光電測量轉(zhuǎn)速系統(tǒng)的設(shè)計.doc

光電測量轉(zhuǎn)速系統(tǒng)的設(shè)計摘 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)字信號處理器TMS320LF2407及一定的測速算法變MT法，實現(xiàn)了對轉(zhuǎn)速高精度測量的目的。在測速系統(tǒng)中，重點以718轉(zhuǎn)臺為實驗對象，在控制系統(tǒng)速度環(huán)開環(huán)的情況下，用光電編碼器，借助于最新的控制系統(tǒng)數(shù)字信號處理器TMS320LF2407及一定的測速算法變MT法，實現(xiàn)了對轉(zhuǎn)臺轉(zhuǎn)速高精度測量的目的，為進一步實現(xiàn)伺服系統(tǒng)的全數(shù)字化打下了堅實的基礎(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)字量測速的基礎(chǔ)上，對基于數(shù)字脈沖計數(shù)的測速方法進行了全面的研究。對最終確定用變MT法在TMS320LF2407上實現(xiàn)對電機低速轉(zhuǎn)速測量的實驗方案，提供了理論依據(jù)，也為進一步提高測速精度和擴展測速范圍提供了有利的保障。其次以TMS320LF2407與CPLD為核心構(gòu)成了測速系統(tǒng)，并完成了用變MT法實現(xiàn)對電機低速轉(zhuǎn)速的測量。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 測速算法的問題21.1 測速算法實現(xiàn)中的幾個問題21.1.1 定點運算與定標21.1.2 有限字長效應21.1.3 上溢與下溢處理21.1.4 軟件結(jié)構(gòu)設(shè)計2第二章 光電測速的意義及現(xiàn)狀42.1 測速系統(tǒng)研究的目的和意義42.2 測量系統(tǒng)的現(xiàn)狀4第三章 國內(nèi)外的一些研究方法63.1 光電斷續(xù)器測量轉(zhuǎn)速63.1.1 轉(zhuǎn)軸轉(zhuǎn)速的測量電路及工作原理63.1.2 齒輪轉(zhuǎn)速的測量原理63.2 紅外光電測速83.2.1 測量原理83.2.2 信號處理系統(tǒng)93.2.3 單片機信號處理系統(tǒng)10第四章 數(shù)字測速124.2 DSP簡介124.3 TMS320LF2407-增強型數(shù)字電機專用芯片134.4 TMS320LF2407上用變MT法實現(xiàn)對編碼器測速的硬件設(shè)計134.4.1 TMS320LF2407上的相應硬件及測量系統(tǒng)組成144.5 DSP芯片的高級語言和匯編語言混臺編程164.6 程序設(shè)計17第五章 實驗結(jié)果及結(jié)論205.1 實驗結(jié)果205.2 實驗結(jié)論21結(jié) 論22參考文獻23致 謝2525前 言近年來，許多學者和專家在轉(zhuǎn)矩、轉(zhuǎn)速測量方面進行了大量的研究和試驗，取得了一系列的技術(shù)成果。光電測量設(shè)備絕大多數(shù)都是精密測量設(shè)備，廣泛應用于航天、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。隨著科學技術(shù)的進步，各行業(yè)對測量精度的要求越來越高，這就要求光電測量設(shè)備在設(shè)計、研制、使用等過程中必須考慮各方面的誤差來源，從而提高光電測量設(shè)備的測量精度。此文分析了影響模擬量和數(shù)字量測速的基礎(chǔ)上定用變MT法在TMS320LF2407上實現(xiàn)對電機低速轉(zhuǎn)速測量的實驗方案，提供了理論依據(jù)，也為進一步提高測速精度和擴展測速范圍提供了有利的保障。并以TMS320LF2407為基礎(chǔ)構(gòu)成了測速系統(tǒng)，并完成了用變MT法實現(xiàn)對電機低速轉(zhuǎn)速的測量。 第一章 測速算法的問題1.1 測速算法實現(xiàn)中的幾個問題用TMS320LF2407實現(xiàn)測速系統(tǒng)數(shù)字化的設(shè)計方法目前常用的方法有以下幾種：模擬化設(shè)計、直接數(shù)字設(shè)計。