光電測(cè)量轉(zhuǎn)速系統(tǒng)的設(shè)計(jì).doc

光電測(cè)量轉(zhuǎn)速系統(tǒng)的設(shè)計(jì)摘 要本文介紹的是采用光電作為轉(zhuǎn)速傳感器，借助于最新的控制系統(tǒng)數(shù)字信號(hào)處理器TMS320LF2407及一定的測(cè)速算法變MT法，實(shí)現(xiàn)了對(duì)轉(zhuǎn)速高精度測(cè)量的目的。在測(cè)速系統(tǒng)中，重點(diǎn)以718轉(zhuǎn)臺(tái)為實(shí)驗(yàn)對(duì)象，在控制系統(tǒng)速度環(huán)開(kāi)環(huán)的情況下，用光電編碼器，借助于最新的控制系統(tǒng)數(shù)字信號(hào)處理器TMS320LF2407及一定的測(cè)速算法變MT法，實(shí)現(xiàn)了對(duì)轉(zhuǎn)臺(tái)轉(zhuǎn)速高精度測(cè)量的目的，為進(jìn)一步實(shí)現(xiàn)伺服系統(tǒng)的全數(shù)字化打下了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。本文的主要的研究工作如下：首先，在綜合分析了影響模擬量和數(shù)字量測(cè)速的基礎(chǔ)上，對(duì)基于數(shù)字脈沖計(jì)數(shù)的測(cè)速方法進(jìn)行了全面的研究。對(duì)最終確定用變MT法在TMS320LF2407上實(shí)現(xiàn)對(duì)電機(jī)低速轉(zhuǎn)速測(cè)量的實(shí)驗(yàn)方案，提供了理論依據(jù)，也為進(jìn)一步提高測(cè)速精度和擴(kuò)展測(cè)速范圍提供了有利的保障。其次以TMS320LF2407與CPLD為核心構(gòu)成了測(cè)速系統(tǒng)，并完成了用變MT法實(shí)現(xiàn)對(duì)電機(jī)低速轉(zhuǎn)速的測(cè)量。關(guān)鍵詞：DSP，低轉(zhuǎn)速，TMS320LF2407，光電編碼器，變MT法，轉(zhuǎn)速傳感器 THE DESIGN OF PHOTOELECTRIC MEASUREMENT SPEEDABSTRACT This article describes the optical encoder as a speed sensor, by means of the control system digital signal processor TMS320LF2407 speed algorithm-Variable M/T method, to achieve high-precision measurement of low speed and low angular velocity of the purpose of.Ln the speedmeasuring system，taking the 718 gimbals model as an object，in The circumstance of open 1oop control system，this paper use the encoder to realize highly accurate measures for the speed of motor by means of the latest digital Signal processor(DSP) TMS320LF2407，and a some arithmeticthe methods of alterable MTThis establishes a firm basement for the further realization of a total digitalized method in servo systemThe main research contents are as follows： First,Influencing factors of analogue and digital speedmeasuring are discussed in detail，the methods of measuring speed based on digital pulse counting are comprehensively studied，which provide theoretic bases for establishing experimental project used the methods of alterable MT and position difference to realize low speed measuring for motor，and provide powerful guarantee for further improving the precision of speedmeasuring and extending the range of speedmeasuring。