基于DSP/QEP电路的电机位置检测和转速测量研究

　　目前，在高的交流电机数字控制系统中，电机转速与转子位置的测量通常是采用安装在电机轴上的光电编码器。在给定的测量周期内，编码器随着电机转速的变化输出相应频率的数字脉冲信号，利用不同的方法对这些脉冲信号进行处理，可得到多种数字测速方法。光电编码器是通过读取光电编码盘上的图案或编码信息来表示与光电编码器相连的电机转子的位置信息的。TI公司2000系列的DSP特有的QEP电路和光电编码器的配合使用为电机位置和转速测量提供了完美的解决方案。本文详细的介绍了使用光电编码器和DSP／QEP电路来进行电机位置检测和转速测量的原理。

　　1.DSP／QEP电路简介

　　以TI公司控制领域产品TMS320F2812为例，它的正交编码脉冲（QEP）电路和捕获单元共用输入引脚，分别为CAPl／QEPl、CAP2／QEP2、CAP3／QEPIl（对于EVA），CAP4／QEP4、CAP5／QEP5、CAP6／QEPI2（对于EVB），可以通过设置相应的捕获单元控制寄存器使能QEP电路而禁止其捕获功能。QEP电路可以对固定在电机轴上的光电编码器产生的正交编码脉冲A、B路信号进行解码和计数，从而获得电机的位置和速率等信息。

　　光电编码器的正交编码脉冲输入到DSP的CAPl／QEPl、CAP2／QEP2脚，通常选择通用定时器T2对输入的正交脉冲进行解码和计数。QEP电路对输入的正交编码脉冲的上升沿和下降沿都进行计数，对输入的正交编码脉冲进行4倍频后作为T2的计数脉冲，且通过QEP电路的方向检测逻辑确定哪个脉冲序列相位超前，产生一个方向信号作为T2的方向输入，当电机正转时，T2增计数，当电机反转时，T2减计数。正交编码脉冲、定时器计数脉冲及计数方向时序逻辑如图1所示。

　　在QEP模式下，T2CNT计数到边沿时将自动翻转，当增计数到ffffh时将返回0重新开始增计数，当减到O时，翻转到ffffh重新开始减计数，由于在采样时间内计数脉冲的数目远小于T2CNT的周期数ffffh，所以在增／减计数过程中至多有翻转。，图2和图3分别描述了电机正转和反转时T2CNT的计数情况。

　　2.光电编码器和DSP的接口电路

　　光电编码器可以输出3路信号，其中A路和B路信号相位相差90°，光电编码器的输出的脉冲信号经过光电隔离、滤波整形后直接送到DSP的相应引脚，其接口电路如图4所示。其中6N137是高速光耦，实现模拟信号和数字信号的隔离，74Hel4是CMOS反相器，实现对信号的整形。

　　3.电机位置测量

　　DSP／QEP电路将编码器送过来的脉冲数转换为的转子轴机械位置，的转子轴机械位置将存放在变量θm中。通过每采样周期△t内T2的计数脉冲的改变量δ，可以得到相应的位置增量△θm。如上图所示：f（t）和f（t+△t）分别表示两次相邻采样时刻的值，那么在△t时间内电机转子旋转的机械角度为：

　　其中：P为电机旋转一尉T2CNT的脉冲计数值

　　如图2所示：当T2增计数无翻转时，δ=f（t+△t）一f（t）当T2增计数有翻转时，δ=f（t+△t）-f（t）65536，此时θm=θm+△θm

　　如图3所示：当T2减计数无翻转时，δ=-[f（t+△t）一f（t,）]当T2减计数有翻转时，δ=-[f（t）一f（t+△t）+65536]，此时θm=θm-△θm

　　4.电机转速测量

　　常见的电机测速方法主要有三种：M法、T法、和M／T法，由于M法比较适合高速的场合，而T法适合低速的场合，为了在整个调速范围内都得到较好的准确性，在这里我们选择M／T法，其原理如图5所示。

　　M1为测速脉冲计数值，M2为高频时钟脉冲计数值，△t为采样周期，虽然在M1个计数脉冲内，M2存在多一个少一个的误差，但由于时钟脉冲的频率远高于计数脉冲频率，引起的误差可以忽略，所以转速的计算公式为：

　　其中F为时钟脉冲的频率

　　5. 结束语

　　本文利用光电编码器和DSP／QEP电路实现了电机闭环控制系统转子位置及转速的测量，并在电机的仿真试验中得了较好的效果；为不同控制领域提供了高性能的数字解决方案。

  

参考文献:

[1]. TMS320F2812 datasheet https://www.dzsc.com/datasheet/TMS320F2812_1116432.html.
[2]. 6N137 datasheet https://www.dzsc.com/datasheet/6N137_91364.html.