TMS320C2000實現(xiàn)數(shù)字化測速的幾個實際問題：定點運算與定標；有限字長效應；上溢和下溢處理；軟件結(jié)構(gòu)設(shè)計。1.1.1 定點運算與定標用TMS320LF2407實現(xiàn)數(shù)字化測速算法也是一種有精度要求的運算，這種運算都是基于定點二進制補碼表示的數(shù)。在定點DSP芯片中，采用定點數(shù)進行數(shù)值運算，其操作數(shù)一般采用整型數(shù)表示。定點格式、如何定點將影響運算精度，不合適的定點表示將會引起不能接受的誤差。所謂數(shù)的定標，就是確定一個數(shù)的小數(shù)點處于16位中的哪一位1。1.1.2 有限字長效應DSP在處理數(shù)字控制算法中所包含的各種數(shù)時，都是用有限字長的數(shù)來表示的，這本身就意味著存在某種程度的誤差。在程序設(shè)計中，應該考慮有限字長誤差(量化誤差)對于整個算法及測試結(jié)果乃至對正個閉環(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)中的計算機通常采用2的補碼定點運算。這種慣用的設(shè)計方法必須確定整數(shù)值和小數(shù)位，若定點運算的“標點”您、定得不合適，會使運算結(jié)果太大時， 在所選取的定點格式下不能完全表示而發(fā)生溢出。如果對溢出結(jié)果不作處理，可能導致性能惡化。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，應根據(jù)輸入信號的動態(tài)范圍，選取合適的定標系數(shù)，或者采取軟件限幅3。1.1.4 軟件結(jié)構(gòu)設(shè)計在DSP構(gòu)成的數(shù)字伺服系統(tǒng)中，軟件設(shè)計也應該應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)計方法，把一個大型任務(wù)分解成若干個相互有聯(lián)系的小任務(wù)模塊。也就是說，首先規(guī)劃高層模塊的目標和約束條件，然后逐層設(shè)計關(guān)鍵性底層模塊，在主程序的控制下把一個低層功能模塊有機的結(jié)合起來完成系統(tǒng)所規(guī)定的任務(wù)。第二章 光電測速的意義及現(xiàn)狀2.1 測速系統(tǒng)研究的目的和意義 光電精密跟蹤技術(shù)是國防領(lǐng)域中的一項核心技術(shù)。在科學技術(shù)高度發(fā)展的今天，國防科學技術(shù)是衡量各國科技發(fā)展程度的重要標志，大量科技研究力量和投資都用于國防科技發(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)計的重要指標4。具有較高的測量精度，對于低轉(zhuǎn)速的測量也有相當高的精度，可用于各行業(yè)轉(zhuǎn)速的非接觸式檢測和控制中，因此設(shè)計高精度高分辨率的測速系統(tǒng)顯得尤為重要5。2.2 測量系統(tǒng)的現(xiàn)狀 測速可分為兩大類：模擬電路測速和數(shù)字電路的測速。隨著電子技術(shù)的發(fā)展，數(shù)字測速技術(shù)的進步，數(shù)字測速性能的提高，使數(shù)字測速受到人們更多的重視。微電子技術(shù)的發(fā)展，計算機技術(shù)的廣泛應用，出現(xiàn)了以計算機為核心的數(shù)字測速裝置。這樣的速度測量裝置測量范圍寬，工作方式靈活多變，適應面廣，具有普通數(shù)字測速裝置不可比擬的優(yōu)越性6。目前，在數(shù)字系統(tǒng)中測速裝置主要分為兩類。一類是把測速機的模擬輸出信號經(jīng)AD變換為數(shù)字量，然后輸入到計算機中。這是一種比較成熟的測速方法。其優(yōu)點是響應速度快，時間延遲小，其缺點是測速機靈敏度低，壽命短，而且必須安裝測速機。特別是與力矩電機配合使用的高靈敏度測速機情況更是如此。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n位的AD轉(zhuǎn)換芯片，考慮到正負轉(zhuǎn)向，其最大測速比為：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。