1、146 测控技术)2014年第33卷第5期一种变MT测速方法的研究与实验王海勇，鲍远慧(合肥工业大学电气与自动化工程学院，安徽合肥230009)摘要：伺服电机的编码器本身具有精度高、分辨能力强等优点，但采用不同的测速方法获得的精确度也不相同。介绍了关于增量式编码器的变MT测速方法，并在STM32系列开发板上和伺服电机之间实现了这一算法。实验证明：该方法弥补了传统MT法在低速时实时性差的缺点，提高了测速的精度。能够方便地应用于伺服控制系统，实现快速、高精度测速的要求。关键词：伺服电机；光电编码器；变MT法；STM32中图分类号：TP212 文献标识码：A 文章编号：10008829(2014)0
2、5014604Research and Experiment on a Different MT Velocity MeasurementWANG Haiyong，BAO Yuan-hui(School of Electrical Engineering and Automation，Hefei University of Technology，Hefei 230009，China)Abstract：Servo motor encoder has some advantages of high precision and sensitivity，but the precision is dif
3、fer-ent among methods to measure the speedA variable MT velocity measurement of incremental encoder iS introduced and the algorithm between the STM32 series development board and the servo motor iS realizedTheexperimental result shows that this method makes up for poor realtime of the traditional MT
4、 velocity measurement in the low speed，and improves the accuracy of measurementIt can be applied to the servo control systemeasily，quickly and preciselyKey words：servo motor；photoelectric encoder；different MT method：STM32随着数字化技术的不断发展，伺服系统的数字化成为现今发展的重要趋势，然而如何确保系统具有良好的实时性则是数字控制技术的关键问题。其中数字信号的处理方式对系统的精
5、度、稳定性、实时性都有较大的影响。电机作为自动控制系统的执行单元要想保证系统的高精度控制，就必须对转速的反馈信号做出快速准确的处理。意法公司的STM32系列MCU(微控制单元)，采用CortexM3内核，速度更快、功耗更低。该MCU内部集成了正交编码器接口，可直接接收编码器信号。传统的测速方法：M法(频率法)，适用于高速测量场合；T法(周期法)，适用于低速测量场合。MT法是这两种方法的结合，虽然保证了两者的优点，但是测速实时性却下降了。针对这一问题，提出一种变MT测速方法，在保证了传统MT法的精准性的同时，改善收稿日期：20130102作者简介：王海勇(1988一)，男，山东潍坊人，硕士研究生
6、，主要从事嵌入式方向的研究；鲍远慧(1955一)，女，安徽人，副教授，硕士生导师，主要从事计算机控制系统方面的研究。了测速的实时性。方法简单、易实现，适用于高精度宽范围的测控系统。1 光电编码器的工作原理交流伺服电机的转子位置传感器一般采用增量式编码器。利用光电转换原理，编码器输出3路方波脉冲A、B和z相。其中A、B两相为正交脉冲信号，相位相差90。若A相信号超前B相信号90。则电机为正转；反之，则电机反转。从而可方便地判断出旋转方向。电机旋转一周，z相输出一个脉冲信号，一般用于基准点定位。本实验中采用森创MS0020A交流伺服电机，其编码器单相分辨率为2500线，电机转一周，A、B两相共输出
7、10000个计数脉冲信号。2测速方法原理及误差分析21 MT法测速原理在规定时间内同时测量正交信号肘。和高频时钟脉冲膨：来确定被测转速叫做MT法测速拉J。原理如图1所示。在编码器的上升沿到来时开启高频时钟，万方数据一种变MT测速方法的研究与实验 147同时开始定时巧，0为规定时间间隔，用t以后的第一个正交计数脉冲去终止高频脉冲计数器，从t结束到高频计数脉冲停止的时间为r，总的计数时间t=t+AT；假设高频时钟脉冲频率为正测得的高频脉冲信号数为ME，则检测时问扛孟M、转子转过的机械角a：肘。哥(rads)转子平均转速”=哥1，磊160=6而0Mif-jk(rmin)式中，M。为t时间内正交编码信