Secondly，tacho system is mainly made up of TMS320LF2407 and CPLD，low speedmeasuring for motor is completed by the method of alterable MTKEY WORDS：DSP,low rotational speed,TMS320LF2407,photoelectric encoder the Method of Alterable MT, revolution speed transducer目 錄前 言1第一章 測(cè)速算法的問(wèn)題21.1 測(cè)速算法實(shí)現(xiàn)中的幾個(gè)問(wèn)題21.1.1 定點(diǎn)運(yùn)算與定標(biāo)21.1.2 有限字長(zhǎng)效應(yīng)21.1.3 上溢與下溢處理21.1.4 軟件結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)2第二章 光電測(cè)速的意義及現(xiàn)狀42.1 測(cè)速系統(tǒng)研究的目的和意義42.2 測(cè)量系統(tǒng)的現(xiàn)狀4第三章 國(guó)內(nèi)外的一些研究方法63.1 光電斷續(xù)器測(cè)量轉(zhuǎn)速63.1.1 轉(zhuǎn)軸轉(zhuǎn)速的測(cè)量電路及工作原理63.1.2 齒輪轉(zhuǎn)速的測(cè)量原理63.2 紅外光電測(cè)速83.2.1 測(cè)量原理83.2.2 信號(hào)處理系統(tǒng)93.2.3 單片機(jī)信號(hào)處理系統(tǒng)10第四章 數(shù)字測(cè)速124.2 DSP簡(jiǎn)介124.3 TMS320LF2407-增強(qiáng)型數(shù)字電機(jī)專(zhuān)用芯片134.4 TMS320LF2407上用變MT法實(shí)現(xiàn)對(duì)編碼器測(cè)速的硬件設(shè)計(jì)134.4.1 TMS320LF2407上的相應(yīng)硬件及測(cè)量系統(tǒng)組成144.5 DSP芯片的高級(jí)語(yǔ)言和匯編語(yǔ)言混臺(tái)編程164.6 程序設(shè)計(jì)17第五章 實(shí)驗(yàn)結(jié)果及結(jié)論205.1 實(shí)驗(yàn)結(jié)果205.2 實(shí)驗(yàn)結(jié)論21結(jié) 論22參考文獻(xiàn)23致 謝2525前 言近年來(lái)，許多學(xué)者和專(zhuān)家在轉(zhuǎn)矩、轉(zhuǎn)速測(cè)量方面進(jìn)行了大量的研究和試驗(yàn)，取得了一系列的技術(shù)成果。光電測(cè)量設(shè)備絕大多數(shù)都是精密測(cè)量設(shè)備，廣泛應(yīng)用于航天、航空、航海等軍事領(lǐng)域和建筑、工業(yè)生產(chǎn)等民用領(lǐng)域。隨著科學(xué)技術(shù)的進(jìn)步，各行業(yè)對(duì)測(cè)量精度的要求越來(lái)越高，這就要求光電測(cè)量設(shè)備在設(shè)計(jì)、研制、使用等過(guò)程中必須考慮各方面的誤差來(lái)源，從而提高光電測(cè)量設(shè)備的測(cè)量精度。此文分析了影響模擬量和數(shù)字量測(cè)速的基礎(chǔ)上定用變MT法在TMS320LF2407上實(shí)現(xiàn)對(duì)電機(jī)低速轉(zhuǎn)速測(cè)量的實(shí)驗(yàn)方案，提供了理論依據(jù)，也為進(jìn)一步提高測(cè)速精度和擴(kuò)展測(cè)速范圍提供了有利的保障。并以TMS320LF2407為基礎(chǔ)構(gòu)成了測(cè)速系統(tǒng)，并完成了用變MT法實(shí)現(xiàn)對(duì)電機(jī)低速轉(zhuǎn)速的測(cè)量。 第一章 測(cè)速算法的問(wèn)題1.1 測(cè)速算法實(shí)現(xiàn)中的幾個(gè)問(wèn)題用TMS320LF2407實(shí)現(xiàn)測(cè)速系統(tǒng)數(shù)字化的設(shè)計(jì)方法目前常用的方法有以下幾種：模擬化設(shè)計(jì)、直接數(shù)字設(shè)計(jì)。TMS320C2000實(shí)現(xiàn)數(shù)字化測(cè)速的幾個(gè)實(shí)際問(wèn)題：定點(diǎn)運(yùn)算與定標(biāo)；有限字長(zhǎng)效應(yīng)；上溢和下溢處理；軟件結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。1.1.1 定點(diǎn)運(yùn)算與定標(biāo)用TMS320LF2407實(shí)現(xiàn)數(shù)字化測(cè)速算法也是一種有精度要求的運(yùn)算，這種運(yùn)算都是基于定點(diǎn)二進(jìn)制補(bǔ)碼表示的數(shù)。在定點(diǎn)DSP芯片中，采用定點(diǎn)數(shù)進(jìn)行數(shù)值運(yùn)算，其操作數(shù)一般采用整型數(shù)表示。定點(diǎn)格式、如何定點(diǎn)將影響運(yùn)算精度，不合適的定點(diǎn)表示將會(huì)引起不能接受的誤差。所謂數(shù)的定標(biāo)，就是確定一個(gè)數(shù)的小數(shù)點(diǎn)處于16位中的哪一位1。1.1.2 有限字長(zhǎng)效應(yīng)DSP在處理數(shù)字控制算法中所包含的各種數(shù)時(shí)，都是用有限字長(zhǎng)的數(shù)來(lái)表示的，這本身就意味著存在某種程度的誤差。在程序設(shè)計(jì)中，應(yīng)該考慮有限字長(zhǎng)誤差(量化誤差)對(duì)于整個(gè)算法及測(cè)試結(jié)果乃至對(duì)正個(gè)閉環(huán)伺服控制系統(tǒng)的影響2。1.1.3 上溢與下溢處理數(shù)字控制系統(tǒng)中的計(jì)算機(jī)通常采用2的補(bǔ)碼定點(diǎn)運(yùn)算。這種慣用的設(shè)計(jì)方法必須確定整數(shù)值和小數(shù)位，若定點(diǎn)運(yùn)算的“標(biāo)點(diǎn)”您、定得不合適，會(huì)使運(yùn)算結(jié)果太大時(shí)， 在所選取的定點(diǎn)格式下不能完全表示而發(fā)生溢出。