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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