DSP的正交解码电路与捕捉单元在电机测速中的运用.docx
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DSP的正交解码电路与捕捉单元在电机测速中的运用
DSP的正交解码电路与捕捉单元在电机测速中的运用
DSP的正交解码电路与捕捉单元在电机测速中的运用
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导语：
对于沟通异步电机调速来讲，电机转子转角和转速的测量是一个极其关键的环节。
美国TI公司专为电机调速设计的
1引言
对于沟通异步调速来讲，电机转子转角和转速的测量是一个极其关键的环节。
美国TI公司专为电机调速设计的数字电机微TMS320F240具有其特殊功能模块--正交解码（QEP）电路和捕捉单元，它们可直接与光电编码器相连，用于转速检测。
其中QEP电路内部设有转向判别和倍频功能，因此不再需要其它辅助，接口电路设计变得非常简单。
而且F240具有三个功能强大的通用定时器，可灵敏应用于各种测速方法。
TMS320F240与测速相关的管脚主要有四个:
CAP1/QEP1，CAP2/QEP2，CAP3和CAP4。
正交解码（QEP）电路与捕捉单元CAP1、CAP2分享两个输入引脚，因此需要正确配置捕捉控制存放器CAPCON来使能正交解码电路并制止捕捉单元1、
2。
这样就把相应的管脚分配给QEP电路使用。
F240与增量式光电编码器连接如图一所示，光码盘的A与B信号相差900，-A、-B分别为反向1800的信号。
Z、-Z信号互为反向，是每转输出一个脉冲的零位参考信号。
其中TL714是高速差分比拟器。
2QEP电路和捕捉单元的工作原理
正交解码电路必须选择一个计数器用于计算电路的输入脉冲次数，即将QEP电路脉冲信号作为某通用定时器的时钟源。
F240的通用定时器2，3或者2和3一起形成的一个32位定时器可供其选择。
以通用定时器2为例，首先要求T2定时器工作在双向加/减计数形式。
在这种工作形式下，QEP电路不仅为定时器T2提供计数时钟，而且还决定了计数方向。
当电机正转时，QEP电路的方向检测逻辑测定出连接到光码盘A相的QEP1输入引脚上脉冲序列的相位领先于QEP2上的
脉冲信号，然后产生一个方向信号（此信号可以在特殊存放器内读取，以此判别转向）作为T2定时器的计数方向，那么
计数器T2CNT递增计数;反之，假设电机反转，QEP2输入是先导脉冲序列，那么计数器T2CNT递减计数。
定时器T2在计数器下溢或者上溢时发生翻转，并重新开场计数。
假如两列正交解码输入脉冲的两个边沿均被QEP电路检测，那么T2的时钟频率是每个输入序列频率的4倍，如图2所示。
由此省去了原有的正交解码脉冲电路4倍频电路。
F240共有四个捕捉单元，每一个捕捉单元都有一个相应的捕捉输入引脚。
用户定义捕捉控制存放器检测捕捉引脚上的转换:
上升沿、下降沿或者二者均检测。
每个捕捉单元都可以选择通用定时器2或者3作为其时间基准。
每当在捕捉输入引脚上检测到一个设定的转换时，该捕捉单元选定的通用定时器的计数器值被捕捉并锁存在相应的2级深度FIFO堆栈中。
假如去除了捕捉中断屏蔽，捕捉单元同时会向CPU发送一个中断申请。
在检测电机转角和转速之前，必须先作以下设置:
选择通用定时器1工作在连续递增计数形式，允许周期定时中断。
在这种工作形式下，定时器按照定标输入时钟递
增计数，直到计数器的值与周期存放器的值一样时，计数器复位为零，周期中断标志被设置为1，然后开场另一个
计数周期。
通用定时器2工作在双向加/减计数形式，计算QEP电路输入脉冲个数。
通用定时器3工作方式与定时器1
完全一样，但是被选为捕捉单元4的时间基准。
3转角计算
在计算电机转角之前，必须先解决转角定位问题。
当在捕捉输入引脚CAP3上检测到零位参考信号时，定时器2的计
数值T2CNT被捕捉并存储在相应的2级深度FIFO堆栈中，被捕捉的T2CNT值就可以作为计算转角的基准值。
这样，转
子每旋转一周，基准值就被重新定义一次，进而保证了转角的准确性。
为了方便讲明，我们只考虑正转情况。
用于正交解码电路计数的定时器T2是一个16的通用定时器，因此当定时器T2
计数到最大值FFFFH时，计数器T2CNT发生翻转，重新从零开场计数。
必须分两种情况来计算转角。
3.1定时器T2不发生翻转计数
如图3（a）所示，f
（1）、f
（2）分别是t1、t2时刻定时器T2计数值;f（0）、f1（0）为相邻两次零位参考信号时的定时器T2
计数值。
那么在t1~t2时间内电机转子旋转的机械角度应是
（rad）
（1）
式中PN—每转脉冲数，PN=2500脉冲/转;
式中Δ1=f
（2）-f
（1）。
假设要计算t2时刻相对于以光码盘Z信号转角基准的旋转夹角，那么必须以最后一次捕捉值f1（0）为参考值。
可表示为
（rad）
（2）
式中Δ2=f