如果對(duì)溢出結(jié)果不作處理，可能導(dǎo)致性能惡化。所以，在系統(tǒng)中，必須采取防止溢出的措施，亦即轉(zhuǎn)入正常工作的非溢出狀態(tài)。即為了防止溢出，在編制軟件時(shí)，應(yīng)根據(jù)輸入信號(hào)的動(dòng)態(tài)范圍，選取合適的定標(biāo)系數(shù)，或者采取軟件限幅3。1.1.4 軟件結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)在DSP構(gòu)成的數(shù)字伺服系統(tǒng)中，軟件設(shè)計(jì)也應(yīng)該應(yīng)用模塊化的原理與概念，遵循“自頂而下”的遞階結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方法，把一個(gè)大型任務(wù)分解成若干個(gè)相互有聯(lián)系的小任務(wù)模塊。也就是說(shuō)，首先規(guī)劃高層模塊的目標(biāo)和約束條件，然后逐層設(shè)計(jì)關(guān)鍵性底層模塊，在主程序的控制下把一個(gè)低層功能模塊有機(jī)的結(jié)合起來(lái)完成系統(tǒng)所規(guī)定的任務(wù)。第二章 光電測(cè)速的意義及現(xiàn)狀2.1 測(cè)速系統(tǒng)研究的目的和意義 光電精密跟蹤技術(shù)是國(guó)防領(lǐng)域中的一項(xiàng)核心技術(shù)。在科學(xué)技術(shù)高度發(fā)展的今天，國(guó)防科學(xué)技術(shù)是衡量各國(guó)科技發(fā)展程度的重要標(biāo)志，大量科技研究力量和投資都用于國(guó)防科技發(fā)展中。跟蹤伺服系統(tǒng)在精密跟蹤系統(tǒng)的研制中起著極其重要的作用。跟蹤伺服系統(tǒng)的速度精度和速度平穩(wěn)性是光電跟蹤系統(tǒng)設(shè)計(jì)的重要指標(biāo)4。具有較高的測(cè)量精度，對(duì)于低轉(zhuǎn)速的測(cè)量也有相當(dāng)高的精度，可用于各行業(yè)轉(zhuǎn)速的非接觸式檢測(cè)和控制中，因此設(shè)計(jì)高精度高分辨率的測(cè)速系統(tǒng)顯得尤為重要5。2.2 測(cè)量系統(tǒng)的現(xiàn)狀 測(cè)速可分為兩大類(lèi)：模擬電路測(cè)速和數(shù)字電路的測(cè)速。隨著電子技術(shù)的發(fā)展，數(shù)字測(cè)速技術(shù)的進(jìn)步，數(shù)字測(cè)速性能的提高，使數(shù)字測(cè)速受到人們更多的重視。微電子技術(shù)的發(fā)展，計(jì)算機(jī)技術(shù)的廣泛應(yīng)用，出現(xiàn)了以計(jì)算機(jī)為核心的數(shù)字測(cè)速裝置。這樣的速度測(cè)量裝置測(cè)量范圍寬，工作方式靈活多變，適應(yīng)面廣，具有普通數(shù)字測(cè)速裝置不可比擬的優(yōu)越性6。目前，在數(shù)字系統(tǒng)中測(cè)速裝置主要分為兩類(lèi)。一類(lèi)是把測(cè)速機(jī)的模擬輸出信號(hào)經(jīng)AD變換為數(shù)字量，然后輸入到計(jì)算機(jī)中。這是一種比較成熟的測(cè)速方法。其優(yōu)點(diǎn)是響應(yīng)速度快，時(shí)間延遲小，其缺點(diǎn)是測(cè)速機(jī)靈敏度低，壽命短，而且必須安裝測(cè)速機(jī)。特別是與力矩電機(jī)配合使用的高靈敏度測(cè)速機(jī)情況更是如此。此外速度分辨力和量化誤差受到AD轉(zhuǎn)換芯片的位數(shù)限制。例如一個(gè)n位的AD轉(zhuǎn)換芯片，考慮到正負(fù)轉(zhuǎn)向，其最大測(cè)速比為：D=2n-1，如果系統(tǒng)要求的最高轉(zhuǎn)速為Vmax，則系統(tǒng)的最高分辨率為VmaxD=Vmax2n-17。另一類(lèi)方法是直接采用數(shù)字測(cè)速。隨著數(shù)字測(cè)速的完善和發(fā)展，在速度回路中用它來(lái)代替直流測(cè)速機(jī)，不但可提高測(cè)速精度，擴(kuò)大測(cè)速范圍，還可大大簡(jiǎn)化系統(tǒng)體積結(jié)構(gòu)，這對(duì)設(shè)計(jì)高精度、高分辨率、小型化的測(cè)速系統(tǒng)顯得尤為重要。數(shù)字測(cè)速是多種多樣的，有脈沖測(cè)速機(jī)，光柵盤(pán)等。目前使用最廣泛的是增量式碼盤(pán)。在閉環(huán)伺服控制系統(tǒng)中，根據(jù)脈沖計(jì)數(shù)來(lái)測(cè)量轉(zhuǎn)速的方法有下列幾種：M法、T法，以及后來(lái)發(fā)展的MT法、變MT法等。而多周期同步測(cè)頻法是近期在發(fā)展變MT法基礎(chǔ)上發(fā)展起來(lái)的。各種方法有其各自的優(yōu)點(diǎn)及其具體的適用與范圍8。第三章 國(guó)內(nèi)外的一些研究方法3.1 光電斷續(xù)器測(cè)量轉(zhuǎn)速反射型光電斷續(xù)器和遮斷型光電斷續(xù)器均可以用來(lái)測(cè)量物體的轉(zhuǎn)速，如圖3-1、圖3-2所示。我們拿反射式為例來(lái)詳細(xì)分析其工作原理9。