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1. 電機測速方法介紹

 

在電機控制類應(yīng)用中，經(jīng)常會需要對電機轉(zhuǎn)速進行檢測，測速常用的方式有M法測速和T法測速。

M法測速是利用在規(guī)定時間Ts內(nèi)編碼器輸出脈沖數(shù)量M1計算電機轉(zhuǎn)速，如下圖所示，信號A和B為正交編碼器的輸出信號，C解碼后的計數(shù)脈沖(4x)。

 

▲ 圖1. M法測速原理

單位時間(1s)內(nèi)編碼器輸出脈沖數(shù)量，即脈沖頻率：

假設(shè)電機每旋轉(zhuǎn)一圈正交編碼器(4x)的輸出脈沖數(shù)量為Z，則電機轉(zhuǎn)速為（r/min 代表圈/分鐘）：

M法測速的分辨率為：

M法測速的誤差率為：

 

由上可知，M法測速的分辨率與速度無關(guān)，要提高分辨率，即減小Q值，必須增大編碼器每圈輸出的脈沖個數(shù)Z，或者增大采樣周期Ts。M法測速誤差率與測定時間內(nèi)的脈沖數(shù)量成反比關(guān)系，轉(zhuǎn)速越高M1值越大，當(dāng)轉(zhuǎn)速很低時，M1值很小，誤差率會變大，因此M法適合高速測量。

T法測速是測量編碼器輸出兩個脈沖之間的間隔來計算轉(zhuǎn)速，通過計算高頻時鐘脈沖數(shù)量M2來衡量編碼器兩個脈沖間隔的時間。

▲ 圖2. T法測速原理

假設(shè)高頻時鐘的頻率為ft，那么編碼器兩個脈沖之間的時間：

 

 

假設(shè)電機每旋轉(zhuǎn)一圈正交編碼器(4x)的輸出脈沖數(shù)量為Z，則電機轉(zhuǎn)速為:

 

T法測速的分辨率為：

 

 

T法測速的誤差率為：

 

 

由上可知，T法測速的分辨率Q與M2相關(guān)，當(dāng)轉(zhuǎn)速越低時M2的值越大，Q值越小，分辨能力越強。T法測速的誤差率也與M2相關(guān)，當(dāng)轉(zhuǎn)速越低時M2的值越大，誤差率越小，因此T法測速非常適合低速測量。

 

2.M法與T法測速在STM32中的實現(xiàn)

 

STM32中的很多定時器都帶編碼器接口，在對輸入編碼器信號進行計數(shù)的同時，還通過該接口可以將正交編碼器的輸入信號解碼成脈沖輸出映射到TIMx_TRGO，手冊中的原文描述如下：

 

結(jié)合上述的測速原理，在STM32中應(yīng)用定時器的編碼器接口完成M法測速和T法測速的方案框圖如下：

▲ 圖3. STM32定時器測速方案框圖

使用兩個32bit的定時器TIM2和TIM3來處理編碼器信號，TIM3的編碼器接口與外部的編碼器信號連接直接實現(xiàn)4x計數(shù)；解碼后的輸出映射到TIM3_TRGO，并作為TIM2的定時器捕獲和復(fù)位的觸發(fā)源。TIM6作為基本定時器，實現(xiàn)一個ms級別的中斷，在中斷服務(wù)程序中實現(xiàn)M法和T法測速的計算。

M法測速中，在TIM6的定時中斷服務(wù)程序中讀取TIM3的計數(shù)值TIM3_CNT，兩次連續(xù)讀取值的差值即為圖1種的M1，TIM6的中斷定時時間即為Ts，在Z為已知固定值的情況下，根據(jù)公式（1）即可計算出轉(zhuǎn)速n。

T法測速中，在TIM6的定時中斷服務(wù)程序中讀取TIM2捕獲值 TIM2_CCR1(TIM3_TRGO內(nèi)部連接到TIM2_CH1)，TIM2_CCR1即為圖2中所示的編碼器連續(xù)兩個輸出脈沖之間的高頻脈沖數(shù)量M2，TIM2的時鐘頻率即為ft，在 Z為已知固定值的情況下，根據(jù)公式(2)即可計算出轉(zhuǎn)速n。

 

3.方案測試結(jié)果

基于以上的方案，通過定時器模擬生成編碼器輸出信號A和B，分別的高速和低速情況下進行模擬測試，結(jié)果如下，圖中Speed_M_Ref和Speed_T_Ref為速度參考值，Speed_M和Speed_T為測試結(jié)果值。

高速M法測試結(jié)果（1460rpm~2920rpm）：

高速T法測試結(jié)果（1460rpm~2920rpm）：

 

中速M法測試結(jié)果（146rpm~292rpm）：

 

中速T法測試結(jié)果（146rpm~292rpm）：

 

低速M法測試結(jié)果（19rpm~35rpm）：

 

低速T法測試結(jié)果（19rpm~35rpm）：

 

4.小結(jié)

 

本文簡單介紹了電機控制中M法和T法測速的原理，給出了在STM32中如何利用定時器的編碼器接口和多個定時器合作的方式實現(xiàn)兩種測速的方案，并對方案進行了模擬測試，給出測試結(jié)果，高速下M法的效果更好，在低速情況下M法測速偏差大，T法測速更適合低速測速。