而快速的数字信号处理器的问世，大大弥补了以上不足，为最终实现跟 踪伺服系统实时测速提供了有利的保障。本章正是在继承传统单片机测速的基础 上，对将DSP用于测速系统中的设想进行了初步的探讨。 具体的方案如下：在最新的数字信号处理器TMS320LF2407上采用目前测速 效果(测试精度、动态范围)最好的变M／T法实现了对电机低速转速的测量。 TMS320在控制中的用途目前分为：伺服电机控制，过程控制，机械手(工 业机器人)以及温度、压力的控制。军事和宇航方面的应用主要包括：稳定平台、 瞄准控制、自动驾驶仪系统、惯性导航系统和通常的伺服机构。作为划时代的 TMS320C2000l”DSP在控制系统中有许多新的特点。本章在上一章详细介绍了多种 数字测速方法后，首先针对目前在我国起步较晚并具有极好发展前景的DSP的 系统、芯片结构作了简单的介绍，然后对目前剐刚问世的TMS320LF2407芯片的 结构和其适合于电机控制的特点作了简要的说明。DSP在控制上的应用是DSP的 主要应用领域之一。本章的最后在对DSP在电机控制系统中的控制优势讨论之 后，充分利用了TMS320LF2407的结构特点，详细的对变M／T法实现对力矩电机 低速转速测量方案的硬件系统设计进行了介绍。 3．2DSP及其在电机控制中的优势 数字信号处理(DigitalSignalProcessing，简称DSP)是一门涉及许多 学科而又广泛应用于许多领域的新兴技术。20世纪60年代以来，随着计算机和 编码器测速方法的研究 信息技术的飞速发展，数字信号处理技术应运而生并得到迅速发展。 在过去的几十年中，电机控制系统一直以模拟控制为基础而进行的。随着数 字信号处理技术的发展，传统的模拟控制系统正逐渐向数字控制系统过渡。近年 来，数字信号处理器的出现和飞速发展极大的推动了电机的数字化控制进程。以 电机控制为例：DSP在交流感应电机，异步电机，永磁电机和无刷直流电机控制 系统中都得到了广泛的应用。本章在介绍DSP的基础上，对其在电机控制系统中 的控制优势展开讨论。 3．2．1DSP简介 DSP芯片，数字信号处理器，是一种特别适合于进行数字信号处理运算的微 处理器，其主要应用是实时快速的实现各种数字信号处理算法。当然，与通用微 处理器相比，DSP芯片的其他通用功能相对较弱些。 可编程DSP芯片是一种具有特殊结构的微处理器，为了达到快速进行数字信 号处理的目的，DSP芯片一般都具有程序和数据分开的总线结构、流水线操作功 能、单周期完成乘法的硬件乘法器以及一套适合数字信号处理的指令集。 为了快速地实现数字信号处理运算，DSP芯片一般都采用特殊的软硬件结 构。哈佛结构、流水线操作、专用的硬件乘法器、特殊的DSP指令再加上集成电 路的优化设计，可使DSP芯片的指令周期降低至现在的20ns以下。快速的指令 周期使得DSP芯片能够实时实现许多数字信号处理的应用。 3．2．2TMS320LF2407--增强型数字电机专用芯片。4“1 本文主要应用了TMS320LF2407数字信号处理器实现了对编码器位置和转速 的测量，现将其结构和特点介绍如下： TMS320LF2407芯片是DSP控制器中TMS320C24⋯一代中的新产品，是 TMS320C2000】“定点DSP中的一部分，该芯片提供了TMS320“结构上的具有c2xX 内核的CPU低价位、低功耗、高性能的增强型设计，满足了宽范围的数字电机控 制(DMC)和其它嵌入式控制的应用需要。该产品基于C2X16位定点、低功耗的 DSPCPU，具有优化数字电机和运动控制应用性能的几个先进的外围设备以及片 上ROM或带FLASH的程序存储器、片上双端口RAM也均被集成到了一块DSP处理 第三章月j速系统硬件设计 器中。它采用了改进的哈佛结构，同时采用流水线技术，使得多数操作在一个时 钟内完成。为了便于多数产品开发，高于32K字节的FLASH装置提供了功耗低、 可多次编程的解决方案。它也包括ROM，这使之能与FLASH的对等产品达到完全 兼容。为了满足电机控制的需要，2407提供了一系列存储器和特制的外围设备， 正是依赖其高速内核以及各功能外设的充分利用，使2407完全有能力完成对各 种电机的高性能控制。。“ 3．2．3DSP在电机控制系统中的控制优势“” 传统的电机控制系统基于模拟器件，因而易于设计并且能以较低的代价来实 现。但是，模拟系统也有其缺点：元件的老化和温度的变化都会导致系统的不稳 定，这就需要人们随时进行调节，可见模拟系统的稳定性较差；另外，模拟器件 的容错性和系统的升级也都是很难解决的问题。这是由于整个系统的设计完全是 基于硬件而进行的。 与模拟控制相比数字控制系统有明显的提高：由于几乎所有的功能都是以数 字形式进行的，所以消除了温漂现象；系统进行升级时只需更换软件而无需改变 硬件设计；另外整个系统集成度高，因而可靠性也较高。表3．1给出了模拟控 制系统与数字控制系统的优缺点，从表中可以看出数字控制系统要比模拟控制系 统难设计，但是一旦设计成功，其稳定性与稳健性都要远远优于模拟控制系统。 Table3．1ComparisonofAnalogversusDigitalControllers 表3．1模拟控制系统与数字控制系统优劣性比较 控制器 优点 缺点 带宽高 器件易老化 模拟 分辨率高 温度漂移问题 容易设计 无软件设计 可编程 带来数字问题 数字 对环境不敏感 必须采用高性能处理器 控制精确 设计较困难 能实现复杂算法 我们知道，电机