3.1.1 轉(zhuǎn)軸轉(zhuǎn)速的測(cè)量電路及工作原理在待測(cè)轉(zhuǎn)速的轉(zhuǎn)軸上安裝上一個(gè)同心圓柱薄片，將具有反射光線性能較好的紙片粘貼在這個(gè)同心圓柱薄片3迎光那面的合適位置上，紅外LED發(fā)射管發(fā)出的光線經(jīng)透鏡2會(huì)聚成平行光束，照射到旋轉(zhuǎn)圓柱薄片3上，光線經(jīng)反光紙4反射回來(lái)，經(jīng)透鏡6聚焦后落在光敏二極管7上，由光敏二極管7轉(zhuǎn)變?yōu)殡娦盘?hào)。旋轉(zhuǎn)物體每轉(zhuǎn)一圈，光敏二極管就產(chǎn)生一個(gè)脈沖信號(hào)，如Ua所示，經(jīng)放大整形電路8后得到TTL電平的脈沖信號(hào)，如Ub所示。該信號(hào)在與邏輯門(mén)中和。秒信號(hào)Uc相與，輸出信號(hào)如Ud所示，該信號(hào)就是與門(mén)在ls的時(shí)間間隔內(nèi)輸出的脈沖數(shù)10。它反映了旋轉(zhuǎn)物體的每秒轉(zhuǎn)動(dòng)圈數(shù)，而轉(zhuǎn)速是指每分鐘內(nèi)旋轉(zhuǎn)物體轉(zhuǎn)動(dòng)的圈數(shù)，所以，Ud信號(hào)還需要經(jīng)數(shù)據(jù)運(yùn)算電路60倍頻處理后，由數(shù)碼顯示器顯示出每分鐘的轉(zhuǎn)數(shù)n來(lái)。3.1.2 齒輪轉(zhuǎn)速的測(cè)量原理如果待測(cè)的是齒輪的轉(zhuǎn)速，如圖3-1所示，電路組成和原理基本相同。只是每轉(zhuǎn)過(guò)一個(gè)齒，光電斷續(xù)器就輸出一個(gè)脈沖。如果該齒輪有z個(gè)齒，則齒輪轉(zhuǎn)一圈，光電斷續(xù)器將輸出z個(gè)脈沖。通過(guò)測(cè)量脈沖的頻率或脈沖計(jì)數(shù)?？色@得齒輪1s的時(shí)間間隔內(nèi)輸出的脈沖數(shù)n1，經(jīng)數(shù)據(jù)運(yùn)算電路除以Z再60倍頻處理后，則60nlZ就是齒輪每分鐘內(nèi)旋轉(zhuǎn)圈數(shù)即齒輪的轉(zhuǎn)速，由數(shù)碼顯示器顯示出來(lái)11。 圖3-1 反射式光電斷續(xù)器測(cè)轉(zhuǎn)速 圖3-2 遮斷型光電斷續(xù)器測(cè)轉(zhuǎn)速圖3-3 反射型光電斷續(xù)器工作原理圖1一光源(LED) 2、6-聚焦透鏡 3一同心圓柱薄片 4一反光紙 5一遮光罩 7一光敏二極管 8-放大整形電路3.2 紅外光電測(cè)速3.2.1 測(cè)量原理 圖3-4 測(cè)量原理框圖 圖3-4為紅外光電測(cè)速儀測(cè)量原理框圖，測(cè)速儀由光電傳感器和方框圖內(nèi)的二次儀表組成。紅外光電傳感器發(fā)出的光，聚焦到被測(cè)的旋轉(zhuǎn)軸上，光由轉(zhuǎn)軸反射后，再聚焦到傳感器光電探測(cè)器的光敏面上。在旋轉(zhuǎn)軸上，粘貼一高反射率的矩形鋁箔，當(dāng)轉(zhuǎn)軸旋轉(zhuǎn)時(shí)，每轉(zhuǎn)一圈，光電探測(cè)器將會(huì)輸出一脈沖信號(hào)12。該脈沖信號(hào)在光電傳感器內(nèi)經(jīng)過(guò)前置放大后送入二次儀表進(jìn)行信號(hào)處理。在二次儀表內(nèi)，脈沖信號(hào)經(jīng)過(guò)整形處理后，形成規(guī)則的矩形脈沖，該脈沖信號(hào)再經(jīng)過(guò)倍頻后，送入單片機(jī)進(jìn)行處理計(jì)算。在單片機(jī)內(nèi)，利用兩個(gè)定時(shí)計(jì)數(shù)器 和 相結(jié)合的方法對(duì)脈沖信號(hào)進(jìn)行定時(shí)計(jì)數(shù)，實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速的測(cè)量計(jì)算，計(jì)算出的轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速信號(hào)可以直接進(jìn)行數(shù)字顯示，也可以通過(guò)串行口輸出。3.2.2 信號(hào)處理系統(tǒng) 信號(hào)處理系統(tǒng)即二次儀表由脈沖整形處理及倍頻電路，單片機(jī)信號(hào)處理系統(tǒng)等幾部分組成。脈沖整形處理及倍頻電路 圖3-5 脈沖整形處理電路 在圖3-5中，由二極管、電阻R1和電容C2組成了峰值檢出電路，檢測(cè)出脈沖信號(hào)的峰值大小。電阻R2和R3組成峰值電壓的分壓電路，利用分壓值的大小作為比較電平與脈沖信號(hào)在LM311比較器中進(jìn)行比較，輸出矩形脈沖信號(hào)，將該信號(hào)用于頻率測(cè)量。選擇比較電平時(shí)，可根據(jù)脈沖信號(hào)的輸出波形，選擇信號(hào)上升沿最陡的地方進(jìn)行二值化處理。該比較電平可以根據(jù)探測(cè)器接收到的反射信號(hào)的幅值，自動(dòng)調(diào)節(jié)電平的大小。當(dāng)傳感器與轉(zhuǎn)軸之間的距離有變化時(shí)，輸出的脈沖幅度將會(huì)有所改變，而比較電平也會(huì)相應(yīng)的改變，保證了信號(hào)整形的正常進(jìn)行，不會(huì)影響到矩形脈沖的輸出。因而，采用該信號(hào)處理方法，可以有效抑制干擾信號(hào)的影響，增加系統(tǒng)的穩(wěn)定性和可靠性13。