使用 QEI 模块测量速度和位置 GS002 作者 : 引言 本文档给出了电机控制系列 dspic30f 数字信号控制器中正交编码器 (Quadrature Encoder Interface, QEI) 模块的概述 还提供了一个需要测量转子速度和位置的典型电机控制应用的代码示例 QEI 模块 Jorge Zambada Microchip Technology Inc. 正交编码器 ( 又称增量式编码器或光电式编码器 ), 用于检测旋转运动系统的位置和速度 使用正交编码器, 能够对多种电机控制应用实现闭环控制 QEI 模块提供了与增量光电式编码器的简单接口, 从而能够从电机或机械系统中获得有符号速度和转子的相对位置信息 QEI 模块接受来自增量式编码器的 A B 和索引连接, 并以专用 16 位时基保存累计的计数脉冲 可以以 X2 或 X4 分辨率来测量速度和位置信息 A 相 () 和 B 相 () 这两个通道的关系是唯一的 如果 A 相超前 B 相, 就认为电机转动方向为正 ( 或正向 ); 如果 A 相滞后于 B 相, 则认为电机转动方向为负 ( 或反向 ) 第三个通道称作索引脉冲, 每转动一圈产生一个索引脉冲, 作为基准用来确定绝对位置 不是所有编码器都提供索引信号, 索引信号并不是 QEI 正确工作所必需的 这三个信号的相对时序参见图 1 QEI 由正交解码器逻辑电路和向上 / 向下计数器组成 : 正交解码器逻辑用来解释 A 相 B 相和索引信号 ; 向上 / 向下计数器用来累计计数 输入端的数字毛刺滤波器用来对输入信号进行滤波 图 2 所示为 QEI 模块的简化框图 QEI 模块具有如下特征 : 三个输入引脚, 用于两个相信号和一个索引脉冲 输入端上的可编程数字噪声滤波器 正交解码器 ( 提供计数器脉冲和计数方向 ) 16 位向上 / 向下位置计数器 计数方向状态 X2 X4 计数分辨率 两种位置计数器复位模式 通用 16 位定时器 / 计数器模式 由 QEI 或计数器事件产生的中断 图 1: 正交编码器接口信号 正向转动 1 个周期 INDX 反向转动 INDX 01 00 10 11 11 10 00 01 2005 Microchip Technology Inc. 高级信息 DS93002A_CN 第 1 页
图 2: 正交编码器接口模块简化框图 时钟分频器 TCY 数字滤波器 数字滤波器 正交解码器逻辑 时钟 方向 16 位向上 / 向下计数器 (POSCNT) 复位 INDX 数字滤波器 比较器 / 零检测 相等 UPDN 最大计数寄存器 (MAXCNT) 关于 CPU 外设 寄存器说明以及一般器件功能的详细信息, 参见 dspic30f 系列参考手册 (DS70046D_CN) 应用实例 图 3 所示是使用 QEI 模块的典型应用, 其中, 交流感应电机 (ACIM) 的控制, 是通过使用正交编码器获得反馈信息来进行的 图 3: 典型应用与简化原理图 120-230 VAC 整流器 AN1 AN7 I BUS V BUS 交流电机 dspic30f6010 PWM3H PWM3L PWM2H PWM2L PWM1H PWM1L FLTA AN6 AN0 INDEX 3 相逆变器 故障 增量式编码器 dspic DSC INDE X +5V 正交编码器 DS93002A_CN 第 2 页高级信息 2005 Microchip Technology Inc.
