本帖最后由 呐咯密密 于 2022-8-22 10:07 编辑
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前言
大家好,好久没写原创了,失踪人口回归首秀。带大家玩一玩电机测速。
在有感电机控制中,获取电机转速是非常重要的步骤,转速获取越准确,控制电机时越方便,抛开霍尔不谈,这里讨论电机编码器。 目前常见的电机编码器按种类分为绝对值编码器和增量编码器,绝对值编码器相对较为方便,编码器直接通过通讯接口输出绝对位置信息,MCU接收角度信息便可。而增量编码器就需要MCU测量编码器输出的脉冲信号,通过计算脉冲信号的频率,从而计算实际转速,同时通过A B两相的相位差获取旋转方向。通过这样的方式测量转速一般有三种方法,下面就这三种方法展开介绍,并分析每个方法的优劣势。 一、测频率法(M法) M法测速又称“定时测角法”,指在一定周期T内,测量编码器输出的脉冲个数M1,然后计算出转速。
首先已知电机旋转一周,编码器会产生P个脉冲信号,P由编码器线数和倍频数的乘积决定,例如2500线4倍频编码器,则P = 2500*4 = 10000。在一定时间周期T内,测量编码器输出的脉冲个数M1,则编码器输出频率为: 用频率f除以一圈脉冲数p就可以得到电机转速n:
电机转速单位为r/min,所以还需要再乘以60: 电机一圈脉冲数P和周期T一般是已知常数,那电机的转速和单位时间内的脉冲计数M1成正比,试想,当单位时间内捕获到M1个脉冲,刚好未捕捉到M1+1个脉冲,此时误差最大,最大误差为一个脉冲,所以误差率为: 测速误差率与脉冲个数成反比关系,转速越高 M1 值越大,当转速很低时,M1 值很小,误差率会变大,因此 M 法适合高速测量。
二、测周期法(T法) T 法又称“定角测时法”,是测量编码器相邻两个脉冲之间的时间间隔来计算转速,也被称为周期法。实际使用中通过一个高频时钟脉冲的个数 M2 来计算编码器两个脉冲之间的时间间隔。
另高频脉冲频率为f0,两个相邻脉冲之间的时间间隔Tt = M2/f0,电机的转速可以表示为: T法测速误差来源于高频脉冲数量,最多可能产生一个高频脉冲的误差,当产生了一个脉冲误差时,最大误差率为: 这里可以预料到的是,转速越快,间隔时间Tt越短,高频脉冲个数M2越少,当丢失一个高频脉冲数,就会对转速造成很大影响。当转速越慢,单位时间的M2越多,误差越小。因此T法测速更适合低转速应用。
三、M/T法测速 以采样周期为基准,在采样时间T内,同时计算编码器输出的脉冲数量M1和高频脉冲数量M2,同时尽量保持两个计数时间的的严格同步,最大限度减小误差。 设电机旋转一圈编码器输出脉冲数为p,高频脉冲频率为fc,T时间内,高频脉冲计数为M2,编码器输出脉冲数为M1,则此时T时间内电机旋转圈数: 一秒电机旋转圈数为: 每分钟的转速为: T可通过高频脉冲计数原理求得: 所以最终电机转速为: 此种方式在低速和高速都有很高的分辨率,最适合宽速度检测范围使用。 四、如何在GD32单片机上实现上述过程 这里本人从M法测速开始,发现低转速速度误差太大,于是升级了M/T法测速,这里仅介绍这两种的实现,T法就不做实现,其实M/T能实现,T法就一定不会出问题啦。下文将逐步讲解我的开发历程。
1. 试验资料 a. GD32E230C8T6 b. LME2500FE 2500线四倍频磁编码器 c. 纸飞机串口助手 d. 伺服电机+驱动器 2. M法测速实现及试验结果 在设计初期,使用定时器2的通道0输入捕获来获取编码器的输出脉冲M1,同时使用定时器0作为时间T。 首先将定时器2设置为输入捕获,同时开启通道0的中断,每捕获到一个脉冲则进入一次中断,将标志位+1;定时器0作为普通中断,开启溢出中断,定时检测捕获数量。计算完成存入数组,在主函数转换为速度,通过串口发送到PC进行显示。 - void timer2_configuration(void)
- {
- gpio_configuration();
-
- timer_ic_parameter_struct timer_icinitpara;
- timer_parameter_struct timer_initpara;
- /* enable the TIMER clock */
- rcu_periph_clock_enable(RCU_TIMER2);
- timer_deinit(TIMER2);
- timer_struct_para_init(&timer_initpara);
- timer_initpara.prescaler = 0;
- timer_initpara.alignedmode = TIMER_COUNTER_EDGE;
- timer_initpara.counterdirection = TIMER_COUNTER_UP;
- timer_initpara.period = 65535;
- timer_initpara.clockdivision = TIMER_CKDIV_DIV1;
- timer_init(TIMER2, &timer_initpara);
- timer_channel_input_struct_para_init(&timer_icinitpara);
- timer_icinitpara.icpolarity = TIMER_IC_POLARITY_BOTH_EDGE;
- timer_icinitpara.icselection = TIMER_IC_SELECTION_DIRECTTI;
- timer_icinitpara.icprescaler = TIMER_IC_PSC_DIV1;