（2）-f1（0）
3.2定时器T2发生翻转
由于计数器T2CNT每计数FFFFH次，才翻转一次，这远远大于光码盘每转输出脉冲的四倍数（10000）。
因此，在相邻两个零位参考信号之间，计数器T2CNT最多出现一次翻转的情况。
如图3（b）所示。
可知
（rad）（3）
其中Δ1=f
（2）-f
（1）+FFFFH
同定时器T2不翻转情况一样:
（rad）（4）
式中Δ2=f
（2）-f1（0）+FFFFH
4转速计算
下面介绍M法、T法以及M/T法三种常用测速方法。
M法测速是在相等的时间间隔Tc内用光码盘输出脉冲个数来算出转速，进而得到转速的测量值。
T法测速是测出相邻两个脉冲之间的间隔时间来计算转速。
根据以上定义可知，转速越低，M法测速误差越大;T法测速那么正好相反，测速误差随转速加大而加大。
那么假设想检测低转速，同时又要保证高转速的精度，就必须综合这两种测速方法的特点，进而得到M/T法的测速方法:
在M法的根底上，以时间TC之后光码盘再输出第一个脉冲为止的时间为检测时间。
4.1M法测速
设置通用定时器T1的时钟输入为20MHz。
并且开通定时器周期中断，中断周期即是计算转速的采样周期TC。
那么定时器每隔时间TC向CPU发出一次中断恳求，CPU响应中断后，在中断效劳子程序中按前面所述方法求出定时器T2变化量，那么电机转速:
（5）
M法计算转速只需要检测一个变化量，即定时器T2变化量，而且由于PN和TC均为常数，令，将上式改为:
（6）
这样防止了复杂的定点除法运算，因此计算程序特别简单，只需四、五条语句便能实现。
不过，正如前面讲到的一样:
转速越低，M法测速误差越大。
这在DSP中更加明显。
通常情况下，我们希望控制周期越短越好，而同一转速下，周期越短，可以检测到光码盘输出脉冲个数就越少，分辨率也越高。
举例讲明见表1。
表1M法测速性能表
每转脉冲数PN=2500脉冲/转:
控制周期TC（ms）转速（转/分）定时器T2变化量△1分辨率（q=1/△1）
130005000.2%
508.3312.5%
0.13000502%
50△1小于1无法检测
可知当控制周期TC=0.1ms，转速低于60转/分时，使用M法将无法检测到转速。
3.2T法测速
T法测速可以利用捕捉单元的功能来实现。
选择通用定时器T3时钟频率f=20MHz,作为计算转速的时钟基准.设定当捕捉引脚上发生上升或者下跳沿时，均将计数器T3CNT值捕捉并锁存。
在计算两个连续捕捉发生的间隔时间T时也必须考虑16位定时器翻转情况。
与前面所述定时器T2翻转情况一样:
不翻转时,m=f
（1）-f（0）（7）
f
（1）为当前捕捉发生时16位定时器的计数值;
f
（2）为前一捕捉发生时16位定时器的计数值;
翻转时,只考虑翻转一次的情况;
m=f
（1）-f（0）+0FFFFh（8）
那么转子转速:
（9）
这里TC指引脚CAP3上两个连续跳变沿间隔时间，TC=（m/20）MHz在计数器T3CNT翻转一次的情况下，T时间里内,定时器计数值最大变化量为mmax=0FFFFH,那么最大检测时间那么可测最低转速在一般情况下，每分钟3.66转的转速已经相当低了，因此不能一味地追求低速测量，而选取由通用定时器T2和T3合成的32位定时器作为QEP电路的计数器，设计复杂的32位运算程序来计算更低转速。
所以可以以为定时器出现两次
或者两次以上翻转的情况时，转子是静止的，即n=0rpm。
当电机转速n为3000rpm时,两个脉冲间的计数值:
分辨率q%=1/160=0.625%。
这已经能知足一般测速系统要求，所以对高速的DSP而言,采用T法测速即可到达要求。
但是T法测速含有定点除法运算，因此计算经过比M法略微复杂一些。
3.3M/T法
仍然按M法设置通用定时器T1，按T法设置通用定时器T3。
当发生定时器T1周期中断时（中断周期TC，计算定时器T2计数值变化量△1，读取此时定时器T3计数值T3CNT（0），并允许捕捉单元CAP4捕捉中断。
在此之后，当捕捉单元CAP4捕捉到第一个跳变沿时，向CPU申请捕捉中断。
在捕捉中断子程序中，根据捕捉的计数值T3CNT
（1），得检测时
间
（10）
那么电机转子转速:
（11）
M/T法综合了M法和T法的测速特点，可以在很宽范围内按要求检测转速。
但是它涉及两个通用定时器、捕捉单元、QEP电路等多个特殊存放器的设计，所以在定义特殊存放器时一定要小心，以免互相冲突。
5完毕语
本文主要介绍了数字电机控制专用控制芯片TMS320F240中专用模块正交解码电路和捕捉单元的功能特点，给出了由它们实现M法、T法以及M/T法测速的三种方案，并做了比照。
无论采用哪一种方法，在设计经过中都应该留意硬件与软件的配合，有效地利用QEP电路、捕捉单元、定时器三者间的关系实现了测速功能。
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