8、号的个数；M2为t时间内高频时钟脉冲的个数；代表编码器分辨率。测速误差决定于编码器的制造精度8p及编码器输出脉冲前沿和高频测速脉冲前沿不齐所造成的误差口1，误差最大为st=象100。码器输出脉冲许计数时间f1 r11 r11 rI r0111 1111111-高频时钟脉冲肘，图1 MT法原理图高频脉冲M：计数时，会造成1个脉冲误差，其相对误差为82=志100。o r12 1MT法最大的误差为x 2M卫 +孝ij100 100MT法可适用于高、低速的测速系统。若电机运行在高速段时，需要设置偏大的采样时间t才能保证速度计算的准确率；当运行在低速段时，若采样时间t偏大，在采样区间内出现速度波动则不会
9、通过速度值呈现出来，不利于系统的调速，但由于该方法的采样时间间隔是固定的，所以需要一个较小的采样时间t。MT法在低速运行时，实时性会变差，不利于速度的闭环，所以不能满足时速性要求较高的伺服系统一7 J。22变MT测速原理及实现变MT法是指在测速过程中，按照转速的高低，设定不同的正交编码信号值肘。，通过测取不同的M。来确定检测时间，检测时间由高频时钟脉冲计算得到。用编码器信号的上升沿、下降沿来同步高频脉冲的起止。在低速时，设定的M。值比较小，则通过高频时钟脉冲计数的时间比较短；在高速时，设定的肘。稍大，由于转速高，同样能够保证较短的检测时间。原理如图2所示。厂厂厂jj厂厂J编码器输出脉冲111f
10、lfl11111flfl11 r ：，11f111flf高频时钟脉冲厂叁许计数时间图2变MT法原理假设高频时钟脉冲频率为正测得的高频脉冲信号数为M：，则检测时间为t=M2组m电机的转速为60M正“n 2而式中，M，为t时问内编码器正交信号的个数；M2为t时间内高频时钟脉冲的个数；代表编码器分辨率，本试验为10000。本方法中M的选取是根据电机当前的转速来确定，在高速时取值比较大，相当于M法的情况；在低速时取值比较小，能快速响应，相当于T法的情况，这弥补了MT法在低速时实时性差的缺点。在编码器正交信号的上升沿或下降沿开启高频时钟脉冲，在经过设定的整数个正交信号后再由编码器信号边的上升沿或下降沿关
11、闭高频时钟脉冲，这个过程通过软件实现，保证了M，只能取整数值，这就避免了编码器在两个相邻脉冲信号之间停止时带来的误差。高频时钟脉冲鸩可能存在1个脉冲误差，相对误差为，高频时钟脉冲频率越高，测得的转速误差越小。2性2变MT法的采样时间是可变的，通过设置M。来改变采样时间，即：百MI x一60：60MFlt (S) (1)2百x一=i【， tt，式中，r为当前速度。如：在低速r。=20 rrain时M。取15，则采样时间为45 mS；高速F2=1200 rmin时肘1取1000，采样时间为5 ms；N取10000。通过设定M可使低速段与高速段有相同采样时间，确保系统能够快速响应。此变MT法能够保证
12、高精度宽范围的速度检测，并有良好的实时性，降低了程序设计复杂度。3 硬件设计31控制器的编码器模式万方数据148 测控技术)2014年第33卷第5期实验采用STM32F107VCT6控制芯片，该MCU有8路16位定时器，包含2路基本定时器，4路通用定时器和2路高级定时器，各路定时器独立工作，互不影响。其中通用定时器和高级定时器集成了正交编码器接口，当定时器工作在编码器接口模式下时，增量式光电编码器的A、B两相信号可直接输人到MCU定时器的两个通道T11、T12中。实验中用到的TIM2、TIM3、TIM5均为通用定时器。其中TIM3工作在编码器模式下，TIM3的T11通道为PA6，T12通道为P
13、A7。当MCU工作在正交编码器模式下时，编码器A、B两个信号的边沿作为计数器的时钟脉冲，正交编码器的z信号(机械零位)，可连接外部中断口来触发定时器的计数器复位旧J。其工作过程如图3所示。若T11超前T12时，为正向计数，此时电机正转，正转一圈正交脉冲信号计数10000，设定正转6圈溢出一次，进行溢出处理；若T12超前T11时，为反相计数，此时电机反转，反转一圈计数器减计数一10000，当减为一60000时溢出，进行溢出处理。(A相)T11(B相)T12计数器正转 反转图3正交编码接口工作模式32电路接线图本实验采用森创MS0020A交流伺服电机，该型号电机采用全数字交流伺服驱动器驱动，编码器
14、直接输出的A、B两路信号经过外接光耦电路可获得较好的矩形脉冲，其光耦可以起到隔离、抗干扰的作用。编码器信号外接电路如图4所示，电阻尺，、尺：是限流电阻，确保回路的电流小于10 mA。A、B两相信号经过光耦后连接到控制器TIM3的PA6、PA7两个引脚上。4 软件设计程序采用3路定时器，其中TIM3设置为正交编码器工作模式状态。当TIM3启动后开始对外部输入的编码器正交信号计数，定时器为16位，设定一个32位的全局变量来进行溢出处理；TIM2用于速度段的选取，通过中断程序采样-d,段时间内(时间很短)的编码器正交信号的个数来判断当前处于哪个速度段(速度段的设定可以根据不同的要求自行设计选取)，每