- timer_icinitpara.icfilter = 0x0;
- timer_input_pwm_capture_config(TIMER2, TIMER_CH_0, &timer_icinitpara);
- timer_input_trigger_source_select(TIMER2, TIMER_SMCFG_TRGSEL_CI0FE0);
- timer_slave_mode_select(TIMER2, TIMER_SLAVE_MODE_RESTART);
- timer_master_slave_mode_config(TIMER2, TIMER_MASTER_SLAVE_MODE_ENABLE);
- timer_auto_reload_shadow_enable(TIMER2);
- timer_interrupt_flag_clear(TIMER2, TIMER_INT_FLAG_CH0);
- timer_interrupt_enable(TIMER2, TIMER_INT_CH0);
- timer_enable(TIMER2);
- }
- void timer_configuration(void)
- {
- timer_ic_parameter_struct timer_icinitpara;
- timer_parameter_struct timer_initpara;
- rcu_periph_clock_enable(RCU_TIMER0);
- timer_deinit(TIMER0);
- timer_struct_para_init(&timer_initpara);
- timer_initpara.prescaler = 71;
- timer_initpara.alignedmode = TIMER_COUNTER_EDGE;
- timer_initpara.counterdirection = TIMER_COUNTER_UP;
- timer_initpara.period = 1999;//1MS
- timer_initpara.clockdivision = TIMER_CKDIV_DIV1;
- timer_initpara.repetitioncounter = 0;
- timer_init(TIMER0, &timer_initpara);
- timer_auto_reload_shadow_enable(TIMER0);
- timer_interrupt_flag_clear(TIMER0,TIMER_INT_FLAG_UP);
- timer_interrupt_enable(TIMER0,TIMER_INT_FLAG_UP);
- timer_enable(TIMER0);
- }
- void TIMER2_IRQHandler(void)
- {
- if(SET == timer_interrupt_flag_get(TIMER2, TIMER_INT_FLAG_CH0)){
- timer_interrupt_flag_clear(TIMER2, TIMER_INT_FLAG_CH0);
- readvalue2++;
- }
- }
- void TIMER0_BRK_UP_TRG_COM_IRQHandler(void)
- {
- if(SET == timer_interrupt_flag_get(TIMER0, TIMER_INT_FLAG_UP))
- {
- timer_interrupt_flag_clear(TIMER0, TIMER_FLAG_UP);
- if(readvalue2 > readvalue1){
- count = (readvalue2 - readvalue1);
- }else{
- count = ((0xFFFFU - readvalue1) + readvalue2);
- }
- TIM_NUM++;
- readvalue1=readvalue2;
- if(TIM_NUM>999&TIM_NUM<1999)
- {
- Speed_num[TIM_NUM-1000] = count+1;
- }
- if(TIM_NUM>1999)
- {
- timer_disable(TIMER0);
- }
- }
- }
在定时器0的中断响应函数中,对TIMER0的当前捕获值和上一次捕捉只进行运算,得出单位时间T内的脉冲数量,并将值保存进Speed_num数组,保存到1000个TIMER0失能中断,主函数开始处理数据并发送到上位机。 - while(1){
- if(TIM_NUM>1999)
- {
- for(uint16_t p=0;p<999;p++)
- {
- kalman_height = Speed_num[p]*60/10000*0.02;
- // kalman_height=kalmanFilter(&KFP_height,kalman_height);
- printf("{Speed:%f}\n",kalman_height);
- }
- TIM_NUM = 0;
- timer_enable(TIMER0);
- }
-
- }
其中,M1 = Speed_num[p],P = 2500*4 = 10000,T = 20ms =0.02s。
