基于增量光電編碼器的車速控制器設(shè)計

引言

在智能小車運(yùn)動控制中，車速是電機(jī)控制中的一個重要物理量，車速檢測裝置是系統(tǒng)的重要組成部分。目前，國內(nèi)外常用的測量車速的方法有離心式轉(zhuǎn)速表測速法、微電機(jī)測速法、光電碼盤測速法以及霍爾元件測速法。離心式轉(zhuǎn)速表和微電機(jī)測速都要與電機(jī)同軸連接，增加了電機(jī)機(jī)組安裝難度,消耗了電機(jī)的功率?；魻栐驮隽渴焦怆姶a盤的測速方法基本類似，都是在轉(zhuǎn)軸上安裝一個很輕巧的傳感器，將電機(jī)的轉(zhuǎn)動信號通過霍爾元件或光電碼盤轉(zhuǎn)換為電脈沖，從而通過計算電脈沖的個數(shù)來測速。其中，霍爾元件測量精度相對較低,因此高效率車速傳感器都采用編碼器，有分辨率高、結(jié)構(gòu)簡單、體積小、響應(yīng)速度快、耐惡劣環(huán)境、工作可靠、易于維護(hù)、性價比高等優(yōu)點。

1增量式光電編碼器的測速原理

1.1增量式光電編碼器的構(gòu)成及工作原理

增量式光電編碼器(以下簡稱光電碼盤)由光源、光柵碼盤和光電檢測變換裝置組成，光電碼盤可隨主軸轉(zhuǎn)動。在一定大小的圓盤上等分地開通若干個長方形透光孔就形成光柵碼盤，當(dāng)主軸旋轉(zhuǎn)時，光源照射碼盤，透過光孔的光經(jīng)光電管等電子元件組成的檢測變換裝置檢測輸出電脈沖，這樣光電碼盤就隨位置的變化輸出一系列的電脈沖信號,然后根據(jù)轉(zhuǎn)動變化的方向用計數(shù)器對信號進(jìn)行加/減計數(shù),以此達(dá)到位置檢測的目的，通過采樣固定時間內(nèi)的脈沖數(shù),經(jīng)過轉(zhuǎn)換計算得到速度。光電碼盤構(gòu)成如圖1所示。

1.2光電編碼器的選用

選用光電編碼器時，首先應(yīng)當(dāng)考慮的是通道數(shù)。增量式光電編碼器分為單通道（不檢測方向）、雙通道（可檢方向）和三通道(可檢方向、判零位)。本設(shè)計根據(jù)使用要求選用的是雙通道光電編碼器；其次是脈沖倍頻數(shù)，可選用雙通道脈沖四倍頻；另外，分辨率可根據(jù)速度控制精度要求來確定；脈沖頻率應(yīng)滿足最高速度要求，本設(shè)計選用5V供電，輸出形式為OC門方波信號。

1.3四倍頻可逆計數(shù)電路

一個N脈沖數(shù)的光電碼盤旋轉(zhuǎn)1周只輸出N個脈沖，引入四倍頻方法后，光電碼盤每旋轉(zhuǎn)1周，則輸出4N個脈沖,這樣光電碼盤的分辨率就提高了4倍，測速精度大大提高。

光電碼盤是根據(jù)軸所轉(zhuǎn)過的角位置輸出Q1、Q2兩路正交系列脈沖，通過判向和可逆計數(shù)電路，對脈沖進(jìn)行累積計數(shù)得到角位移。在實際應(yīng)用中，采用四倍頻的方法可以提高光電碼盤的分辨率來保證測量精度。光電碼盤輸出的正反轉(zhuǎn)波形如圖2所示。

Q1、Q2為兩相信號的脈沖數(shù)標(biāo)志光電碼盤所轉(zhuǎn)過的角度，Q1、Q2之間的相位關(guān)系標(biāo)志光電碼盤的轉(zhuǎn)向。即：當(dāng)Q1相超前Q2相90°時，表示光電碼盤正轉(zhuǎn)；當(dāng)Q2相超前Q1相90°時,表示光電碼盤反轉(zhuǎn)。

