用dsPIC30F的QEI模塊測(cè)量交流電機(jī)速度和位置

用dsPIC30F的QEI模塊測(cè)量交流電機(jī)速度和位置

本文介紹用dsPIC30F數(shù)字控制器的正交編碼器接口（QEI）模塊,對(duì)電機(jī)的速度和位置進(jìn)行控制的方法。提供了典型電機(jī)控制中轉(zhuǎn)子的速度和位置測(cè)量的代碼實(shí)例。

正交編碼器接口（QEI）模塊

圖1 正交編碼器接口信號(hào)

圖2? 正交編碼器接口功能方框圖

dsPIC30F的正交編碼器接口（QEI）模塊提供了一個(gè)與增量光編碼器的接口,允許從電機(jī)或機(jī)械系統(tǒng)中,獲得速度和相對(duì)轉(zhuǎn)子位置信息。QEI模塊提供16位時(shí)基,接受從增量編碼器連接的A、B和標(biāo)志信號(hào)。電機(jī)速度和位置信息能用×2或×4分辨率進(jìn)行測(cè)量。
QEI模塊有兩個(gè)速度通道：A相（QEA）和B相（QEB）。兩個(gè)通道有對(duì)應(yīng)關(guān)系,如果A相超前B相,則認(rèn)為電機(jī)的方向是正轉(zhuǎn)或正向的。如果A相滯后B相,則認(rèn)為電機(jī)的方向是反轉(zhuǎn)或反向的。第三個(gè)通道是INDX,稱標(biāo)志脈沖通道,電機(jī)轉(zhuǎn)子每旋轉(zhuǎn)一周產(chǎn)生一個(gè)脈沖,用于確立轉(zhuǎn)子絕對(duì)位置的基準(zhǔn)。圖1是這三個(gè)信號(hào)的相對(duì)時(shí)間關(guān)系。
由解釋A相、B相和標(biāo)志信號(hào)的邏輯譯碼器和精確計(jì)數(shù)的上/下計(jì)數(shù)器組成正交編碼器。數(shù)字濾波器在輸入信號(hào)時(shí)對(duì)信號(hào)進(jìn)行濾波。圖2是QEI模塊的方框圖。這些功能包括：
兩相信號(hào)和標(biāo)志信號(hào)。
? 可編程譯碼器（提供計(jì)數(shù)器脈沖和計(jì)數(shù)方向）。
??16位上/下位置計(jì)數(shù)器。
? 計(jì)數(shù)方向狀態(tài)。
? ×2和×4分辨率計(jì)數(shù)。
? 位置計(jì)數(shù)器復(fù)位的兩個(gè)模式。
? 普通用途16位定時(shí)器/計(jì)數(shù)器模式。
? QEI或計(jì)數(shù)器事件產(chǎn)生中斷。

應(yīng)用實(shí)例
圖3是典型的QEI應(yīng)用實(shí)例,這里交流電機(jī)（ACIM）用正交編碼器作為反饋信息控制。
應(yīng)用實(shí)例要求：
? 在0°-360°范圍內(nèi)測(cè)量轉(zhuǎn)子角位置。已知增量編碼器光柵的數(shù)量,設(shè)置成相應(yīng)的定標(biāo)系數(shù)。用一個(gè)16位無符號(hào)變量表示。
? 測(cè)量角速度。已知的電機(jī)最高速度。用一個(gè)有符號(hào)16位變量表示,這里轉(zhuǎn)子正轉(zhuǎn)時(shí)符號(hào)是（+）,反轉(zhuǎn)時(shí)符號(hào)是（-）的。
在本例中使用下面的電機(jī)和編碼器：
電機(jī)：Lesson Cat##102684,轉(zhuǎn)子速度3450RPM
編碼器：US數(shù)字模塊E3-500-500-IHT,分辨率500線。