15、图4电路接线图个速度段对应的M的大小跟速度的高低成正比关系；TIM5用于高频时钟脉冲M：的计数，设置一个32位的变量进行溢出处理。系统初始化后，TIM3开始对编码器正交信号计数，TIM2启动的同时获取当前TIM3的计数值，在TIM2定时结束的同时再次获取当前TIM3的计数值，通过比较前后差值可判断出当前所处的速度段，确定该速度段的M。获取当前TIM3的计数值，通过差值判断在此当前值的下一个计数值的开始开启TIM5，再经过M个计数值后关断TIM5，此时TIM5的计数值为鸩。通过公式计算可或得当前转速，在进入下一次循环之前将TIM5清零。通过软件的方法保证了编码器正交信号都是以整数个数出现，避免了
16、计算AT的时间。主程序流程图和M，中断程序流程图分别如图5和图6所示。系统初始化上LCD初始化上启动TIM3上启动TIM2开启中断f获取当前TIM3计数值0在TIM3下一个计数值启动TIM5kl1读取当前TIM3计数值Y关闭TIM5计算当前转速士LCD显示转速图5主程序图 图6 M。中断程序万方数据一种变MT测速方法的研究与实验 149= ：=：5 实验结果本实验中设定060 rrain为低速段，M，设置为15；60600 rrain为中速段，M设置为500；大于600rrain为高速段，肘。设置为1000。TIM2设定时钟频率为1 MHz；TIM5采用10 kHz的高频时钟脉冲，理论误差1M
17、：为01c。实验结果如表1所示。从实际测量的结果来看符合预定的误差要求，若要继续提高测量精度，可以提高TIM5高频时钟脉冲的频率，或者增加速度段，将三阶速度段变为多阶速度段。表1实验结果6结束语本实验采用了最新的Codex-M3内核的STM32F107VCT6控制芯片的一种变MT测速算法，充分利用STM32的片内资源，简化了外部硬件电路，降低了系统成本。而采用传统ARM7内核的MCU不具有对外部正交脉冲信号计数的功能，只能通过中断的方式来对外部脉冲信号计数，这就很容易造成信号的丢失，增加了测量误差。实验证明：该实验方法在保证传统MT法测速精度的同时，弥补了MT法在低速时实时性差的缺点，方法简单
18、可靠，可用于高精度、宽范围的伺服系统。参考文献：1 陈伯时电力拖动自动控制系统M北京：机械工业m版社，20032 肖兵，薛琦，余师棠基于DSP的MT测速法改进J重庆工学院学报(自然科学)，2009(10)：65683 赵岩编码器测速方法的研究D长春：长春光学精密机械与物理研究所，20034崔桂梅，董丽荣，董文智基于DSP控制器的MT法测速J冶金自动化，2009(s2)：4484505 侯涛，范多旺基于增量式光电编码器的高精数字测速应用研究J自动化与仪器仪表，20 LO(6)：9146 焦东升，张秀彬，应俊豪基于正交编码器高精度测速方法的研究J微型电脑应用，2010，26(10)：13157 许
19、贤泽，童爱清，徐余波，等高精度直流伺服电机的数字控制系统研究J武汉大学学报(工学版)，2006，39(2)：59628 ARM LimitedSTM32F10 Cooex-M3 Reference Manual(RM0008)z2009口(上接第145页)测量调制的载频和第一边频功率值时，先找到载频和第一变频，然后放大分析带宽，测量功率值，提高了测量的精度和稳定度；查找调制指数时，使用LabVIEW中的贝塞尔函数，可以根据测量的精度要求改变起点和步长。本测量系统以00001作为起点，000001为步长，查找精度较普通的查表法高很多，提高查找调制指数m，的精度，从而提高调制失真度的测量精度；采用
20、LabVIEW对仪器程控进行自动测量，大大提高了测量效率，还可根据测量要求对程序进行修改和升级。参考文献：1陈锡辉，张银鸿LabVIEW820程序设计从入门到精通M北京：清华大学出版社，20072 李江全，刘恩博，胡蓉，等LabVIEW虚拟仪器数据采集与串口通信测控应用实战M北京：人民邮电出版社，2UlU3 陈邦媛射频通信电路M北京：科学出版社，20064 陈树学，刘萱LabVIEW宝典M北京：电子工业出版社，20115 沈林平，何彬S波段遥测发射机调制频偏及非线性测量J电讯技术，1993，33(4)：166 梁军，孙震基于贝塞尔函数的某型号卫星调频信号调制指数测量方法J电子测量与仪器学报，2004(增刊)：84877 陈学煌一种采用频谱分析技术测量信号失真度的方法J西北师范大学学报(自然科学版)，2004，40(1)8许建华用频谱分析仪测量调制信号J国外电子测量技术，1997(5)：16一189 王卫东FM特大频偏的一种线性解调技术J电子测量技术，1994(4)：363910吴泉清利用频率倍增法测量小调制指数频偏的方法J电讯技术1980(3)：7985口万方数据