上述矩形脈沖，送入由集成電路CD4046組成的鎖相倍頻電路，如圖3-6所示，信號(hào)的輸入端為PHi1，輸出信號(hào)從CD4046的第二相位比較器輸出端PHo2取出，經(jīng)環(huán)路濾波器變?yōu)槠交闹绷麟妷盒盘?hào)加至壓控振蕩器的輸入端VCO1，去改變VCO產(chǎn)生振蕩信號(hào)的頻率，這頻率變化的信號(hào)經(jīng)過(guò)由兩個(gè)計(jì)數(shù)器芯片MC14522組成的分頻器進(jìn)行1/60分頻后，送到相位比較器的比較信號(hào)輸入端PHi2，當(dāng)環(huán)路達(dá)到鎖定后，輸入信號(hào)和反饋信號(hào)的頻率完全相同，因而VCO輸出信號(hào)的頻率就是輸入信號(hào)頻率的60倍，然后將該信號(hào)送入單片機(jī)進(jìn)行計(jì)數(shù)及求轉(zhuǎn)速的運(yùn)算處理14。 圖3-6 鎖相倍頻電路3.2.3 單片機(jī)信號(hào)處理系統(tǒng) 對(duì)脈沖信號(hào)的頻率計(jì)量一般采用兩種方法，一是在固定時(shí)間內(nèi)測(cè)量脈沖個(gè)數(shù)，二是測(cè)量脈沖周期的方法。第一種方法，對(duì)于較低頻率信號(hào)存在著測(cè)量的實(shí)時(shí)性與測(cè)量準(zhǔn)確度之間的矛盾。要想提高測(cè)量準(zhǔn)確度，必須增加測(cè)量脈沖個(gè)數(shù)，導(dǎo)致測(cè)量時(shí)間過(guò)長(zhǎng)，不能應(yīng)用于實(shí)際測(cè)量過(guò)程。第二種方法適宜于測(cè)量低頻信號(hào)，但對(duì)于高頻脈沖信號(hào)測(cè)量精度相對(duì)要低。利用單片機(jī)的 兩個(gè)定時(shí)計(jì)數(shù)器，采用測(cè)量脈沖個(gè)數(shù)和測(cè)量脈沖周期相結(jié)合的方法，可以達(dá)到轉(zhuǎn)速測(cè)量的實(shí)時(shí)性，并能在較寬的頻率范圍內(nèi)獲得高準(zhǔn)確度的測(cè)速值15。 單片機(jī)89C51有兩個(gè)定時(shí)/計(jì)數(shù)器T0和T1，利用T0計(jì)數(shù)器記錄光電傳感器輸出的脈沖個(gè)數(shù)N1，同一時(shí)刻T1計(jì)數(shù)器作為定時(shí)器記錄機(jī)器內(nèi)的基準(zhǔn)振蕩周期數(shù)即測(cè)量采樣時(shí)間t1， N1反應(yīng)轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)動(dòng)頻率，t1指轉(zhuǎn)速測(cè)量時(shí)間，通過(guò)單片機(jī)計(jì)算可得到轉(zhuǎn)速值。圖3 為原理圖。 圖3-7 測(cè)量時(shí)序圖 由圖3-7看出，從初始時(shí)刻開(kāi)始，計(jì)數(shù)器T0對(duì)光電傳感器輸出的脈沖計(jì)數(shù)，計(jì)數(shù)器T1作為定時(shí)器對(duì)基準(zhǔn)振蕩周期同時(shí)計(jì)數(shù)，到達(dá)預(yù)定的測(cè)速時(shí)間t1時(shí)，單片機(jī)應(yīng)發(fā)出停止計(jì)數(shù)指令，由于此時(shí)光電傳感器輸出的脈沖不一定恰好是在整個(gè)周期處，所以計(jì)數(shù)器T1仍然對(duì)機(jī)器基準(zhǔn)周期繼續(xù)計(jì)數(shù)一段時(shí)間t2，直到下一個(gè)脈沖信號(hào)的上升沿時(shí)停止計(jì)數(shù)器T1的工作，這時(shí)計(jì)數(shù)器T0的計(jì)數(shù)值N1與T1的計(jì)數(shù)時(shí)間（t1+t2）之比即為要測(cè)量的轉(zhuǎn)速大小。轉(zhuǎn)速為：r=N1/（t1+t2）第四章 數(shù)字測(cè)速4.1 數(shù)字測(cè)速元件的原理 數(shù)字測(cè)速元件由光電脈沖發(fā)生器及檢測(cè)裝置組成。它們具有低慣量、低噪聲、高分辨率和高精度的優(yōu)點(diǎn)，有利于控制直流伺服電動(dòng)機(jī)。脈沖發(fā)生器連接在被測(cè)軸上，隨著被測(cè)軸的轉(zhuǎn)動(dòng)產(chǎn)生一系列的脈沖，然后通過(guò)檢測(cè)裝置對(duì)脈沖進(jìn)行比較，從而獲得被測(cè)軸的速度16。數(shù)字測(cè)量中用到的關(guān)鍵部件是光電編碼器，俗稱(chēng)碼盤(pán)。碼盤(pán)是一種先進(jìn)的角位移、角速度測(cè)量元件，也可作為模數(shù)轉(zhuǎn)換器，因其具有結(jié)構(gòu)緊湊、可靠性好等優(yōu)點(diǎn)，廣泛地應(yīng)用于數(shù)控機(jī)床、機(jī)器人、雷達(dá)、航空、航海水文及各種精密測(cè)角及高精度伺服電機(jī)的轉(zhuǎn)速測(cè)量中17。光電編碼器可分為兩種：絕對(duì)式光電編碼器和增量式光電編碼器。絕對(duì)式光電編碼器具有固定的零點(diǎn)位置，一般用于雷達(dá)、指揮儀等軍用系統(tǒng)中。增量式光電編碼器則廣泛用于速度閉環(huán)控制和位置增量控制系統(tǒng)中。它將角度信息轉(zhuǎn)變成一列脈沖串，通過(guò)測(cè)量脈沖串的頻率，達(dá)到對(duì)轉(zhuǎn)速測(cè)量的目的。4.2 DSP簡(jiǎn)介DSP芯片，數(shù)字信號(hào)處理器，是一種特別適合于進(jìn)行數(shù)字信號(hào)處理運(yùn)算的微處理器，其主要應(yīng)用是實(shí)時(shí)快速的實(shí)現(xiàn)各種數(shù)字信號(hào)處理算法。當(dāng)然，與通用微處理器相比，DSP芯片的其他通用功能相對(duì)較弱些?？