DSP的正交解码电路与捕捉单元在电机测速中的运用.docx

1、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网络转载导语：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

2、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

3、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

4、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

5、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

6、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t1t2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1=f(2)-f(

7、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2=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1=f(2)-f(1)+FFFFH同定时器T2不翻转情况一样: (rad)(4)式中2=f(2)-f1(0)+FFFFH4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

8、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

9、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

10、.3312.5%0.13000502%501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

11、)-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=

12、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。