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山西快乐十分68期: DSP的正交解碼電路與捕獲單元在電機測速中的運用

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瀏覽 次【字號 】 發布時間:2012-6-29 打印本頁
摘 要:TMS320F240是美國德州儀器公司為滿足數字電機控制(DMC)應用而設計的數字信號處理芯片。本文詳細介紹了該芯片的專用???正交解碼電路和捕獲單元)的功能、特點,在此基礎上給出了實現M法、T法以及M/T法三種測速方法的基本思路。 
關鍵詞:數字信號處理器 正交解碼電路 捕獲單元 電機測速 
Abstract: TMS20F240 is a kind of DSP Controller designed for the Digital Motor Control by 
Texas Instruments Co.. This paper describes the functions and features of the special module, 
Quadrature Encoder Pulse and Capture Unit in the DSP Controller. Based on this point, 

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of three methods is presented, which are the M method ,T method, M/T method. 
Keywords: Digital Signal Processor Quadrature Encoder Pulse Capture Unit Speed Measuring 
[中圖分類號] TM921 [文獻標識碼] A 文章編號 1561-0330(2002)03-0033-03 

1 引言 
  對于交流異步電機調速來講,電機轉子轉角和轉速的測量是一個極其關鍵的環節。美國TI公司專為電機調速設計的數字電機微控制器TMS320F240具有其特殊功能???-正交解碼(QEP)電路和捕獲單元,它們可直接與光電編碼器相連,用于轉速檢測。其中QEP電路內部設有轉向判別和倍頻功能,因此不再需要其它輔助電路,接口電路設計變得非常簡單。而且F240具有三個功能強大的通用定時器,可靈活應用于各種測速方法。 
TMS320F240與測速相關的管腳主要有四個:CAP1/QEP1,CAP2/QEP2,CAP3和CAP4。正交解碼(QEP)電路與捕獲單元CAP1、CAP2共享兩個輸入引腳,因此需要正確配置捕獲控制寄存器CAPCON來使能正交解碼電路并禁止捕獲單元1、2。這樣就把相應的管腳分配給QEP電路使用。 
  F240與增量式光電編碼器連接如圖一所示,光碼盤的A與B信號相差900,-A、-B分別為反向1800的信號。Z、-Z信號互為反向,是每轉輸出一個脈沖的零位參考信號。其中TL714是高速差分比較器。 

2 QEP電路和捕獲單元的工作原理 
  正交解碼電路必須選擇一個計數器用于計算電路的輸入脈沖次數,即將QEP電路脈沖信號作為某通用定時器的時鐘源。F240的通用定時器2,3或2和3一起形成的一個32位定時器可供其選擇。以通用定時器2為例,首先要求T2定時器工作在雙向加/減計數模式。在這種工作模式下,QEP電路不僅為定時器T2提供計數時鐘,而且還決定了計數方向。 
  當電機正轉時,QEP電路的方向檢測邏輯測定出連接到光碼盤A相的QEP1輸入引腳上脈沖序列的相位領先于QEP2上的脈沖信號,然后產生一個方向信號(此信號可以在特殊寄存器內讀取,以此判別轉向)作為T2定時器的計數方向,則計數器T2CNT遞增計數;反之,若電機反轉,QEP2輸入是先導脈沖序列,則計數器T2CNT遞減計數。定時器T2在計數器下溢或上溢時發生翻轉,并重新開始計數。如果兩列正交解碼輸入脈沖的兩個邊沿均被QEP電路檢測,則T2的時鐘頻率是每個輸入序列頻率的4倍,如圖2所示。由此省去了原有的正交解碼脈沖電路4倍頻電路。 
  F240共有四個捕獲單元,每一個捕獲單元都有一個相應的捕獲輸入引腳。用戶定義捕獲控制寄存器檢測捕獲引腳上的轉換:上升沿、下降沿或二者均檢測。每個捕獲單元都可以選擇通用定時器2或3作為其時間基準。每當在捕獲輸入引腳上檢測到一個設定的轉換時, 該捕獲單元選定的通用定時器的計數器值被捕獲并鎖存在相應的2級深度FIFO堆棧中。如果去除了捕獲中斷屏蔽,捕獲單元同時會向CPU發送一個中斷申請。 
在檢測電機轉角和轉速之前,必須先作以下設置: 
  選擇通用定時器1工作在連續遞增計數模式,允許周期定時中斷。在這種工作模式下,定時器按照定標輸入時鐘遞增計數,直到計數器的值與周期寄存器的值相同時,計數器復位為零,周期中斷標志被設置為1,然后開始另一個計數周期。通用定時器2工作在雙向加/減計數模式,計算QEP電路輸入脈沖個數。通用定時器3工作方式與定時器1完全相同,但是被選為捕獲單元4的時間基準。 

