伺服系统中基于DSP的宽范围调速的转速测量

引言

随着伺服控制系统对其运动动态特性要求的不断提高，对系统的调速精度、调速范围和改善低速平稳性等方面的要求也相应地提高。测速装置是速度闭环控制系统中的关键部分，对数字式脉冲光电编码器来讲，常用的数字测速方法有三种，即m法测速、t法测速和m/t法测速，其中，m法测速是根据在规定时间间隔内测速装置产生的转速脉冲数来确定转速，即测量频率。当电机转速较低时，规定时间内转速脉冲的数量很少，检测精度降低，因此，这种测量方法适用于高速。t法是通过记取传感器产生的相邻两个脉冲之间的时间间隔来来计算电机转速，即测量周期。当电机处于高速运转时，相邻两个脉冲之间的时间间隔极短，检测精度也会降低，所以这种方法适用于低速。m/t法兼有m法和t法的优点，不论高速还是低速。但是m/t法的实现至少需要一个定时器，2个计数器，而且要对定时周期后的第一个脉冲沿进行捕捉，软硬件开销比较大，并且引入中断，如果程序中断资源有限，中断使用太多，还将影响程序的正常运行。本文针对以往测速方法的不足，提出了一种变m变p法测速，是对以往t法测速的改进。

变m变p法的测量原理

如图1所示，其中m为软件周期内得到的转速脉冲数，p为对系统时钟的分频。由图可以看出，在低速的时候，每2个转速脉冲之间的计时脉冲数较多，根据m法测速的原理可知，固定周期内，计数脉冲个数越多计算出来的转速就越精确，但是由于dsp微控制器内部的计数寄存器字节总是有限的，如16位只允许最大计数65536，如果达到低速〔如1r/min〕将远远超过这个最大数，测量结果将不再准确，特别对于分辨率低的光电编码器，若要使低速的转速测量准确，就要选择适当小的m并把分频倍数p取大；但是在高速的时候，相邻转速脉冲之间，计时脉冲数很少，对于高分辨率的光电编码器，可能在相邻的转速脉冲之间只捕捉到一个计时脉冲或没有，这样将引起转速测量的误差极大，甚至无法测量，此时为了得到固定周期内足够多的计时脉冲的计数个数，就要选择足够大的m并把分频倍数p取小，甚至不分频。

从以上分析可知，在低速和高速要测量到精确的转速所需选取的m和p是互相矛盾的，所以为了得到全速范围的高精度测量转速，就必须在低速和高速过渡的过程中，改变m和分频倍数p以适应各个转速断的测量精度要求，以使伺服系统在保证精度的条件下能够获得宽的调速范围，这就是所谓的变m变p法，同时适用于不同分辨率的光电编码器。

其计算公式如下：

其中，v（k）为k时刻电机的瞬时转速，x为设置的单位转速脉冲数的位移，Delta（t）即为转过x位移所花费的时间；m为软件周期内得到的转速脉冲数，f为光电编码器的分辨率，n为计时脉冲的计数个数，p为对系统时钟的分频倍数，tsysoutclk为cpu微控制器的系统时钟周期。

测量方法在tms320f280x系列dsp上的应用

tms320f280x系列dsp的eqep模块包括一个对积分沿进行捕捉的单元，用来测量产生单位位移事件所花费的时间，正是这个单元常被用来计算低速时电机的转速，eqep模块捕捉定时器qctmr定时时钟来源于dsp的系统时钟即sysclkout的分频，常被称为计数时钟，其分频数可以通过qcapctl寄存器的第6-4位即ccps位设置，