QEI模塊初始化

圖3? 典型應(yīng)用方案

圖4? 通過濾波器傳送的信號(hào),1：1濾波器時(shí)鐘分頻

使能數(shù)字濾波器
使能數(shù)字濾波器在增量編碼器信號(hào)中濾波其他信號(hào)。對(duì)本例所用的結(jié)構(gòu),圖4說明了輸入信號(hào)的濾波作用。
濾波器計(jì)算時(shí),編碼器最小脈沖寬度為最高電機(jī)速度。在這個(gè)實(shí)例中,最小脈沖寬度由下式確定：

所配置的濾波器濾出任何小于15祍的脈沖,運(yùn)行14.75MIPS,能夠滿足濾波器的要求,濾波器分頻器由下式計(jì)算：

在QEI模塊中有可選擇參數(shù),選擇64分頻,13祍以下的脈沖將被濾出。

增量脈沖計(jì)數(shù)器
在每個(gè)QEn引腳輸入增量脈沖計(jì)數(shù)器信號(hào)。為了盡可能提高分辨率,QEI配置成×4。×4計(jì)數(shù)模式時(shí),每個(gè)QEA和QEB信號(hào)沿到來時(shí),POSCNT寄存器增量計(jì)數(shù)或減量計(jì)數(shù),圖5是×4配置的定時(shí)信號(hào)。
復(fù)位脈沖計(jì)數(shù)器
脈沖計(jì)數(shù)器由INDEX引腳復(fù)位。圖6是INDEX脈沖復(fù)位脈沖計(jì)數(shù)器的定時(shí)圖。

代碼實(shí)例
下面是QEI模塊初始化的代碼實(shí)例：
實(shí)例1：QEI模塊初始化
void InitQEI（viod）
{
ADPCFG｜=0x0038;
?//配置QEI引腳作為數(shù)字輸入
QEICONbit.QEIM=0; //禁止QEI模塊
QEICONbit.CNTERR=0; //清除計(jì)數(shù)錯(cuò)誤
QEICONbit.QEISIDL=0; //睡眠期間連續(xù)工作
QEICONbit.SWPAB=0; //QEA和QEB交換
QEICONbit.PCDOUT=0; //標(biāo)準(zhǔn)I/O引腳工作
QEICONbit.POSRES=1;
//標(biāo)志脈沖復(fù)位位置計(jì)數(shù)器
DELTCONbits.CEID=1; //禁止計(jì)數(shù)錯(cuò)誤中斷
DELTCONbits.QEOUT=1;
//允許QEn引腳數(shù)字濾波器輸出
DELTCONbits.QECK=5;
//對(duì)QEn數(shù)字濾波器1：64時(shí)鐘分頻
DELTCONbits.INDOUT=1;
// 允許INDEX引腳數(shù)字濾波器輸出
DELTCONbits.INDCK=5;
//對(duì)INDEX數(shù)字濾波器1：64時(shí)鐘分頻
POSCNT=0;
?//復(fù)位位置計(jì)數(shù)器
QEICONbit.QEIM=6;
?//用INDEX位置計(jì)數(shù)器復(fù)位×4模式
Return;
}

表1? 變量值和分辨率

用QEI計(jì)算角度位置
控制算法采用小數(shù)運(yùn)算,需要將位置計(jì)數(shù)器結(jié)果變換成一個(gè)符號(hào)小數(shù)。下式用于計(jì)算每轉(zhuǎn)最大計(jì)數(shù)值。
MAX_COUNT_PER_REV=PULSES_PER_REV×COUNT_INC_PER_REV-1=500×4-1=1999

這里分辨率為0.18°。
用這個(gè)結(jié)果,位置計(jì)數(shù)變量需要將0到1999變換成有符號(hào)16位小數(shù)值0到32767。下面的公式是定標(biāo)系數(shù)。