删幊藾SP芯片是一種具有特殊結(jié)構(gòu)的微處理器，為了達(dá)到快速進(jìn)行數(shù)字信號(hào)處理的目的，DSP芯片一般都具有程序和數(shù)據(jù)分開(kāi)的總線結(jié)構(gòu)、流水線操作功能、單周期完成乘法的硬件乘法器以及一套適合數(shù)字信號(hào)處理的指令集18。為了快速地實(shí)現(xiàn)數(shù)字信號(hào)處理運(yùn)算，DSP芯片一般都采用特殊的軟硬件結(jié)構(gòu)。哈佛結(jié)構(gòu)、流水線操作、專(zhuān)用的硬件乘法器、特殊的DSP指令再加上集成電路的優(yōu)化設(shè)計(jì)，可使DSP芯片的指令周期降低至現(xiàn)在的20ns以下?？焖俚闹噶钪芷谑沟肈SP芯片能夠?qū)崟r(shí)實(shí)現(xiàn)許多數(shù)字信號(hào)處理的應(yīng)用。4.3 TMS320LF2407-增強(qiáng)型數(shù)字電機(jī)專(zhuān)用芯片TMS320LF2407數(shù)字信號(hào)處理器實(shí)現(xiàn)了對(duì)編碼器位置和轉(zhuǎn)速的測(cè)量，現(xiàn)將其結(jié)構(gòu)和特點(diǎn)介紹如下：TMS320LF2407芯片是DSP控制器中TMS320C24一代中的新產(chǎn)品，是TMS320C2000定點(diǎn)DSP中的一部分，該芯片提供了TMS320結(jié)構(gòu)上的具有c2xX內(nèi)核的CPU低價(jià)位、低功耗、高性能的增強(qiáng)型設(shè)計(jì)，滿(mǎn)足了寬范圍的數(shù)字電機(jī)控制(DMC)和其它嵌入式控制的應(yīng)用需要。該產(chǎn)品基于C2X16位定點(diǎn)、低功耗的DSP CPU，具有優(yōu)化數(shù)字電機(jī)和運(yùn)動(dòng)控制應(yīng)用性能的幾個(gè)先進(jìn)的外圍設(shè)備以及片上ROM或帶FLASH的程序存儲(chǔ)器、片上雙端口RAM也均被集成到了一塊DSP處理器中。它采用了改進(jìn)的哈佛結(jié)構(gòu)，同時(shí)采用流水線技術(shù)，使得多數(shù)操作在一個(gè)時(shí)鐘內(nèi)完成。為了便于多數(shù)產(chǎn)品開(kāi)發(fā)，高于32K字節(jié)的FLASH裝置提供了功耗低、可多次編程的解決方案。它也包括ROM，這使之能與FLASH的對(duì)等產(chǎn)品達(dá)到完全兼容。為了滿(mǎn)足電機(jī)控制的需要，2407提供了一系列存儲(chǔ)器和特制的外圍設(shè)備，正是依賴(lài)其高速內(nèi)核以及各功能外設(shè)的充分利用，使2407完全有能力完成對(duì)各種電機(jī)的高性能控制19。4.4 TMS320LF2407上用變MT法實(shí)現(xiàn)對(duì)編碼器測(cè)速的硬件設(shè)計(jì)通過(guò)采用變MT法在TMS320LF2407新型電機(jī)專(zhuān)用DSP芯片上實(shí)現(xiàn)對(duì)轉(zhuǎn)臺(tái)低速速度的測(cè)量。此法需要一個(gè)碼盤(pán)脈沖計(jì)數(shù)器、一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)時(shí)間計(jì)數(shù)器、一個(gè)定時(shí)器(設(shè)定測(cè)量時(shí)間Ts）。在測(cè)量時(shí)間Ts內(nèi)，同時(shí)對(duì)碼盤(pán)脈沖和標(biāo)準(zhǔn)時(shí)間信號(hào)計(jì)數(shù)。測(cè)量時(shí)間一到，便產(chǎn)生定時(shí)中斷，單片機(jī)執(zhí)行中斷程序，讀出碼盤(pán)脈沖計(jì)數(shù)器和標(biāo)準(zhǔn)時(shí)間信號(hào)計(jì)數(shù)值由計(jì)數(shù)值求出轉(zhuǎn)速20。設(shè)碼盤(pán)刻線數(shù)為P，碼盤(pán)脈沖的倍頻數(shù)為n，時(shí)鐘頻率為fc，碼盤(pán)脈沖計(jì)數(shù)值為m1，計(jì)數(shù)脈沖值為m2，則轉(zhuǎn)速為v=360*m1*fc(p*m2*n)在碼盤(pán)數(shù)字測(cè)速系統(tǒng)中，對(duì)碼盤(pán)信號(hào)的處理包括倍頻、輸出控制和方向信號(hào)的提取。4.4.1 TMS320LF2407上的相應(yīng)硬件及測(cè)量系統(tǒng)組成1、 TMS320LF2407的QEP單元和ADC模塊TMS320LF2407包括兩個(gè)QEP電路及帶有采樣保持電路的16路10位模數(shù)轉(zhuǎn)換器，大大減少了帶有正余弦輸出信號(hào)的絕對(duì)式編碼器與TMS320LF2407的接口邏輯。 正交編碼器脈沖(QEP)電路17每個(gè)事件管理器模塊均有一個(gè)QEP電路，當(dāng)QEP電路啟動(dòng)時(shí)，可對(duì)引用腳CAPIQEPl和CAP2QEP2(在事件管理器A上)或CAP3QEP3和CAP4QEP4(在事件管理器B)上的正交編碼器輸入脈沖進(jìn)行解碼和計(jì)數(shù)。QEP電路和光學(xué)編碼器接口可用來(lái)實(shí)現(xiàn)從一個(gè)旋轉(zhuǎn)機(jī)器上獲得其位置和速度信息。當(dāng)QEP電路被啟動(dòng)時(shí)，捕獲功能就被禁止。QEP電路對(duì)正交編碼脈沖的兩個(gè)沿都進(jìn)行計(jì)數(shù)，因此，由QEP電路到通用定時(shí)器2(或4)產(chǎn)生的時(shí)鐘頻率是輸入脈沖序列頻率的4倍，該正交時(shí)鐘與通用定時(shí)器2或4的時(shí)鐘輸入相連。