3 轉角計算 
  在計算電機轉角之前,必須先解決轉角定位問題。當在捕獲輸入引腳CAP3上檢測到零位參考信號時,定時器2的計數值T2CNT被捕獲并存儲在相應的2級深度FIFO堆棧中,被捕獲的T2CNT值就可以作為計算轉角的基準值。這樣,轉子每旋轉一周,基準值就被重新定義一次,從而保證了轉角的準確性。 
為了方便說明,我們只考慮正轉情況。用于正交解碼電路計數的定時器T2是一個16的通用定時器,因此當定時器T2計數到最大值FFFFH時,計數器T2CNT發生翻轉,重新從零開始計數。必須分兩種情況來計算轉角。 
3.1 定時器T2不發生翻轉計數 
  如圖3(a)所示,f(1)、f(2)分別是t1、t2時刻定時器T2計數值;f(0)、f1(0)為相鄰兩次零位參考信號時的定時器T2計數值。那么在t1~t2時間內電機轉子旋轉的機械角度應是 
(rad) (1) 
式中PN—每轉脈沖數, PN=2500脈沖/轉; 
式中Δ1=f(2)-f(1)。 
若要計算t2時刻相對于以光碼盤Z信號轉角基準的旋轉夾角,則必須以最后一次捕獲值f1(0)為參考值??殺硎疚?nbsp;
(rad) (2) 
式中Δ2=f(2)-f1(0) 
3.2 定時器T2發生翻轉 
因為計數器T2CNT每計數FFFFH次,才翻轉一次,這遠遠大于光碼盤每轉輸出脈沖的四倍數(10000)。因此,在相鄰兩個零位參考信號之間,計數器T2CNT最多出現一次翻轉的情況。如圖3(b)所示??芍?nbsp;
(rad) (3) 
其中Δ1=f(2)-f(1)+FFFFH 
同定時器T2不翻轉情況相同: 
(rad) (4) 
式中Δ2=f(2)-f1(0)+FFFFH 

4 轉速計算 
  下面介紹M法、T法以及M/T法三種常用測速方法。M法測速是在相等的時間間隔Tc內用光碼盤輸出脈沖個數來算出轉速,從而得到轉速的測量值。T法測速是測出相鄰兩個脈沖之間的間隔時間來計算轉速。根據以上定義可知,轉速越低,M法測速誤差越大;T法測速則正好相反,測速誤差隨轉速加大而加大。那么若想檢測低轉速,同時又要保證高轉速的精度,就必須綜合這兩種測速方法的特點,從而得到M/T法的測速方法:在M法的基礎上,以時間TC之后光碼盤再輸出第一個脈沖為止的時間為檢測時間。設置通用定時器T1的時鐘輸入為20MHz。并且開通定時器周期中斷,中斷周期等于計算轉速的采樣周期TC。則定時器每隔時間TC向CPU發出一次中斷請求,CPU響應中斷后,在中斷服務子程序中按前面所述方法求出定時器T2變化量 ,則電機轉速: 
(5)  M法計算轉速只需要檢測一個變化量,即定時器T2變化量, 而且由于PN和TC均為常數,令,將上式改為: 
(6)  這樣避免了復雜的定點除法運算,因此計算程序十分簡單,只需四、五條語句便能實現。 
不過,正如前面講到的一樣:轉速越低,M法測速誤差越大。這在DSP中更加明顯。通常情況下,我們希望控制周期越短越好,而同一轉速下,周期越短,能夠檢測到光碼盤輸出脈沖個數就越少,分辨率也越高。舉例說明見表1。 