应用实例的要求是 : 1. 测量转子的角位置 ( 在 0 至 360 之间 ) 为了设置恰当的换算因子, 必须知道增量式编码器的线数 一个 16 位无符号变量用来满足此要求 2. 测量有符号的角速度 为了正确转换, 需要知道电机的最大速度 使用一个有符号的 16 位变量, 其中符号位代表转动的方向 : 正向 (+) 或反向 (-) 为了满足上述要求, 需要所用增量式编码器的信息, 需要电机的速度范围信息 在设计本应用实例时, 使用的电机和编码器如下 : 电机 Leeson Cat# 102684 额定转速 3450 RPM 编码器 U.S. Digital model E3-500-500-IHT 500 线分辨率 注 : 可从电机代理商处购买 Leeson 电机, 或者向 Microchip 定购 编码器可在 U.S. Digital 网站上定购, 网址 :www.usdigital.com 如果需要的话, 可使用具有 500 线分辨率的任何其他类似编码器来代替 U.S. Digital 器件 2005 Microchip Technology Inc. 高级信息 DS93002A_CN 第 3 页
初始化 QEI 模块 根据在本示例中所使用的增量式编码器, 模块配置如下 : 使能数字滤波器 为了对在增量式编码器信号上可能出现的干扰进行滤波, 需要使能数字滤波器 对于本示例中所使用的配置, 图 4 的时序图显示了如何对输入信号进行滤波 图 4: 经由滤波器的信号传输, 1:1 滤波器时钟分频 TCY QEn 引脚 QEn 滤波器 计算滤波器的经验准则基于编码器的最小脉冲宽度, 这个宽度由电机最大转速决定 在本示例中, 最小脉冲宽度由公式 1 决定 : 公式 1: 最小脉冲宽度 30 30 MIN_PULSE = = MAX_RPM x ENCODER_PULSES = 15 µs 4000 x 500 所以对于这个应用, 将滤波器配置为滤除脉冲宽度小于 15 µs 的信号就可以了 在本示例中, 由于运行在 14.75 MIPS, 所以, 为了满足要求, 最接近的滤波器配置按照公式 2 计算 : 公式 2: 滤波器分频比 FILTER_DIV = MIPS --------------------------------------------------------------------- x FILTERED_PULSE = 14.75 ---------------------------------------------- MIPS x 15µs = 73.7 64 3 3 在 QEI 模块提供的可能选择中, 选择 64 的分频比, 于是脉冲宽度小于 13 µs 的脉冲将被滤除 DS93002A_CN 第 4 页高级信息 2005 Microchip Technology Inc.
递增脉冲计数器 在每次 QEn 引脚电平翻转时递增脉冲计数器 为了获得尽可能高的分辨率,QEI 配置为 X4 X4 计数模式在每个 信号边沿递增或递减 POSCNT 寄存器 图 5 所示为 X4 配置的时序图 图 5: X4 模式下的正交编码器信号 计数时钟 POSCNT +1 +1 +1 +1 +1 +1 +1 +1 +1 +1-1 -1-1 -1-1 -1-1 -1-1 UPDN 复位脉冲计数器 脉冲计数器由索引引脚复位 有些增量式编码器没有这个产生绝对基准位置的索引输出 不过, 本示例中使用的增量式编码器有索引输出, 我们将利用索引输出 索引脉冲复位计数器时的时序图, 参见图 6 图 6: 索引模式复位脉冲计数器 正交状态 1 2 3 4 1 2 3 4 1 2 2 1 4 3 2 1 4 3 2 1 4 3 2 INDX 计数时钟 POSCNT 00E3 00E4 00E5 00E6 0000 0001 0002 0003 0004 0005 0004 0003 0002 0001 0000 00E6 00E5 00E4 00E3 00E2 00E1 00E0 UPDN 识别索引 产生 QEI 中断 POSCNT 置为 0000 转子反向 产生 QEI 中断 POSCNT 置为 MAXCNT 识别索引 2005 Microchip Technology Inc. 高级信息 DS93002A_CN 第 5 页
代码示例 下面的代码示例将根据本应用实例的要求, 对 QEI 模块进行初始化 : 示例 1: 初始化 QEI 模块 void InitQEI(void) { ADPCFG = 0x0038; QEICONbits.QEIM = 0; QEICONbits.CNTERR = 0; QEICONbits.QEISIDL = 0; QEICONbits.SWPAB = 0; QEICONbits.PCDOUT = 0; QEICONbits.POSRES = 1; DFLTCONbits.CEID = 1; DFLTCONbits.QEOUT = 1; DFLTCONbits.QECK = 5; DFLTCONbits.INDOUT = 1; DFLTCONbits.INDCK = 5; POSCNT = 0; QEICONbits.QEIM = 6; return; } // 将 QEI 引脚配置为数字输入 // 禁止 QEI 模块 // 清除任何计数错误 // 休眠期间继续工作 // 和 不交换 // 正常 I/O 引脚操作 // 索引脉冲复位位置计数器 // 禁止计数错误中断 // 对于 QEn 引脚, 使能数字滤波器输出 // 将 QEn 的数字滤波器设置为 1:64 时钟分频 // 使能索引引脚的数字滤波器输出 // 将索引的数字滤波器设置为 1:64 时钟分频 // 复位位置计数器 // X4 模式, 位置计数器由索引复位 DS93002A_CN 第 6 页高级信息 2005 Microchip Technology Inc.