由此可見(jiàn)，2407的DSP芯片正是由于QEP電路的存在，從而使其對(duì)編碼器輸出信號(hào)蒔4倍頻計(jì)數(shù)實(shí)現(xiàn)起來(lái)更為簡(jiǎn)便。2、 硬件接口設(shè)計(jì)光電編碼器靠光電掃描及其精細(xì)的柵格以形成一個(gè)增量軌道的原理來(lái)運(yùn)轉(zhuǎn)。旋轉(zhuǎn)時(shí)，編碼器調(diào)整一柱密度由光電元件讀出的光信號(hào)，并產(chǎn)生兩路90。相移的正弦信號(hào)A和B。當(dāng)編碼器正向旋轉(zhuǎn)時(shí)，B信號(hào)滯后于A信號(hào)。編碼器每旋轉(zhuǎn)一周產(chǎn)生的A、B信號(hào)的個(gè)數(shù)等于編碼器的碼線總數(shù)N。編碼器的旋轉(zhuǎn)頻率與其速度及轉(zhuǎn)過(guò)的碼線數(shù)成正比。光電編碼器提供了差分模擬輸出信號(hào)(A，B)，如圖4-1所示：圖4-1 碼器輸出信號(hào)波形圖任何一個(gè)帶有模擬輸出信號(hào)(如圖4-1)的編碼器都可按圖4-2的方式用變MT法實(shí)現(xiàn)對(duì)轉(zhuǎn)臺(tái)轉(zhuǎn)速的測(cè)量。下面就電路的主要部分進(jìn)行討論。圖4-2 系統(tǒng)原理框圖1、供應(yīng)電壓總的電路為模擬(VCCA)和數(shù)字部分(VCC)提供了單+5V電壓。模擬地和數(shù)字地應(yīng)緊密的與2407的AGND和GND輸入引腳連接在一起。AGND用于保護(hù)編碼器的差分輸入信號(hào)A和B。2、ADC輸入電壓范圍TMS320LF2407的VREFH輸入與+3.3v相連，VREFL與模擬地相連。所以輸入電壓是VREFL=0V， VREFH=+3.3V，因此AD轉(zhuǎn)換的小分辨率為3.22mv。3、測(cè)量系統(tǒng)的組成測(cè)量過(guò)程用到一個(gè)定時(shí)器，一個(gè)帶捕獲功能的碼盤(pán)脈沖計(jì)數(shù)器和一個(gè)帶捕獲功能的標(biāo)準(zhǔn)時(shí)間計(jì)數(shù)器。TMS320LF2407的每個(gè)QEP電路都帶有三個(gè)定時(shí)器，其中定時(shí)器2與定時(shí)器4具有計(jì)數(shù)捕獲功能。采用的測(cè)量方法構(gòu)成如圖4-4-2所示的測(cè)量框圖。如圖以QEP1為例，定時(shí)器2用于碼盤(pán)脈沖計(jì)數(shù)，定時(shí)器1用作標(biāo)準(zhǔn)時(shí)間信號(hào)計(jì)數(shù)，定時(shí)器3用于定測(cè)量時(shí)間，這樣就構(gòu)成基本的測(cè)量系統(tǒng)。在測(cè)量時(shí)間Ts內(nèi)同對(duì)對(duì)碼盤(pán)脈沖Fn(倍頻后的信號(hào))和標(biāo)準(zhǔn)時(shí)間計(jì)數(shù)。定時(shí)器1每隔時(shí)間Ts就產(chǎn)生一次中斷。定時(shí)器2和PCA計(jì)數(shù)陣列都為下降沿捕獲。捕獲寄存器在a、b時(shí)刻的值分別是計(jì)數(shù)器在ti、ti+1時(shí)刻的計(jì)數(shù)值。設(shè)定時(shí)器2和定時(shí)器1在a、b時(shí)刻的值分別為Cti、Cti+1和Cmi、Cmi+1則轉(zhuǎn)速為：V=360fc*（Cmi+1-Cmi）p*n(Cti+1-Cti)4.5 DSP芯片的高級(jí)語(yǔ)言和匯編語(yǔ)言混臺(tái)編程用高級(jí)語(yǔ)言進(jìn)行DSP的開(kāi)發(fā)是DSP發(fā)展的重要方向。本論文的軟件部分采用了DSP芯片的匯編語(yǔ)言與C語(yǔ)言的混合編程的方法，較好的實(shí)現(xiàn)了最初的預(yù)定目標(biāo)，為實(shí)現(xiàn)在控制系統(tǒng)上用C語(yǔ)言開(kāi)發(fā)DSP做了初步的探索，也為今后用C等高級(jí)語(yǔ)言實(shí)現(xiàn)對(duì)DSP的進(jìn)一步開(kāi)發(fā)打下了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。對(duì)于DSP芯片的匯編語(yǔ)言編程和c語(yǔ)言編程，這兩種方式各有所長(zhǎng)。用C語(yǔ)言開(kāi)發(fā)DSP芯片，開(kāi)發(fā)速度快，可讀性好，可移植性好。而用匯編語(yǔ)言開(kāi)發(fā)DSP芯片則對(duì)DSP芯片的軟硬件資源利用充分，程序代碼的執(zhí)行效率高。在DSP的運(yùn)算能力比較寬裕，實(shí)時(shí)性要求不是很強(qiáng)的場(chǎng)合，利用C語(yǔ)言編程非常合適。在對(duì)運(yùn)算速度以及實(shí)時(shí)性要求極高或者是在不能擴(kuò)展外部存儲(chǔ)器而且片內(nèi)存儲(chǔ)器又非常有限的條件下，就必須使用匯編語(yǔ)言了。由于C代碼的執(zhí)行效率與直接用匯編語(yǔ)言編程還是有一定的差距。所以多數(shù)人希望開(kāi)發(fā)的DSP程序可讀性好、可移植性高、結(jié)構(gòu)性好：同時(shí)又能在一定的條件下保證程序的執(zhí)行效率，尤其是一些關(guān)鍵的算法及中斷程序希望用匯編語(yǔ)言來(lái)編程。還有，c語(yǔ)言對(duì)DSP硬件的控制比匯編語(yǔ)言困難得多。