开启伺服电机驱动器,设置速度3000转,先使用驱动器读取一下速度波动,如下图一所示: 图一:伺服驱动读取速度波动-3000rp/m 再通过串口助手获取单片机M法测速速度波动,如下图二所示: 图二:M法测速测得速度波动-3000rp/m 因为两张图的采样频率不同,显示的效果也会不同,而且驱动器会进行数据滤波,但是还是可以看出速度分布在3000附近,下面我们将速度数据卡尔曼滤波(后文所有的图均默认进行滤波处理),如下图三所示。 图三:M法卡尔曼滤波速度-3000rp/m 由上图三和图一进行比较,可以发现我们使用GD32的M法测速在3000转时表现较好,基本和驱动器测得数据较为吻合,说明方法是没问题的,于是我们降低转速,继续对比。
图四:伺服驱动读取速度波动-2000rp/m
图五:M法卡尔曼滤波速度-2000rp/m
图六:伺服驱动读取速度波动-1000rp/m
图七:M法卡尔曼滤波速度-1000rp/m
从图四-图七,对比就会发现,在2000rp/m时,速度已经发生了偏移,速度点以2002rp/m为中心分布,在1000rp/m时,速度点以2004rp/m为中心分布,速度越低,产生的速度误差越大。
3. M/T法测速实现及试验结果 初期试验: 一开始我使用三个定时器, 定时器2继续使用M法的捕获功能,捕获M1的值,使用定时器14产生高频脉冲,每当计数器到达就触发中断,获取M2的值,最后在定时器0中定时获取M1和M2的值,在主函数打印。此方法在3500rp/m以下均无问题,但是速度再提高,编码器输出的频率增高,导致中断处理不过来了,M1不再随着转速的提高而提高,速度显示也就无法提高了。后来想到这块MCU的定时器是有正交译码器的。如此便不会受中断的影响。
GD32E230之正交译码器的M/T法测速。
介于本篇文章篇幅已经很长了, 就不介绍定时器的正交译码器功能了,该功能网络上资料很多,这里不赘述,我们从代码入手: - int rmp;
- int m1,m2;
- void gpio_configuration(void)
- {
- /* enable the GPIOA clock */
- rcu_periph_clock_enable(RCU_GPIOA);
- /*configure PA6(TIMER2 CH0) as alternate function*/
- gpio_mode_set(GPIOA, GPIO_MODE_AF, GPIO_PUPD_NONE, GPIO_PIN_6);
- gpio_af_set(GPIOA, GPIO_AF_1, GPIO_PIN_6);
- gpio_mode_set(GPIOA, GPIO_MODE_AF, GPIO_PUPD_NONE, GPIO_PIN_7);
- gpio_af_set(GPIOA, GPIO_AF_1, GPIO_PIN_7);
- // gpio_mode_set(GPIOB, GPIO_MODE_INPUT, GPIO_PUPD_NONE, GPIO_PIN_0);
- }
- /**定时器2 用于捕获编码器输出脉冲数*/
- void timer2_configuration(void)
- {
- gpio_configuration();
-
- timer_ic_parameter_struct timer_icinitpara;
- timer_parameter_struct timer_initpara;
- /* enable the TIMER clock */
- rcu_periph_clock_enable(RCU_TIMER2);
- /* deinit a TIMER */
- timer_deinit(TIMER2);
- /* initialize TIMER init parameter struct */
- timer_struct_para_init(&timer_initpara);
- /* TIMER2 configuration */
- timer_initpara.prescaler = 0;
- timer_initpara.alignedmode = TIMER_COUNTER_EDGE;
- timer_initpara.counterdirection = TIMER_COUNTER_UP;
- timer_initpara.period = 65535;
- timer_initpara.clockdivision = TIMER_CKDIV_DIV1;
- timer_init(TIMER2, &timer_initpara);
- /* TIMER2 configuration */
- /* initialize TIMER channel input parameter struct */
- timer_channel_input_struct_para_init(&timer_icinitpara);
- /* TIMER2 CH0 PWM input capture configuration */
- timer_icinitpara.icpolarity = TIMER_IC_POLARITY_RISING;
- timer_icinitpara.icselection = TIMER_IC_SELECTION_DIRECTTI;
- timer_icinitpara.icprescaler = TIMER_IC_PSC_DIV1;
- timer_icinitpara.icfilter = 0x0;
- timer_input_capture_config(TIMER2, TIMER_CH_0, &timer_icinitpara);
- timer_input_capture_config(TIMER2, TIMER_CH_1, &timer_icinitpara);