表1 M法測速性能表 
每轉脈沖數PN=2500脈沖/轉: 
控制周期TC(ms) 轉速(轉/分) 定時器T2變化量△1 分辨率(q=1/△1) 
1 3000 500 0.2% 
50 8.33 12.5% 
0.1 3000 50 2% 
50 △1小于1無法檢測 
可知當控制周期TC=0.1ms,轉速低于60轉/分時,使用M法將無法檢測到轉速。 
3.2 T法測速 
T法測速可以利用捕獲單元的功能來實現。選擇通用定時器T3時鐘頻率f=20MHz,作為計算轉速的時鐘基準.設定當捕獲引腳上發生上升或下跳沿時,均將計數器T3CNT值捕獲并鎖存。在計算兩個連續捕獲發生的間隔時間T時也必須考慮16位定時器翻轉情況。與前面所述定時器T2翻轉情況相同: 
不翻轉時,m=f(1)-f(0) (7) 
f(1)為當前捕獲發生時16位定時器的計數值; 
f(2)為前一捕獲發生時16位定時器的計數值; 
翻轉時,只考慮翻轉一次的情況; 
m=f(1)-f(0)+0FFFFh (8) 
那么轉子轉速: 
(9) 
這里TC指引腳CAP3上兩個連續跳變沿間隔時間,TC=(m/20)MHz 
在計數器T3CNT翻轉一次的情況下,T時間里內,定時器計數值最大變化量為mmax=0FFFFH,則最大檢測時間 

那么可測最低轉速 

在一般情況下,每分鐘3.66轉的轉速已經相當低了,因此不能一味地追求低速測量,而選取由通用定時器T2和T3合成的32位定時器作為QEP電路的計數器,設計復雜的32位運算程序來計算更低轉速。所以可以認為定時器出現兩次或兩次以上翻轉的情況時,轉子是靜止的,即n=0rpm。 
當電機轉速n為3000rpm時,兩個脈沖間的計數值: 

分辨率q%=1/160=0.625%。這已經能滿足一般測速系統要求,所以對高速的DSP而言,采用T法測速即可達到要求。 
但是T法測速含有定點除法運算,因此計算過程比M法稍微復雜一些。 
3.3 M/T法 
仍然按M法設置通用定時器T1,按T法設置通用定時器T3。當發生定時器T1周期中斷時(中斷周期TC,計算定時器T2計數值變化量△1,讀取此時定時器T3計數值T3CNT(0),并允許捕獲單元CAP4捕獲中斷。在此之后,當捕獲單元CAP4捕獲到第一個跳變沿時,向CPU申請捕獲中斷。在捕獲中斷子程序中,根據捕獲的計數值T3CNT(1),得檢測時間 
(10) 
則電機轉子轉速: 
(11) 
M/T法綜合了M法和T法的測速特點,能夠在很寬范圍內按要求檢測轉速。但是它涉及兩個通用定時器、捕獲單元、QEP電路等多個特殊寄存器的設計,所以在定義特殊寄存器時一定要小心,以免相互沖突。 

5 結束語 
本文主要介紹了數字電機控制專用控制芯片TMS320F240中專用??檎喚飴氳緶泛筒痘竦ピ墓δ芴氐?,給出了由它們實現M法、T法以及M/T法測速的三種方案,并做了對比。無論采用哪一種方法,在設計過程中都應該注意硬件與軟件的配合,有效地利用QEP電路、捕獲單元、定時器三者間的關系實現了測速功能。 

6 參考文獻 
[1] 武漢力源電子股份有限公司,“TMS320C24X DSP控制器參考手冊”,1998.8 
[2] 北京聞亭科技發展有限公司,“TMS320F24X 高速數字信號控制器原理與應用” 
[3] 曲家騏等編著,“伺服控制系統中的傳感器”,機械工業出版社,1992.2 

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