光电编码T测速方法1115.docx

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光电编码T测速方法1115

一种新型摩托车用高精度光电测速方法

更新时间：

2010-01-1117:

02:

29

摩托车用测速方法主要是通过前轮带动路码软轴，使永久磁铁旋转，感应盘切割磁力线，建立涡流磁场，并与永久磁铁的旋转磁场相互作用进行速度测试，这种传统的机械测试方法虽然简单，但误差相对较大，目前市场上已有不少新式电子式测速装置应用在摩托车上。

在光电编码器构成的测速系统中，常用的测速方法主要有三种：

即“M法”“T法”“M/T法”经过分析，现有的几种常用的基于光电编码器的测速方法都无法满足较高精度测试的要求。

实际上，测速的本身

就是对准确性的要求，而速度测量的精度和实时性将直接影响整个测速系统的性能和准确性。

本文在对几种常用的光电测速方法分析后，提出了一种新的测速方法，这种方法具有较高的精度和实时性，可以满足人们愈来愈高的对速度准确性的要求。

一、常用的几种基于光电编码器的测速方法

在图1中列出了3种常用的基于光电编码器的测速方法，假定时钟频率为f，光电编码器在前轮每转一周产生的脉冲数为P。

M1和

M2分别是对在相同的时间内编码器脉冲和时钟脉冲进行计数的计数值。

1、“M法”测速

通过测量一段固定的时间间隔内的编码器脉冲数来计算转速。

如

图1（a）所示，设在固定时间T内测得的编码器脉冲数为M1，贝卩用M1除以T（即：

M1/T）得到单位时间内编码器产生的脉冲数，用它再除以N，则得到的M1/（NXT）表示单位时间内前轮转动的周数，最后再乘以60（s）就得到前轮每分钟转到的周数，从而实现计算转速的目的。

用公式表示为：

根据以上分析，可知这种测速方法的准确性主要由M1决定，并

且在转速较高时M1也较大，其相对误差较小，故适合于高速场合的测试。

2“1法”测速

通过测量编码器两个相邻脉冲的时间间隔来计算转速，则用M2除以f得到1个编码器脉冲所占用的时间，其倒数（即：

f/M2）为单位时间内编码器产生的脉冲数，与“M法”测速类似，即得转速计算公式：

这种测速方法的准确性主要由M2决定，并且在转速较低时，1个编码器脉冲持续时间较长，M2也相对较大，其相对误差较小，故适合于低速场合。

3、“M/■法”测速

“M/T法”是前两种方法的结合，同时测量一定个数的编码器脉冲和产生这些脉冲所需的时间，由上述“T法'可知：

M2/f产生这几个编码器脉冲总共所需的时间，用M1除以M2/f得（MIXf）/M2，它表示单位时间内编码器产生的脉冲数，由上分析即得转速为：

这个方法将M1和M2结合使用，在整个速度范围内有较好的准确性，但对于低速，该方法需要较长的检测时间才能保证结果的准确性，无法满足转速检测系统的快速动态响应指标。

二、一种基于光电编码器的新的测速方法

1、基本原理

根据以上分析可知，“M/T法”综合了“M法”和“T法”的优点，但低速段的动态响应太慢。

因此如果能够根据速度情况实施改变“M/T法”

中M1的值，随着速度降低减少M1的值，就可以改善“M/T法”在低速段测速动态响应慢的问题。

由于“M/T法”的采样周期总是产生M1

个编码器脉冲的时间，随着转速增高，编码器脉冲频率变大，采样周期逐渐变小，其相对误差增大了。

本文提出的测速方法由于M1的值

可以随速度改变，在高速段增加M1的值使得采样周期基本不变，因而相对误差也基本不变；在低速段M1的值可降到1，满足系统动态响应要求，但相对误差比“M/T法”相差很小。

2、系统实现

测量过程中计数板卡要分别对编码器脉冲和时钟脉冲进行计数，由测速原理知道两个通道并不是彼此独立的，从其相对误差的计算式可以看出对编码器脉冲的计数必须是完全没有误差的，这要求计数周期要与编码器脉冲的上升严格同步，并且要实现“M/T法冲M1的值

随速度变化而改变，系统的电路采用了两个D触发器和一些附属电路实现了上述功能，如图2所示。

系统要求10ms左右刷新一次速度，所以在第一个触发器的置零端接了一个周期10ms的窄脉冲，脉冲宽度为10us。

最终生成的Q2信号接到计数的GATE端，用于控制计数器的工作。

其中，第二个D触发器延时电路延迟时间t为20us左右，利用这段时间锁住计数器，这样可以很精确地读取计数器的值。

电路工作时序如图3所示，从图中可以看出，第一个触发器D使得Q1信号的上升沿与编码器脉冲严格同步，从而保证了可以无误差地对编码器脉冲进行计数，而在周期为10ms的负脉冲的作用下，其相邻两个脉冲的时间间隔为最接近10ms的M1个编码器脉冲时间，这个间隔时间不受编码器脉冲频率变化的影响，所以测速的动态响应不受影响。

第二个D触发器主要作用是在Q1信号的上升沿来临时锁住计数器，并通过延时电路延时一段时间再启动计数器计数，这样可

以精确地读取计数器的值，把差值加上延时时间，就得到编码器输出M1个脉冲的同时输出的时钟脉冲数M2。

通过简单的电路就可以使得”M/法测速中M1值随着转速变化自

动变化，并且在整个速度范围内采样周期都保持10ms左右，解决

了”M/T法测速在低速段动态响应慢的问题。

测速程序每10ms产生一次中断，中断来临后查询Q2信号是否为低电平，确认是低电平后读取编码器脉冲计数器和时钟脉冲计数器的值，与上一次中断得到的值相减，并将时钟脉冲数加上延时时间，就可以精确地得到M1和M2的值。

