DSP的正交解码电路与捕获单元在电机测速中的运用

the realization 
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 
[中图分类号] TM921 [文献标识码] A 文章编号 1561-0330(2002)03-0033-03 

1 引言 
　　对于交流异步电机调速来讲，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数字电机微控制器TMS320F240具有其特殊功能模块--正交解码(QEP)电路和捕获单元，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电路，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，可灵活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)电路与捕获单元CAP1、CAP2共享两个输入引脚，因此需要正确配置捕获控制寄存器CAPCON来使能正交解码电路并禁止捕获单元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是高速差分比较器。 

2 QEP电路和捕获单元的工作原理 
　　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/减计数模式。在这种工作模式下，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(此信号可以在特殊寄存器内读取，以此判别转向)作为T2定时器的计数方向，则计数器T2CNT递增计数;反之，若电机反转，QEP2输入是先导脉冲序列，则计数器T2CNT递减计数。定时器T2在计数器下溢或上溢时发生翻转，并重新开始计数。如果两列正交解码输入脉冲的两个边沿均被QEP电路检测，则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共有四个捕获单元，每一个捕获单元都有一个相应的捕获输入引脚。用户定义捕获控制寄存器检测捕获引脚上的转换:上升沿、下降沿或二者均检测。每个捕获单元都可以选择通用定时器2或3作为其时间基准。每当在捕获输入引脚上检测到一个设定的转换时， 该捕获单元选定的通用定时器的计数器值被捕获并锁存在相应的2级深度FIFO堆栈中。如果去除了捕获中断屏蔽，捕获单元同时会向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模式，允许周期定时中断。在这种工作模式下，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寄存器的值相同时，计数器复位为零，周期中断标志被设置为1，然后开始另一个计数周期。通用定时器2工作在双向加/减计数模式，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完全相同，但是被选为捕获单元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。当在捕获输入引脚CAP3上检测到零位参考信号时，定时器2的计数值T2CNT被捕获并存储在相应的2级深度FIFO堆栈中，被捕获的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，从而保证了转角的准确性。 
为了方便说明，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，重新从零开始计数。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)。 
若要计算t2时刻相对于以光码盘Z信号转角基准的旋转夹角，则必须以最后一次捕获值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 
因为计数器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不翻转情况相同: 
(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，从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法测速则正好相反，测速误差随转速加大而加大。那么若想检测低转速，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，从而得到M/T法的测速方法:在M法的基础上，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。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，中断周期等于计算转速的采样周期TC。则定时器每隔时间TC向CPU发出一次中断请求，CPU响应中断后，在中断服务子程序中按前面所述方法求出定时器T2变化量 ，则电机转速: 
(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)  这样避免了复杂的定点除法运算，因此计算程序十分简单，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，能够检测到光码盘输出脉冲个数就越少，分辨率也越高。举例说明见表1。 

表1 M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) 
1 3000 500 0.2% 
50 8.33 12.5% 
0.1 3000 50 2% 
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。 
3.2 T法测速 
T法测速可以利用捕获单元的功能来实现。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.设定当捕获引脚上发生上升或下跳沿时，均将计数器T3CNT值捕获并锁存。在计算两个连续捕获发生的间隔时间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翻转情况相同: 
不翻转时,m=f(1)-f(0) (7) 
f(1)为当前捕获发生时16位定时器的计数值; 
f(2)为前一捕获发生时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,则最大检测时间 

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。所以可以认为定时器出现两次或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%。这已经能满足一般测速系统要求，所以对高速的DSP而言,采用T法测速即可达到要求。 
但是T法测速含有定点除法运算，因此计算过程比M法稍微复杂一些。 
3.3 M/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)，并允许捕获单元CAP4捕获中断。在此之后，当捕获单元CAP4捕获到第一个跳变沿时，向CPU申请捕获中断。在捕获中断子程序中，根据捕获的计数值T3CNT(1)，得检测时间 
(10) 
则电机转子转速: 
(11) 
M/T法综合了M法和T法的测速特点，能够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、捕获单元、QEP电路等多个特殊寄存器的设计，所以在定义特殊寄存器时一定要小心，以免相互冲突。 

5 结束语 
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获单元的功能特点，给出了由它们实现M法、T法以及M/T法测速的三种方案，并做了对比。无论采用哪一种方法，在设计过程中都应该注意硬件与软件的配合，有效地利用QEP电路、捕获单元、定时器三者间的关系实现了测速功能。 

6 参考文献 
[1] 武汉力源电子股份有限公司，“TMS320C24X DSP控制器参考手册”，1998.8 
[2] 北京闻亭科技发展有限公司，“TMS320F24X 高速数字信号控制器原理与应用” 
[3] 曲家骐等编著，“伺服控制系统中的传感器”，机械工业出版社，1992.2