使用 QEI 计算角位置 为了为控制算法进行小数运算准备变量, 需要将位置计数器结果转换为有符号小数 公式 3 说明如何根据增量式编码器和 QEI 模块配置信息计算每转动一周的最大计数值 公式 3: 每转动一周的最大计数值 MAX_COUNT_PER_REV = PULSES_PER_REV x COUNT_INC_PER_REV 1 = 500 4 1 = 1999 其中, 分辨率将是 : 360 RESOLUTION = ----------- = 0.18 2000 有了这个分辨率, 还需要将位置计数变量 ( 范围在 0 至 1999 之间 ) 转换为有符号 16 位小数值 ( 范围在 0 至 32767 之间 ) 换算因子的计算公式如下: POSCNT 2048 AngPos[0] = ------------------------------------------ 125 代码示例 下面的代码示例, 说明如何用 C 语言来实现这个简单的子程序 : 示例 2: 使用 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; void PositionCalculation(void) { POSCNTcopy = (int)poscnt; if (POSCNTcopy < 0) POSCNTcopy = -POSCNTcopy; AngPos[1] = AngPos[0]; AngPos[0] = (unsigned int)(((unsigned long)poscntcopy * 2048)/125); // 从 0 <= POSCNT <= 1999 转换至 0 <= AngPos <= 32752 return; } 注 : 根据配置, POSCNT 由索引脉冲自动复 位 2005 Microchip Technology Inc. 高级信息 DS93002A_CN 第 7 页
使用 QEI 计算角速度 在周期性的中断中进行速度计算, 因为角速度是固定长度时间段内的递增数 中断时间间隔必须小于最大速度下 ½ 分辨率所要求的最小时间 电机的额定转速是 3450 RPM, 所以, 在本示例中使用 4000 RPM, 以避免任何速度计算溢出 下面的公式 4 用来计算时间间隔 公式 4: 中断周期计算 INTERRUPT_PERIOD = ----------------------------------------------------------- 60 = -------------------- 60 = 0.0075 s 2 x MAX_SPEED_RPM 2 4000 示例 3 所示是 Timer1 的初始化, 用来产生这个周期性的中断, dspic DSC 运行速度为 14.75 MIPS: 示例 3: TIMER1 初始化 : 产生 0.0075 秒的周期性中断服务程序 void InitTMR1(void) { TMR1 = 0; // 复位定时器计数器 T1CONbits.TON = 0; // 关闭定时器 1 T1CONbits.TSIDL = 0; // 休眠期间继续工作 T1CONbits.TGATE = 0; // 禁止门控定时器累计 T1CONbits.TCS = 0; // 使用 Tcy 作为源时钟 T1CONbits.TCKPS = 2; // Tcy / 64 作为输入时钟 PR1 = 1728; // 中断周期 = 0.0075 秒, 预分频器分频比为 64 IFS0bits.T1IF = 0; // 清零 timer 1 中断标志 IEC0bits.T1IE = 1; // 允许 timer1 中断 T1CONbits.TON = 1; // 开启 timer1 return; } 示例 4 说明如何在周期性中断服务程序中计算 Speed 变量 : 示例 4: 角速度计算示例 #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) { IFS0bits.T1IF = 0; // 清零 timer 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; } DS93002A_CN 第 8 页高级信息 2005 Microchip Technology Inc.
结论 从本文档代码示例中, 可获得下列值 : 表 1: 变量值和分辨率汇总 变量 角度值 整数值 小数值 分辨率 AngPos[n] 0 至 359.82 0 至 32752 0.0 至 0.99951 0.18 Speed -4000 至 4000 RPM -32752 至 32752-0.99951 至 0.99951 8.19 RPM 如果应用的速度和角位置测量需要更高的分辨率的话, 可使用如下准则 : 在较长时间段内进行累计计数 必须小心, 不要使脉冲计数寄存器 POSCNT 溢出 所以在这种情况下, 建议使用 POSCNT 寄存器的累计值 使用输入捕捉通道来测量电平翻转之间的时间, 而不是使用每旋转一周的计数值 选择每旋转一周脉冲数更多的增量式编码器 注 : 示例代码已在 dspic30f6010 器件上测试过, 使用的开发工具是 Microchip MPLAB IDE 7.11 和 Microchip MPLAB C30 Compiler v1.31 2005 Microchip Technology Inc. 高级信息 DS93002A_CN 第 9 页
注 : DS93002A_CN 第 10 页高级信息 2005 Microchip Technology Inc.