-
- timer_quadrature_decoder_mode_config(TIMER2, TIMER_ENCODER_MODE2, TIMER_IC_POLARITY_BOTH_EDGE, TIMER_IC_POLARITY_BOTH_EDGE);
- timer_slave_mode_select(TIMER2, TIMER_ENCODER_MODE2);
- /* auto-reload preload enable */
- timer_auto_reload_shadow_enable(TIMER2);
- /* clear channel 0 interrupt bit */
- timer_interrupt_flag_clear(TIMER2, TIMER_INT_FLAG_UP);
- // /* channel 0 interrupt enable */
- timer_interrupt_enable(TIMER2, TIMER_INT_UP);
- /* TIMER2 counter enable */
- timer_enable(TIMER2);
- }
- /**定时器0 用于周期获取脉冲数和高频时钟脉冲***/
- void timer_configuration(void)
- {
- timer_ic_parameter_struct timer_icinitpara;
- timer_parameter_struct timer_initpara;
- /* enable the TIMER clock */
- rcu_periph_clock_enable(RCU_TIMER0);
- /* disable a TIMER */
- timer_deinit(TIMER0);
- /* initialize TIMER init parameter struct */
- timer_struct_para_init(&timer_initpara);
- /* TIMER2 configuration */
- timer_initpara.prescaler = 7199;
- timer_initpara.alignedmode = TIMER_COUNTER_EDGE;
- timer_initpara.counterdirection = TIMER_COUNTER_UP;
- timer_initpara.period = 9;//1S
- timer_initpara.clockdivision = TIMER_CKDIV_DIV1;
- timer_initpara.repetitioncounter = 0;
- timer_init(TIMER0, &timer_initpara);
- /* auto-reload preload enable */
- timer_auto_reload_shadow_enable(TIMER0);
- /* clear channel 0 interrupt bit */
- timer_interrupt_flag_clear(TIMER0,TIMER_INT_FLAG_UP);
- /* channel 0 interrupt enable */
- timer_interrupt_enable(TIMER0,TIMER_INT_FLAG_UP);
- /* TIMER2 counter enable */
- timer_enable(TIMER0);
- }
- /****定时器14 用于产生高频时钟脉冲****/
- void timer14_configuration(void)
- {
- timer_ic_parameter_struct timer_icinitpara;
- timer_parameter_struct timer_initpara;
- /* enable the TIMER clock */
- rcu_periph_clock_enable(RCU_TIMER14);
- /* disable a TIMER */
- timer_deinit(TIMER14);
- /* initialize TIMER init parameter struct */
- timer_struct_para_init(&timer_initpara);
- /* TIMER2 configuration */
- timer_initpara.prescaler = 1;
- timer_initpara.alignedmode = TIMER_COUNTER_EDGE;
- timer_initpara.counterdirection = TIMER_COUNTER_UP;
- timer_initpara.period = 359;//624us采样一次
- timer_initpara.clockdivision = TIMER_CKDIV_DIV1;
- timer_initpara.repetitioncounter = 0;
- timer_init(TIMER14, &timer_initpara);
- /* auto-reload preload enable */
- timer_auto_reload_shadow_enable(TIMER14);
- /* clear channel 0 interrupt bit */
- timer_interrupt_flag_clear(TIMER14,TIMER_INT_FLAG_UP);
