用dsPIC30F的QEI模块测量交流电机速度和位置

　　本文介绍用dsPIC30F数字控制器的正交编码器接口(QEI)模块,对电机的速度和位置进行控制的方法。提供了典型电机控制中转子的速度和位置测量的代码实例。

　　正交编码器接口(QEI)模块

　　

 

　　图1 正交编码器接口信号

　　

 

　　图2 正交编码器接口功能方框图

　　dsPIC30F的正交编码器接口(QEI)模块提供了一个与增量光编码器的接口,允许从电机或机械系统中,获得速度和相对转子位置信息。QEI模块提供16位时基,接受从增量编码器连接的A、B和标志信号。电机速度和位置信息能用×2或×4分辨率进行测量。

　　QEI模块有两个速度通道：A相(QEA)和B相(QEB)。两个通道有对应关系,如果A相超前B相,则认为电机的方向是正转或正向的。如果A相滞后B相,则认为电机的方向是反转或反向的。第三个通道是INDX,称标志脉冲通道,电机转子每旋转一周产生一个脉冲,用于确立转子**位置的基准。图1是这三个信号的相对时间关系。

　　由解释A相、B相和标志信号的逻辑译码器和精确计数的上/下计数器组成正交编码器。数字滤波器在输入信号时对信号进行滤波。图2是QEI模块的方框图。这些功能包括：

　　两相信号和标志信号。

　　可编程译码器(提供计数器脉冲和计数方向)。

　　16位上/下位置计数器。

　　计数方向状态。

　　×2和×4分辨率计数。

　　位置计数器复位的两个模式。

　　普通用途16位定时器/计数器模式。

　　QEI或计数器事件产生中断。

　　应用实例

　　图3是典型的QEI应用实例,这里交流电机(ACIM)用正交编码器作为反馈信息控制。

　　应用实例要求：

　　在0°-360°范围内测量转子角位置。已知增量编码器光栅的数量,设置成相应的定标系数。用一个16位无符号变量表示。

　　测量角速度。已知的电机*高速度。用一个有符号16位变量表示,这里转子正转时符号是(+),反转时符号是(-)的。

　　在本例中使用下面的电机和编码器：

　　电机：Lesson Cat##102684,转子速度3450RPM

　　编码器：US数字模块E3-500-500-IHT,分辨率500线。

　　QEI模块初始化

　　

 

　　图3 典型应用方案

　　

 

　　图4 通过滤波器传送的信号,1：1滤波器时钟分频

　　使能数字滤波器

　　使能数字滤波器在增量编码器信号中滤波其他信号。对本例所用的结构,图4说明了输入信号的滤波作用。

　　滤波器计算时,编码器*小脉冲宽度为*高电机速度。在这个实例中,*小脉冲宽度由下式确定：

　　

 

　　所配置的滤波器滤出任何小于15祍的脉冲,运行14.75MIPS,能够满足滤波器的要求,滤波器分频器由下式计算：

　　

 

　　在QEI模块中有可选择参数,选择64分频,13祍以下的脉冲将被滤出。

　　增量脉冲计数器

　　在每个QEn引脚输入增量脉冲计数器信号。为了尽可能提高分辨率,QEI配置成×4。×4计数模式时,每个QEA和QEB信号沿到来时,POSCNT寄存器增量计数或减量计数,图5是×4配置的定时信号。

　　复位脉冲计数器

　　脉冲计数器由INDEX引脚复位。图6是INDEX脉冲复位脉冲计数器的定时图。

　　代码实例

　　下面是QEI模块初始化的代码实例：

　　实例1：QEI模块初始化

　　void InitQEI(viod)

　　{

　　ADPCFG|=0x0038;

　　//配置QEI引脚作为数字输入

　　QEICONbit.QEIM=0; //禁止QEI模块

　　QEICONbit.CNTERR=0; //清除计数错误

　　QEICONbit.QEISIDL=0; //睡眠期间连续工作

　　QEICONbit.SWPAB=0; //QEA和QEB交换

　　QEICONbit.PCDOUT=0; //标准I/O引脚工作

　　QEICONbit.POSRES=1;

　　//标志脉冲复位位置计数器

　　DELTCONbits.CEID=1; //禁止计数错误中断

　　DELTCONbits.QEOUT=1;

　　//允许QEn引脚数字滤波器输出

　　DELTCONbits.QECK=5;

　　//对QEn数字滤波器1：64时钟分频

　　DELTCONbits.INDOUT=1;

　　// 允许INDEX引脚数字滤波器输出

　　DELTCONbits.INDCK=5;

　　//对INDEX数字滤波器1：64时钟分频

　　POSCNT=0;

　　//复位位置计数器

　　QEICONbit.QEIM=6;

　　//用INDEX位置计数器复位×4模式

　　Return;

　　}

　　

 

　　表1 变量值和分辨率

　　用QEI计算角度位置

　　控制算法采用小数运算,需要将位置计数器结果变换成一个符号小数。下式用于计算每转*大计数值。

　　MAX_COUNT_PER_REV=PULSES_PER_REV×COUNT_INC_PER_REV-1=500×4-1=1999

　　

 

　　这里分辨率为0.18°。

　　用这个结果,位置计数变量需要将0到1999变换成有符号16位小数值0到32767。下面的公式是定标系数。

　　

 

　　标志脉冲配置自动地复位POSCNT。

　　编码实例

　　实例2：用QEI计算角位置

　　int AngPos[2]={0,0};

　　//用于速度计算的两个变量

　　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;

　　}

　　

 

　　图5 ×4模式正编码器信号

　　

 

　　图6 由标志模式复位

　　用QEI计算角速度

　　在一个周期性中断中执行速度计算,因为角速度在一个固定时间周期中是增长的数字,这个中断间隔,必须小于*大转速的1/2转所需时间。电机的转速是3450RPM,所以在这个实例中选用4000RPM,以避免在任何速度计算时溢出。下式用于计算时间间隔：

　　实例3是定时器1的初始化,用于产生周期性中断,dsPIC DSC运行在14.75MIPS。

　　实例3：定时器1初始化,产生0.0075秒ISR周期

　　void InitTMR1(void)

　　{

　　TMR1=0; //复位定时器计数器

　　T1CONbit.TON=0; //关闭定时器1

　　T1CONbit.TSIDL=0; //睡眠期间连续工作

　　T1CONbit.TGATE=0; //禁止进入精确定时器

　　T1CONbit.TCS=0; //使用Tcy作为时钟源

　　T1CONbit.TCK=2; //Tcy/64作为输入时钟

　　PR1=1728 ;

　　//用64预分频器确定中断周期=0.0075秒

　　IFSobit.T1IF=0; //清定时器1中断标志

　　IECobits.T1IE=1; //允许定时器1中断

　　T1CONbits.TON=1; //打开定时器1

　　turn;

　　}

　　实例4是在周期性ISR中计算速度变量：

　　实例4：角速度计算实例

　　#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;//清定时器1中断标志

　　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;

　　}

　　结语

　　从本文的编码实例,可以得到表1所示数据。

　　如果测量的速度和角位置需要比较高的分辨率,可以用下列方法：

　　用比较长地时间周期精确计数。必须避免脉冲计数器寄存器POSCN溢出,所以在这种情况下推荐使用POSCN寄存器的精度。

　　使用输入捕捉通道代替转换每转计数周期测量。

　　用每转产生更多脉冲地增量计数器。

　　代码实例选用dsPIC30F6010 DSC,开发工具是MPLAB IDE7.11和MPLAB C30 v1.31