另一類方法是直接采用數(shù)字測速。隨著數(shù)字測速的完善和發(fā)展，在速度回路中用它來代替直流測速機，不但可提高測速精度，擴大測速范圍，還可大大簡化系統(tǒng)體積結(jié)構(gòu)，這對設(shè)計高精度、高分辨率、小型化的測速系統(tǒng)顯得尤為重要。數(shù)字測速是多種多樣的，有脈沖測速機，光柵盤等。目前使用最廣泛的是增量式碼盤。在閉環(huán)伺服控制系統(tǒng)中，根據(jù)脈沖計數(shù)來測量轉(zhuǎn)速的方法有下列幾種：M法、T法，以及后來發(fā)展的MT法、變MT法等。而多周期同步測頻法是近期在發(fā)展變MT法基礎(chǔ)上發(fā)展起來的。各種方法有其各自的優(yōu)點及其具體的適用與范圍8。第三章 國內(nèi)外的一些研究方法3.1 光電斷續(xù)器測量轉(zhuǎn)速反射型光電斷續(xù)器和遮斷型光電斷續(xù)器均可以用來測量物體的轉(zhuǎn)速，如圖3-1、圖3-2所示。我們拿反射式為例來詳細分析其工作原理9。3.1.1 轉(zhuǎn)軸轉(zhuǎn)速的測量電路及工作原理在待測轉(zhuǎn)速的轉(zhuǎn)軸上安裝上一個同心圓柱薄片，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，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)殡娦盘枴ＰD(zhuǎn)物體每轉(zhuǎn)一圈，光敏二極管就產(chǎn)生一個脈沖信號，如Ua所示，經(jīng)放大整形電路8后得到TTL電平的脈沖信號，如Ub所示。該信號在與邏輯門中和。秒信號Uc相與，輸出信號如Ud所示，該信號就是與門在ls的時間間隔內(nèi)輸出的脈沖數(shù)10。它反映了旋轉(zhuǎn)物體的每秒轉(zhuǎn)動圈數(shù)，而轉(zhuǎn)速是指每分鐘內(nèi)旋轉(zhuǎn)物體轉(zhuǎn)動的圈數(shù)，所以，Ud信號還需要經(jīng)數(shù)據(jù)運算電路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。3.1.2 齒輪轉(zhuǎn)速的測量原理如果待測的是齒輪的轉(zhuǎn)速，如圖3-1所示，電路組成和原理基本相同。只是每轉(zhuǎn)過一個齒，光電斷續(xù)器就輸出一個脈沖。如果該齒輪有z個齒，則齒輪轉(zhuǎn)一圈，光電斷續(xù)器將輸出z個脈沖。通過測量脈沖的頻率或脈沖計數(shù)?？色@得齒輪1s的時間間隔內(nèi)輸出的脈沖數(shù)n1，經(jīng)數(shù)據(jù)運算電路除以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11。 圖3-1 反射式光電斷續(xù)器測轉(zhuǎn)速 圖3-2 遮斷型光電斷續(xù)器測轉(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 紅外光電測速3.2.1 測量原理 圖3-4 測量原理框圖 圖3-4為紅外光電測速儀測量原理框圖，測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，當轉(zhuǎn)軸旋轉(zhuǎn)時，每轉(zhuǎn)一圈，光電探測器將會輸出一脈沖信號12。該脈沖信號在光電傳感器內(nèi)經(jīng)過前置放大后送入二次儀表進行信號處理。在二次儀表內(nèi)，脈沖信號經(jīng)過整形處理后，形成規(guī)則的矩形脈沖，該脈沖信號再經(jīng)過倍頻后，送入單片機進行處理計算。在單片機內(nèi)，利用兩個定時計數(shù)器 和 相結(jié)合的方法對脈沖信號進行定時計數(shù)，實現(xiàn)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速的測量計算，計算出的轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速信號可以直接進行數(shù)字顯示，也可以通過串行口輸出。