- /* channel 0 interrupt enable */
- timer_interrupt_enable(TIMER14,TIMER_INT_FLAG_UP);
- /* TIMER2 counter enable */
- timer_enable(TIMER14);
- }
- void TIMER2_IRQHandler(void)
- {
- if(SET == timer_interrupt_flag_get(TIMER2, TIMER_INT_FLAG_UP)){
- timer_interrupt_flag_clear(TIMER2, TIMER_INT_FLAG_UP);
- }
- }
- void TIMER14_IRQHandler(void)
- {
- if(SET == timer_interrupt_flag_get(TIMER14, TIMER_INT_FLAG_UP))
- {
- timer_interrupt_flag_clear(TIMER14, TIMER_FLAG_UP);
- m2++;
- }
- }
- int m1_data[point_num],m2_data[point_num];
- void TIMER0_BRK_UP_TRG_COM_IRQHandler(void)
- {
- if(SET == timer_interrupt_flag_get(TIMER0, TIMER_INT_FLAG_UP))
- {
- timer_interrupt_flag_clear(TIMER0, TIMER_FLAG_UP);
- m1 = timer_counter_read(TIMER2);
- if(TIM_NUM<point_num)
- {
- m1_data[TIM_NUM] = m1;
- m2_data[TIM_NUM] = m2;
- TIM_NUM++;
- m1 = 0;
- m2 = 0;
- }else
- {
- timer_disable(TIMER0);
- timer_disable(TIMER2);
- timer_disable(TIMER14);
- }
- }
- }
TIMER2作为高级定时器,拥有正交译码器的功能,我们将其通道0和通道1接到编码器的A和B相,初始化TIMER2为译码器模式 - timer_quadrature_decoder_mode_config(TIMER2, TIMER_ENCODER_MODE2, TIMER_IC_POLARITY_BOTH_EDGE, TIMER_IC_POLARITY_BOTH_EDGE);
- timer_slave_mode_select(TIMER2, TIMER_ENCODER_MODE2);
主要就是这两个函数,其他的几乎和普通定时器设置差不多。 TIMER14用于产生一个100K的高频时钟脉冲,并使能溢出中断,每产生一个脉冲则将M2的值累加1; 定时器0 用于周期获取脉冲数和高频时钟脉冲数,并使能溢出中断,中断到达后读取TIMER2的计数值,该值的变化量与编码器输出脉冲相同,计算两次之间的差值即为每次采样脉冲间隔的编码器脉冲数。中断中将M1和M2的值存入数组,在主函数进行速度计算并输出:- while(1){
- if(TIM_NUM>point_num-2)
- {
- for(uint16_t p=5;p<point_num-2;p++)
- {
- m1calc = m1_data[p]-m1_data[p+1];
- if(m1calc<0)
- {
- m1calc = m1calc+65535;
- }
- Speed_num[p] = (float)(60*m1calc*100000)/(m2_data[p]*10000);
- kalman_height = kalmanFilter(&KFP_height,Speed_num[p]);
- // printf("{Speed:%d,%d,%d}\n",(int)(Speed_num[p]+0.5),m1calc,m2_data[p]);
- printf("{Speed:%d}\n",(int)(kalman_height+0.5));
- }
- TIM_NUM = 0;
- start_flag = 0;
- timer_enable(TIMER0);
- timer_enable(TIMER2);
- timer_enable(TIMER14);
- }
-
- }
案例中:m1calc为M1,100000为fc,即编码器输出脉冲数。m2_data[p]为M2,即高频脉冲计数。kalmanFilter()函数为卡尔曼滤波器,此处不便公开。
最终效果如下: 在3000RP/M表现基本无差异:
图八:M/T法卡尔曼滤波速度-3000rp/m 在低速表现优异
图九:M/T法卡尔曼滤波速度-1000rp/m
图十:伺服驱动读取速度波动-100rp/m
图十一:M/T法卡尔曼滤波速度-100rp/m
图十二:伺服驱动读取速度波动-5000rp/m
图十三:M/T法卡尔曼滤波速度-5000rp/m
总结 M/T法测速在增量型编码器中还是很常用的测速方式,再结合相应的滤波算法,可以得到非常精准的速度信息,同时MCU的译码器模式可同时获取到点击的旋转方向,可自行探索。上问中的编码器未经校准,精度表现一般,于本次实验结果无关。
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