而用匯編語(yǔ)言和c語(yǔ)言對(duì)DSP進(jìn)行混合編程就可以彌補(bǔ)以上不足，既可以使程序具有較好的可讀性和可移植性，又可使程序具有較高的效率，實(shí)踐證明是編寫(xiě)實(shí)時(shí)DSP程序的一種常用的方法。值得特別指出的是，在DSP的高級(jí)語(yǔ)言編程中，除了ANSIC語(yǔ)言之外，通過(guò)一定的步驟，c+，VISUALCC+，甚至MATLAB中的大部分程序都可以通過(guò)轉(zhuǎn)化為C語(yǔ)言而直接在DSP中運(yùn)行。這可以大大縮短DSP產(chǎn)品開(kāi)發(fā)的周期。4.6 程序設(shè)計(jì)在設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)上，遵循模塊化的設(shè)計(jì)原則，采用用C和匯編語(yǔ)言混合編程的方法完成了本實(shí)驗(yàn)的軟件部分設(shè)計(jì)。該軟件將各個(gè)功能模塊綜合起來(lái)，按照主程序和中斷程序兩部分完成了整體程序的設(shè)計(jì)。具體說(shuō)來(lái)，軟件的主體部分是用ANSIC語(yǔ)言編寫(xiě)的，而例如小數(shù)除法或反正切函數(shù)這樣的運(yùn)算速度要求較高的函數(shù)是用匯編語(yǔ)言編寫(xiě)的，而且提供了與C語(yǔ)言兼容的接口，這樣，可以從任一個(gè)C程序中調(diào)用相關(guān)的匯編語(yǔ)言，較好的實(shí)現(xiàn)了C和匯編語(yǔ)言的混合編程。簡(jiǎn)要程序框圖如圖4-3和4-4所示。圖4-3主程序流程圖圖4-4中斷程序流程圖第五章 實(shí)驗(yàn)結(jié)果及結(jié)論5.1 實(shí)驗(yàn)結(jié)果在軟硬件設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)上，完成了對(duì)電機(jī)轉(zhuǎn)速的測(cè)量。實(shí)驗(yàn)中的具體參數(shù)為：p=214，n=32，fc=20103Hz。當(dāng)轉(zhuǎn)速為17.2s-100s，系統(tǒng)采樣頻率為T(mén)f=800CS時(shí)，用位置差分法很容易實(shí)現(xiàn)精度為0.1的速度測(cè)量；而當(dāng)轉(zhuǎn)速為0.01s-17.2s時(shí)，用上述方法便很難滿(mǎn)足系統(tǒng)要求了，所以本文實(shí)驗(yàn)部分重點(diǎn)對(duì)轉(zhuǎn)臺(tái)低速轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)的速度進(jìn)行了測(cè)量。由上述方法實(shí)驗(yàn)測(cè)得當(dāng)轉(zhuǎn)臺(tái)低速旋轉(zhuǎn)時(shí)，取(Cmi+1-Cmi)為1，測(cè)得(Cti+1-Cti)約為3432。所以，其對(duì)應(yīng)的測(cè)速結(jié)果為：V=360*1*20*103(214*32*3432）=0.004001其測(cè)速精度為：1m2134320.0309圖5-1顯示了上述方法所得的轉(zhuǎn)臺(tái)低速轉(zhuǎn)動(dòng)的速度測(cè)試曲線。圖5-1速度測(cè)試曲線5.2 實(shí)驗(yàn)結(jié)論轉(zhuǎn)臺(tái)是光電精密跟蹤系統(tǒng)的重要設(shè)備。以718轉(zhuǎn)臺(tái)為實(shí)驗(yàn)對(duì)象，在詳細(xì)的分析了各種脈沖計(jì)數(shù)的測(cè)速方法后，用DSP和CPLD混合技術(shù)及變MT法實(shí)現(xiàn)了對(duì)電機(jī)轉(zhuǎn)速測(cè)量。具體而言，在速度開(kāi)環(huán)狀態(tài)下的低速轉(zhuǎn)動(dòng)測(cè)量時(shí)，用新型控制電機(jī)處理器TMS320LF2407和CPLD及變MT法在光電編碼器上得到0004s的低速測(cè)量結(jié)果，實(shí)驗(yàn)結(jié)果符合系統(tǒng)最初設(shè)計(jì)指標(biāo)要求。結(jié) 論畢業(yè)設(shè)計(jì)已經(jīng)結(jié)束，通過(guò)這次設(shè)計(jì)，我受益匪淺。畢業(yè)設(shè)計(jì)是一次綜合性的實(shí)踐，它將各種知識(shí)結(jié)合到一起綜合運(yùn)用到實(shí)踐上來(lái)擴(kuò)展、彌補(bǔ)、串聯(lián)所學(xué)的知識(shí)。使我更加深入的了解到數(shù)字測(cè)速的方法，由TMS320LF2407和CPLD在增量式編碼器上實(shí)現(xiàn)對(duì)轉(zhuǎn)臺(tái)轉(zhuǎn)速的測(cè)量的過(guò)程。指出針對(duì)實(shí)際系統(tǒng)各種參數(shù)的需要確定合適的定標(biāo)格式及采用模塊化設(shè)計(jì)的重要性，并在此基礎(chǔ)之上，詳細(xì)討論了語(yǔ)言編程(即匯編語(yǔ)言與C語(yǔ)言混合編程)的問(wèn)題。這些都為本文最終實(shí)現(xiàn)軟件部分整體采用匯編語(yǔ)言與C語(yǔ)言混合編程、數(shù)據(jù)處理部分采用Q15定點(diǎn)數(shù)表示等方法打下了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。參考文獻(xiàn)1 歐陽(yáng),張紀(jì)龍.扭矩測(cè)試的發(fā)展動(dòng)態(tài)和發(fā)展方向.華北工學(xué)院學(xué)報(bào),1996,17(1),46-