3.2.2 信號處理系統(tǒng) 信號處理系統(tǒng)即二次儀表由脈沖整形處理及倍頻電路，單片機信號處理系統(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，檢測出脈沖信號的峰值大小。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在LM311比較器中進行比較，輸出矩形脈沖信號，將該信號用于頻率測量。選擇比較電平時，可根據(jù)脈沖信號的輸出波形，選擇信號上升沿最陡的地方進行二值化處理。該比較電平可以根據(jù)探測器接收到的反射信號的幅值，自動調(diào)節(jié)電平的大小。當傳感器與轉(zhuǎn)軸之間的距離有變化時，輸出的脈沖幅度將會有所改變，而比較電平也會相應的改變，保證了信號整形的正常進行，不會影響到矩形脈沖的輸出。因而，采用該信號處理方法，可以有效抑制干擾信號的影響，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，信號的輸入端為PHi1，輸出信號從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闹绷麟妷盒盘柤又翂嚎卣袷幤鞯妮斎攵薞CO1，去改變VCO產(chǎn)生振蕩信號的頻率，這頻率變化的信號經(jīng)過由兩個計數(shù)器芯片MC14522組成的分頻器進行1/60分頻后，送到相位比較器的比較信號輸入端PHi2，當環(huán)路達到鎖定后，輸入信號和反饋信號的頻率完全相同，因而VCO輸出信號的頻率就是輸入信號頻率的60倍，然后將該信號送入單片機進行計數(shù)及求轉(zhuǎn)速的運算處理14。 圖3-6 鎖相倍頻電路3.2.3 單片機信號處理系統(tǒng) 對脈沖信號的頻率計量一般采用兩種方法，一是在固定時間內(nèi)測量脈沖個數(shù)，二是測量脈沖周期的方法。第一種方法，對于較低頻率信號存在著測量的實時性與測量準確度之間的矛盾。要想提高測量準確度，必須增加測量脈沖個數(shù)，導致測量時間過長，不能應用于實際測量過程。第二種方法適宜于測量低頻信號，但對于高頻脈沖信號測量精度相對要低。利用單片機的 兩個定時計數(shù)器，采用測量脈沖個數(shù)和測量脈沖周期相結(jié)合的方法，可以達到轉(zhuǎn)速測量的實時性，并能在較寬的頻率范圍內(nèi)獲得高準確度的測速值15。 單片機89C51有兩個定時/計數(shù)器T0和T1，利用T0計數(shù)器記錄光電傳感器輸出的脈沖個數(shù)N1，同一時刻T1計數(shù)器作為定時器記錄機器內(nèi)的基準振蕩周期數(shù)即測量采樣時間t1， N1反應轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)動頻率，t1指轉(zhuǎn)速測量時間，通過單片機計算可得到轉(zhuǎn)速值。圖3 為原理圖。 圖3-7 測量時序圖 由圖3-7看出，從初始時刻開始，計數(shù)器T0對光電傳感器輸出的脈沖計數(shù)，計數(shù)器T1作為定時器對基準振蕩周期同時計數(shù)，到達預定的測速時間t1時，單片機應發(fā)出停止計數(shù)指令，由于此時光電傳感器輸出的脈沖不一定恰好是在整個周期處，所以計數(shù)器T1仍然對機器基準周期繼續(xù)計數(shù)一段時間t2，直到下一個脈沖信號的上升沿時停止計數(shù)器T1的工作，這時計數(shù)器T0的計數(shù)值N1與T1的計數(shù)時間（t1+t2）之比即為要測量的轉(zhuǎn)速大小。轉(zhuǎn)速為：r=N1/（t1+t2）第四章 數(shù)字測速4.1 數(shù)字測速元件的原理 數(shù)字測速元件由光電脈沖發(fā)生器及檢測裝置組成。它們具有低慣量、低噪聲、高分辨率和高精度的優(yōu)點，有利于控制直流伺服電動機。脈沖發(fā)生器連接在被測軸上，隨著被測軸的轉(zhuǎn)動產(chǎn)生一系列的脈沖，然后通過檢測裝置對脈沖進行比較，從而獲得被測軸的速度16。數(shù)字測量中用到的關(guān)鍵部件是光電編碼器，俗稱碼盤。