请注意以下有关 Microchip 器件代码保护功能的要点 : Microchip 的产品均达到 Microchip 数据手册中所述的技术指标 Microchip 确信 : 在正常使用的情况下, Microchip 系列产品是当今市场上同类产品中最安全的产品之一 目前, 仍存在着恶意 甚至是非法破坏代码保护功能的行为 就我们所知, 所有这些行为都不是以 Microchip 数据手册中规定的操作规范来使用 Microchip 产品的 这样做的人极可能侵犯了知识产权 Microchip 愿与那些注重代码完整性的客户合作 Microchip 或任何其他半导体厂商均无法保证其代码的安全性 代码保护并不意味着我们保证产品是 牢不可破 的 代码保护功能处于持续发展中 Microchip 承诺将不断改进产品的代码保护功能 任何试图破坏 Microchip 代码保护功能的行为均可视为违反了 数字器件千年版权法案 (Digital Millennium Copyright Act) 如果这种行为导致他人在未经授权的情况下, 能访问您的软件或其他受版权保护的成果, 您有权依据该法案提起诉讼, 从而制止这种行为 提供本文档的中文版本仅为了便于理解 Microchip Technology Inc. 及其分公司和相关公司 各级主管与员工及事务代理机构对译文中可能存在的任何差错不承担任何责任 建议参考 Microchip Technology Inc. 的英文原版文档 本出版物中所述的器件应用信息及其他类似内容仅为您提供便利, 它们可能由更新之信息所替代 确保应用符合技术规范, 是您自身应负的责任 Microchip 对这些信息不作任何明示或暗示 书面或口头 法定或其他形式的声明或担保, 包括但不限于针对其使用情况 质量 性能 适销性或特定用途的适用性的声明或担保 Microchip 对因这些信息及使用这些信息而引起的后果不承担任何责任 未经 Microchip 书面批准, 不得将 Microchip 的产品用作生命维持系统中的关键组件 在 Microchip 知识产权保护下, 不得暗中或以其他方式转让任何许可证 商标 Microchip 的名称和徽标组合 Microchip 徽标 Accuron dspic KEELOQ microid MPLAB PIC PICmicro PICSTART PRO MATE PowerSmart rfpic 和 SmartShunt 均为 Microchip Technology Inc. 在美国和其他国家或地区的注册商标 AmpLab FilterLab Migratable Memory MXDEV MXLAB PICMASTER SEEVAL SmartSensor 和 The Embedded Control Solutions Company 均为 Microchip Technology Inc. 在美国的注册商标 Analog-for-the-Digital Age Application Maestro dspicdem dspicdem.net dspicworks ECAN ECONOMONITOR FanSense FlexROM fuzzylab In-Circuit Serial Programming ICSP ICEPIC Linear Active Thermistor MPASM MPLIB MPLINK MPSIM PICkit PICDEM PICDEM.net PICLAB PICtail PowerCal PowerInfo PowerMate PowerTool Real ICE rflab rfpicdem Select Mode Smart Serial SmartTel Total Endurance UNI/O WiperLock 和 Zena 均为 Microchip Technology Inc. 在美国和其他国家或地区的商标 SQTP 是 Microchip Technology Inc. 在美国的服务标记 在此提及的所有其他商标均为各持有公司所有 2005, Microchip Technology Inc. 版权所有 Microchip 位于美国亚利桑那州 Chandler 和 Tempe 及位于加利福尼亚州 Mountain View 的全球总部 设计中心和晶圆生产厂均于 2003 年 10 月通过了 ISO/TS-16949:2002 质量体系认证 公司在 PICmicro 8 位单片机 KEELOQ 跳码器件 串行 EEPROM 单片机外设 非易失性存储器和模拟产品方面的质量体系流程均符合 ISO/TS- 16949:2002 此外, Microchip 在开发系统的设计和生产方面的质量体系也已通过了 ISO 9001:2000 认证 2005 Microchip Technology Inc. 高级信息 DS93002A_CN 第 11 页
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