標(biāo)志脈沖配置自動(dòng)地復(fù)位POSCNT。

編碼實(shí)例
實(shí)例2：用QEI計(jì)算角位置
int AngPos[2]={0,0};
//用于速度計(jì)算的兩個(gè)變量
int POSCNTcopy=0;
{
POSCNTcopy=(int)POSCNT;
If (POSCNTcopy<0)
POSCNTcopy=- POSCNTcopy;
AngPos[1]= AngPos[0]
AngPos[0]=(unsigned int)(((unsigned long) POSCNTcopy*2048)/125;
//0<=POSCNT<=19991到0<=POSCNT<=32752
return;
}

圖5?? ×4模式正編碼器信號(hào)

圖6? 由標(biāo)志模式復(fù)位

用QEI計(jì)算角速度
在一個(gè)周期性中斷中執(zhí)行速度計(jì)算,因?yàn)榻撬俣仍谝粋€(gè)固定時(shí)間周期中是增長的數(shù)字,這個(gè)中斷間隔,必須小于最大轉(zhuǎn)速的1/2轉(zhuǎn)所需時(shí)間。電機(jī)的轉(zhuǎn)速是3450RPM,所以在這個(gè)實(shí)例中選用4000RPM,以避免在任何速度計(jì)算時(shí)溢出。下式用于計(jì)算時(shí)間間隔：

實(shí)例3是定時(shí)器1的初始化,用于產(chǎn)生周期性中斷,dsPIC DSC運(yùn)行在14.75MIPS。
實(shí)例3：定時(shí)器1初始化,產(chǎn)生0.0075秒ISR周期
void InitTMR1(void)
{
TMR1=0;???????????? //復(fù)位定時(shí)器計(jì)數(shù)器
T1CONbit.TON=0;???? //關(guān)閉定時(shí)器1
T1CONbit.TSIDL=0;?? //睡眠期間連續(xù)工作
T1CONbit.TGATE=0;? //禁止進(jìn)入精確定時(shí)器
T1CONbit.TCS=0;??? //使用Tcy作為時(shí)鐘源
T1CONbit.TCK=2;??? //Tcy/64作為輸入時(shí)鐘
PR1=1728 ;????????
?//用64預(yù)分頻器確定中斷周期=0.0075秒
IFSobit.T1IF=0;????? //清定時(shí)器1中斷標(biāo)志
IECobits.T1IE=1;???? //允許定時(shí)器1中斷
T1CONbits.TON=1;?? //打開定時(shí)器1
turn;
}
實(shí)例4是在周期性ISR中計(jì)算速度變量：
實(shí)例4：角速度計(jì)算實(shí)例
#define? MAX_CNT_PER_REV(500*4-1)
#define MAXSPEED (unsigned int)(((unsigned long)MAX_CNT_PER_REV*2048)/125)
#define HALFMAXSPEED (MAXSPEED>>1)
int Speed;
void_attribute_((_interrupt_))_T1Interrupt(void)
{
IFSobits.T1IF=0;//清定時(shí)器1中斷標(biāo)志
PositionCalculation();
Speed=AngPos[0]- AngPos[1];
If(Speed>=0)
{
if (Speed>=(HALFMAXSPEED)
Speed=Speed-MAXSPEED;
}
else
{
if (Speed<-(HALFMAXSPEED)
Speed=Speed+MAXSPEED;
}
Speed*=2;
Return;
}

結(jié)語
從本文的編碼實(shí)例,可以得到表1所示數(shù)據(jù)。
? 如果測(cè)量的速度和角位置需要比較高的分辨率,可以用下列方法：
用比較長地時(shí)間周期精確計(jì)數(shù)。必須避免脈沖計(jì)數(shù)器寄存器POSCN溢出,所以在這種情況下推薦使用POSCN寄存器的精度。
? 使用輸入捕捉通道代替轉(zhuǎn)換每轉(zhuǎn)計(jì)數(shù)周期測(cè)量。
? 用每轉(zhuǎn)產(chǎn)生更多脈沖地增量計(jì)數(shù)器。

代碼實(shí)例選用dsPIC30F6010 DSC,開發(fā)工具是MPLAB IDE7.11和MPLAB C30 v1.31。