碼盤是一種先進的角位移、角速度測量元件，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，廣泛地應用于數(shù)控機床、機器人、雷達、航空、航海水文及各種精密測角及高精度伺服電機的轉(zhuǎn)速測量中17。光電編碼器可分為兩種：絕對式光電編碼器和增量式光電編碼器。絕對式光電編碼器具有固定的零點位置，一般用于雷達、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，通過測量脈沖串的頻率，達到對轉(zhuǎn)速測量的目的。4.2 DSP簡介DSP芯片，數(shù)字信號處理器，是一種特別適合于進行數(shù)字信號處理運算的微處理器，其主要應用是實時快速的實現(xiàn)各種數(shù)字信號處理算法。當然，與通用微處理器相比，DSP芯片的其他通用功能相對較弱些。可編程DSP芯片是一種具有特殊結(jié)構(gòu)的微處理器，為了達到快速進行數(shù)字信號處理的目的，DSP芯片一般都具有程序和數(shù)據(jù)分開的總線結(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)字信號處理的指令集18。為了快速地實現(xiàn)數(shù)字信號處理運算，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，可使DSP芯片的指令周期降低至現(xiàn)在的20ns以下。快速的指令周期使得DSP芯片能夠?qū)崟r實現(xiàn)許多數(shù)字信號處理的應用。4.3 TMS320LF2407-增強型數(shù)字電機專用芯片TMS320LF2407數(shù)字信號處理器實現(xiàn)了對編碼器位置和轉(zhuǎn)速的測量，現(xiàn)將其結(jié)構(gòu)和特點介紹如下：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低價位、低功耗、高性能的增強型設(shè)計，滿足了寬范圍的數(shù)字電機控制(DMC)和其它嵌入式控制的應用需要。該產(chǎn)品基于C2X16位定點、低功耗的DSP CPU，具有優(yōu)化數(shù)字電機和運動控制應用性能的幾個先進的外圍設(shè)備以及片上ROM或帶FLASH的程序存儲器、片上雙端口RAM也均被集成到了一塊DSP處理器中。它采用了改進的哈佛結(jié)構(gòu)，同時采用流水線技術(shù)，使得多數(shù)操作在一個時鐘內(nèi)完成。為了便于多數(shù)產(chǎn)品開發(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的對等產(chǎn)品達到完全兼容。為了滿足電機控制的需要，2407提供了一系列存儲器和特制的外圍設(shè)備，正是依賴其高速內(nèi)核以及各功能外設(shè)的充分利用，使2407完全有能力完成對各種電機的高性能控制19。4.4 TMS320LF2407上用變MT法實現(xiàn)對編碼器測速的硬件設(shè)計通過采用變MT法在TMS320LF2407新型電機專用DSP芯片上實現(xiàn)對轉(zhuǎn)臺低速速度的測量。此法需要一個碼盤脈沖計數(shù)器、一個標準時間計數(shù)器、一個定時器(設(shè)定測量時間Ts）。在測量時間Ts內(nèi)，同時對碼盤脈沖和標準時間信號計數(shù)。測量時間一到，便產(chǎn)生定時中斷，單片機執(zhí)行中斷程序，讀出碼盤脈沖計數(shù)器和標準時間信號計數(shù)值由計數(shù)值求出轉(zhuǎn)速20。設(shè)碼盤刻線數(shù)為P，碼盤脈沖的倍頻數(shù)為n，時鐘頻率為fc，碼盤脈沖計數(shù)值為m1，計數(shù)脈沖值為m2，則轉(zhuǎn)速為v=360*m1*fc(p*m2*n)在碼盤數(shù)字測速系統(tǒng)中，對碼盤信號的處理包括倍頻、輸出控制和方向信號的提取。4.4.1 TMS320LF2407上的相應硬件及測量系統(tǒng)組成1、 TMS320LF2407的QEP單元和ADC模塊TMS320LF2407包括兩個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的絕對式編碼器與TMS320LF2407的接口邏輯。 