用dsPIC30F的QEI模塊測量交流電機速度和位置

本文介紹用dsPIC30F數(shù)字控制器的正交編碼器接口（QEI）模塊,對電機的速度和位置進行控制的方法。提供了典型電機控制中轉(zhuǎn)子的速度和位置測量的代碼實例。

正交編碼器接口（QEI）模塊

圖1 正交編碼器接口信號

圖2? 正交編碼器接口功能方框圖

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

應(yīng)用實例
圖3是典型的QEI應(yīng)用實例,這里交流電機（ACIM）用正交編碼器作為反饋信息控制。
應(yīng)用實例要求：
? 在0°-360°范圍內(nèi)測量轉(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16位無符號變量表示。
? 測量角速度。已知的電機最高速度。用一個有符號16位變量表示,這里轉(zhuǎn)子正轉(zhuǎn)時符號是（+）,反轉(zhuǎn)時符號是（-）的。
在本例中使用下面的電機和編碼器：
電機：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,1：1濾波器時鐘分頻

使能數(shù)字濾波器
使能數(shù)字濾波器在增量編碼器信號中濾波其他信號。對本例所用的結(jié)構(gòu),圖4說明了輸入信號的濾波作用。
濾波器計算時,編碼器最小脈沖寬度為最高電機速度。在這個實例中,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,運行14.75MIPS,能夠滿足濾波器的要求,濾波器分頻器由下式計算：

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。

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

代碼實例
下面是QEI模塊初始化的代碼實例：
實例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; //清除計數(shù)錯誤
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)位位置計數(shù)器
DELTCONbits.CEID=1; //禁止計數(shù)錯誤中斷
DELTCONbits.QEOUT=1;
//允許QEn引腳數(shù)字濾波器輸出
DELTCONbits.QECK=5;
//對QEn數(shù)字濾波器1：64時鐘分頻
DELTCONbits.INDOUT=1;
// 允許INDEX引腳數(shù)字濾波器輸出
DELTCONbits.INDCK=5;
//對INDEX數(shù)字濾波器1：64時鐘分頻
POSCNT=0;
?//復(fù)位位置計數(shù)器
QEICONbit.QEIM=6;
?//用INDEX位置計數(shù)器復(fù)位×4模式
Return;
}

表1? 變量值和分辨率

用QEI計算角度位置
控制算法采用小數(shù)運算,需要將位置計數(shù)器結(jié)果變換成一個符號小數(shù)。下式用于計算每轉(zhuǎn)最大計數(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°。
用這個結(jié)果,位置計數(shù)變量需要將0到1999變換成有符號16位小數(shù)值0到32767。下面的公式是定標(biāo)系數(shù)。

標(biāo)志脈沖配置自動地復(fù)位POSCNT。

編碼實例
實例2：用QEI計算角位置
int AngPos[2]={0,0};
//用于速度計算的兩個變量
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

圖6? 由標(biāo)志模式復(fù)位

用QEI計算角速度
在一個周期性中斷中執(zhí)行速度計算,因為角速度在一個固定時間周期中是增長的數(shù)字,這個中斷間隔,必須小于最大轉(zhuǎn)速的1/2轉(zhuǎn)所需時間。電機的轉(zhuǎn)速是3450RPM,所以在這個實例中選用4000RPM,以避免在任何速度計算時溢出。下式用于計算時間間隔：

實例3是定時器1的初始化,用于產(chǎn)生周期性中斷,dsPIC DSC運行在14.75MIPS。
實例3：定時器1初始化,產(chǎn)生0.0075秒ISR周期
void InitTMR1(void)
{
TMR1=0;???????????? //復(fù)位定時器計數(shù)器
T1CONbit.TON=0;???? //關(guān)閉定時器1
T1CONbit.TSIDL=0;?? //睡眠期間連續(xù)工作
T1CONbit.TGATE=0;? //禁止進入精確定時器
T1CONbit.TCS=0;??? //使用Tcy作為時鐘源
T1CONbit.TCK=2;??? //Tcy/64作為輸入時鐘
PR1=1728 ;????????
?//用64預(yù)分頻器確定中斷周期=0.0075秒
IFSobit.T1IF=0;????? //清定時器1中斷標(biāo)志
IECobits.T1IE=1;???? //允許定時器1中斷
T1CONbits.TON=1;?? //打開定時器1
turn;
}
實例4是在周期性ISR中計算速度變量：
實例4：角速度計算實例
#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
從本文的編碼實例,可以得到表1所示數(shù)據(jù)。
? 如果測量的速度和角位置需要比較高的分辨率,可以用下列方法：
用比較長地時間周期精確計數(shù)。必須避免脈沖計數(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)計數(shù)周期測量。
? 用每轉(zhuǎn)產(chǎn)生更多脈沖地增量計數(shù)器。

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