由（3）式计算而得到转速值。

（胡廉民杨杰/文）

实验4光电编码器实验

一、实验目的：

1.掌握光电编码器的工作原理与使用方法。

2.掌握T法测速的基本原理。

二、实验设备：

1.EM400教学设备一台。

2.计算机一台。

3.双踪示波器一台。

三、实验原理：

（一）光电编码器的工作原理

图1增量式光电编码器的工作原理

1发光二极管2光电圆盘3转盘缝隙4遮光板ABC光敏元件

以最常用的增量式光电编码器说明其原理（如图1）。

光电圆盘与被测轴连接，光线通过光电圆盘和遮光板的缝隙，在光电元件上形成明暗交替变化的条纹，在A、B光敏元件上产生近似于正弦波的电流信号，经放大整形电路变成相位相差90。

的方波信号，如图2所示。

轴每转动一圈，只产生一个C相脉冲，用做参考零位的标志脉冲，在数控机床的进给控制中，C相脉冲用来产生机床的基准点。

A相和B相的相位差可用作电机的旋转方向判别，若A相超前于B相，对应电

机作正向运动；反之，对应电机作反向运动。

该方波的前沿或后沿产生的计数脉冲，可以形成代表正向和反向位置的脉冲序列。

此外，在实际应用中，为了提高编码器信号的传输能力和抗干扰能力，每一相都以差分形式输出，如A相有A

和A/一起差动输出。

图2光电编码器输出波形

在闭环伺服系统中，根据脉冲计数来测量转速的方法有以下三种:

（1）在规定时间内测量所产生的脉冲个数来获得被测速度，称为M法测速;

（2）测量相邻两个脉冲的时间来测量速度，称为T法测速；

（3）同时测量检测时间和在此时间内脉冲发生器发出的脉冲个数来测量速度，称为M/T法测速。

以上三中测速方法中，M法适合于测量较高的速度，能获得较高分辨率；

T法适合于测量较低的速度，这时能获得较高的分辨率；

而M/T法则无论高速低速都适合测量。

由于PMAC控制器采用的是T法测速,

所以以下只对T法测速进行介绍

图3T法测速原理

T法测速的原理是用一已知频率fc（此频率一般都比较高）的时钟脉冲向一

计数器发送脉冲，计数器的起停由码盘反馈的相邻两个脉冲来控制，原理图见图

1-3。

若计数器读数为ml，则电机每分钟转速为

（1）

nM=60fc/Pm1（r/min）

其中P为码盘一圈发出的脉冲个数即码盘线数。

m仁M106->Y:

$C000,0,24,U为脉冲个数，fc=10MHz（注意：

此时需设置PMAC卡上的跳线E34A=OFF,E34=ON，E35，E36，E37=OFF）

测速分辨率：

当对应转速由n1变为n2时则分辨率Q的定义为Q=n2-n1，Q值越小说明测量装置对转速变化越敏感即分辨率越高。

因此可以得到T法测速的分辨率为

Q=60fc/Pm1-60fc/P（m1+1）=n2MP/（60fc+nMP）

（2）

由上式可见随着转速nM的降低，Q值越小，即T法测速在低速时有较高的分辨率。

四、实验内容与步骤：

1、将EM400控制柜的所有电缆同X-Y平台连接好（包括电机动力线、码盘反馈线、限位回零线、光栅反馈线），将EM400控制柜的串口与计算机的串口连接好，确定无误后打开控制箱电源和计算机电源。

2、调整好示波器，将其中一路连接到X轴的A+和GND上，将另一路连接到B+和GND上准备观察。

3、运行PEWIN32PRO32pro软件，分别点击VIEW菜单下的position、Watchwindow、JogRibbon子菜单，打开位置窗口、监视窗口和手动（Jog）控制窗口。

4、在Terminal窗口中定义M106->Y:

$C000,0,24,U，用鼠标点击监视窗口，按INSERT键，加入M106变量对它进行监视，m仁M106存放的即相邻两个脉冲之间计数器的读数。

5、在JogRibbon窗口选择1号电机（对应X轴）。

6、分别按“Jogminus、”Jogplu嵌钮让X轴电机来回运动起来，在运动的同时注意查看以下几个地方：

M106的数值，示波器中双路波形之间的相位关系，并在数值稳定后做相应记录，填写表1-1（注意为了不让工作台超出行程范围，可以先让工作台处在中间位置，然后交替按“Jogminus、“Jogplus按钮）。

7、X轴电机停转后，在Terminal窗口键入“1122=10并回车，（1122为X轴手动速度，单位cts/ms，I122*1000*60/P后单位变为转/分，其中P为码盘反馈线数），重复步骤6。

然后将I122的数值逐步增大，幅度为5~10。

8、总结观测到的数据得出相应的结论。

五:

实验报告

1.按照以上实验内容填写下表，并分析试验结果:

表1-1

电机正转时码盘A、B两相的脉

冲图形

电机反转时码盘A、B两相的脉冲图形

-

表1-2

M106

时钟脉

冲频率fc

（MHz）

编码器

分辨率

（线）

I122

所按按钮

根据I122*

1000*60/P

后算得的

电机转速

（RPM）

利用公式

（1）计算

所得转速

nM（RPM）

利用公式

（2）计算

测速分辨

率Q

Jogminus

Jogplus

Jogminus

Jogplus

Jogminus

Jogplus