正交編碼器脈沖(QEP)電路17每個事件管理器模塊均有一個QEP電路，當QEP電路啟動時，可對引用腳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行解碼和計數(shù)。QEP電路和光學編碼器接口可用來實現(xiàn)從一個旋轉(zhuǎn)機器上獲得其位置和速度信息。當QEP電路被啟動時，捕獲功能就被禁止。QEP電路對正交編碼脈沖的兩個沿都進行計數(shù)，因此，由QEP電路到通用定時器2(或4)產(chǎn)生的時鐘頻率是輸入脈沖序列頻率的4倍，該正交時鐘與通用定時器2或4的時鐘輸入相連。由此可見，2407的DSP芯片正是由于QEP電路的存在，從而使其對編碼器輸出信號蒔4倍頻計數(shù)實現(xiàn)起來更為簡便。2、 硬件接口設(shè)計光電編碼器靠光電掃描及其精細的柵格以形成一個增量軌道的原理來運轉(zhuǎn)。旋轉(zhuǎn)時，編碼器調(diào)整一柱密度由光電元件讀出的光信號，并產(chǎn)生兩路90。相移的正弦信號A和B。當編碼器正向旋轉(zhuǎn)時，B信號滯后于A信號。編碼器每旋轉(zhuǎn)一周產(chǎn)生的A、B信號的個數(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)過的碼線數(shù)成正比。光電編碼器提供了差分模擬輸出信號(A，B)，如圖4-1所示：圖4-1 碼器輸出信號波形圖任何一個帶有模擬輸出信號(如圖4-1)的編碼器都可按圖4-2的方式用變MT法實現(xiàn)對轉(zhuǎn)臺轉(zhuǎn)速的測量。下面就電路的主要部分進行討論。圖4-2 系統(tǒng)原理框圖1、供應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)字地應緊密的與2407的AGND和GND輸入引腳連接在一起。AGND用于保護編碼器的差分輸入信號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、測量系統(tǒng)的組成測量過程用到一個定時器，一個帶捕獲功能的碼盤脈沖計數(shù)器和一個帶捕獲功能的標準時間計數(shù)器。TMS320LF2407的每個QEP電路都帶有三個定時器，其中定時器2與定時器4具有計數(shù)捕獲功能。采用的測量方法構(gòu)成如圖4-4-2所示的測量框圖。如圖以QEP1為例，定時器2用于碼盤脈沖計數(shù)，定時器1用作標準時間信號計數(shù)，定時器3用于定測量時間，這樣就構(gòu)成基本的測量系統(tǒng)。在測量時間Ts內(nèi)同對對碼盤脈沖Fn(倍頻后的信號)和標準時間計數(shù)。定時器1每隔時間Ts就產(chǎn)生一次中斷。定時器2和PCA計數(shù)陣列都為下降沿捕獲。捕獲寄存器在a、b時刻的值分別是計數(shù)器在ti、ti+1時刻的計數(shù)值。設(shè)定時器2和定時器1在a、b時刻的值分別為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芯片的高級語言和匯編語言混臺編程用高級語言進行DSP的開發(fā)是DSP發(fā)展的重要方向。本論文的軟件部分采用了DSP芯片的匯編語言與C語言的混合編程的方法，較好的實現(xiàn)了最初的預定目標，為實現(xiàn)在控制系統(tǒng)上用C語言開發(fā)DSP做了初步的探索，也為今后用C等高級語言實現(xiàn)對DSP的進一步開發(fā)打下了堅實的基礎(chǔ)。對于DSP芯片的匯編語言編程和c語言編程，這兩種方式各有所長。用C語言開發(fā)DSP芯片，開發(fā)速度快，可讀性好，可移植性好。而用匯編語言開發(fā)DSP芯片則對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的運算能力比較寬裕，實時性要求不是很強的場合，利用C語言編程非常合適。在對運算速度以及實時性要求極高或者是在不能擴展外部存儲器而且片內(nèi)存儲器又非常有限的條件下，就必須使用匯編語言了。由于C代碼的執(zhí)行效率與直接用匯編語言編程還是有一定的差距。所以多數(shù)人希望開發(fā)的DSP程序可讀性好、可移植性高、結(jié)構(gòu)性好：同時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言來編程。還有，c語言對DSP硬件的控制比匯編語言困難得多。而用匯編語言和c語言對DSP進行混合編程就可以彌補以上不足，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，實踐證明是編寫實時DSP程序的一種常用的方法。值得特別指出的是，在DSP的高級語言編程中，除了ANSIC語言之外，通過一定的步驟，c+，VISUALCC+，甚至MATLAB中的大部分程序都可以通過轉(zhuǎn)化為C語言而直接在DSP中運行。這可以大大縮短DSP產(chǎn)品開發(fā)的周期。4.6 程序設(shè)計在設(shè)計的基礎(chǔ)上，遵循模塊化的設(shè)計原則，采用用C和匯編語言混合編程的方法完成了本實驗的軟件部分設(shè)計。該軟件將各個功能模塊綜合起來，按照主程序和中斷程序兩部分完成了整體程序的設(shè)計。具體說來，軟件的主體部分是用ANSIC語言編寫的，而例如小數(shù)除法或反正切函數(shù)這樣的運算速度要求較高的函數(shù)是用匯編語言編寫的，而且提供了與C語言兼容的接口，這樣，可以從任一個C程序中調(diào)用相關(guān)的匯編語言，較好的實現(xiàn)了C和匯編語言的混合編程。簡要程序框圖如圖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 實驗結(jié)果及結(jié)論5.1 實驗結(jié)果在軟硬件設(shè)計的基礎(chǔ)上，完成了對電機轉(zhuǎn)速的測量。實驗中的具體參數(shù)為：p=214，n=32，fc=20103Hz。當轉(zhuǎn)速為17.2s-100s，系統(tǒng)采樣頻率為Tf=800CS時，用位置差分法很容易實現(xiàn)精度為0.1的速度測量；而當轉(zhuǎn)速為0.01s-17.2s時，用上述方法便很難滿足系統(tǒng)要求了，所以本文實驗部分重點對轉(zhuǎn)臺低速轉(zhuǎn)動時的速度進行了測量。由上述方法實驗測得當轉(zhuǎn)臺低速旋轉(zhuǎn)時，取(Cmi+1-Cmi)為1，測得(Cti+1-Cti)約為3432。所以，其對應的測速結(jié)果為：V=360*1*20*103(214*32*3432）=0.004001其測速精度為：1m2134320.0309圖5-1顯示了上述方法所得的轉(zhuǎn)臺低速轉(zhuǎn)動的速度測試曲線。圖5-1速度測試曲線5.2 實驗結(jié)論轉(zhuǎn)臺是光電精密跟蹤系統(tǒng)的重要設(shè)備。以718轉(zhuǎn)臺為實驗對象，在詳細的分析了各種脈沖計數(shù)的測速方法后，用DSP和CPLD混合技術(shù)及變MT法實現(xiàn)了對電機轉(zhuǎn)速測量。具體而言，在速度開環(huán)狀態(tài)下的低速轉(zhuǎn)動測量時，用新型控制電機處理器TMS320LF2407和CPLD及變MT法在光電編碼器上得到0004s的低速測量結(jié)果，實驗結(jié)果符合系統(tǒng)最初設(shè)計指標要求。結(jié) 論畢業(yè)設(shè)計已經(jīng)結(jié)束，通過這次設(shè)計，我受益匪淺。畢業(yè)設(shè)計是一次綜合性的實踐，它將各種知識結(jié)合到一起綜合運用到實踐上來擴展、彌補、串聯(lián)所學的知識。使我更加深入的了解到數(shù)字測速的方法，由TMS320LF2407和CPLD在增量式編碼器上實現(xiàn)對轉(zhuǎn)臺轉(zhuǎn)速的測量的過程。指出針對實際系統(tǒng)各種參數(shù)的需要確定合適的定標格式及采用模塊化設(shè)計的重要性，并在此基礎(chǔ)之上，詳細討論了語言編程(即匯編語言與C語言混合編程)的問題。這些都為本文最終實現(xiàn)軟件部分整體采用匯編語言與C語言混合編程、數(shù)據(jù)處理部分采用Q15定點數(shù)表示等方法打下了堅實的基礎(chǔ)。參考文獻1 歐陽,張紀龍.扭矩測試的發(fā)展動態(tài)和發(fā)展方向.華北工學院學報,1996,17(1),46-