從圖2可知，在一個周期內(nèi)，Qi、Q2信號都有兩次脈沖形成。兩方波信號之間相位關(guān)系是一定的，信號的上升沿和下降沿的四次變化在相位上是均布的，這樣就可以利用跳變沿變化信號來實現(xiàn)光電碼盤轉(zhuǎn)動方向的判別和脈沖的四倍頻。

為了便于實現(xiàn)四倍頻及判向電路，現(xiàn)對光電碼盤信號作如下分析:

當(dāng)光電碼盤順時針旋轉(zhuǎn)時，光電碼盤輸出的Q1相位信號超前Q2相位90。，定為正轉(zhuǎn)；當(dāng)光電碼盤逆時針旋轉(zhuǎn)時,光電碼盤輸出的Q2相位信號超前Q1相位90。，定為反轉(zhuǎn)。

當(dāng)光電碼盤順時針正轉(zhuǎn)時，則恠一個周期內(nèi)，Qi、Q2兩相信號共有四次相對變化：10—11一01一00。這樣，每發(fā)生一次變化，可逆計數(shù)器便實現(xiàn)一次加計數(shù)，則一個周期內(nèi)，共可實現(xiàn)四次加計數(shù)，從而實現(xiàn)正轉(zhuǎn)狀態(tài)的四倍頻計數(shù)。

當(dāng)光電碼盤逆時針反轉(zhuǎn)時，則恠一個周期內(nèi)，Q1、Q,兩相信號也有四次相對變化，01一11一10一00。每發(fā)生一次變化，可逆計數(shù)器便實現(xiàn)一次減計數(shù)，則一個周期內(nèi)，共可實現(xiàn)四次減計數(shù)，從而實現(xiàn)反轉(zhuǎn)狀態(tài)的四倍頻計數(shù)。

光電編碼器四倍頻電路一般由脈沖采樣電路、脈沖序列形成電路、判向電路構(gòu)成。具體電路如圖3所示。

從圖3分析可知，編碼器在正轉(zhuǎn)的情況下，每個周期P+口都輸出4個脈沖，P-口沒有輸出；反轉(zhuǎn)時，P+口沒有輸出，P-口輸出4個減脈沖。這樣，此電路就實現(xiàn)了四倍頻的功能。

1.4測速原理

采用脈沖測速的方法有三種，分別是測頻法(M法)、周期法(T法)和綜合法(M/T法)。測頻法是在一定的時間T內(nèi)測取編碼器輸出的脈沖個數(shù)M，用以計算這段時間內(nèi)的平均轉(zhuǎn)速，稱作M法測速，該方法多在測量高速時采用；周期法則是在編碼器兩個相鄰輸出脈沖的間隔時間內(nèi)，用一個計數(shù)器對已知頻率為f的高頻時鐘脈沖進(jìn)行計數(shù)，并由此來計算轉(zhuǎn)速，稱作T法測速，T法多在測量低速時采用；第三種方法是把M法和T法結(jié)合起來，既檢測T時間內(nèi)編碼器輸出的脈沖個數(shù)M1，又檢測同一時間間隔的高頻時鐘脈沖個數(shù)M2，然后用來計算轉(zhuǎn)速，稱作M/T測速法，該方法適用于所有轉(zhuǎn)速范圍，是一種比較好的測量方法。但從工程實現(xiàn)上看，M/T法的工程實現(xiàn)比較困難，所需硬件資源多、軟件復(fù)雜，并且在應(yīng)用中的實時性差，因為需要同步，所以實際定時時間滯后于設(shè)定時間，具有遲滯性而且測速精度具有非線性，只有在低速時才有較高的測量精度。由于本設(shè)計中光電碼盤一般工作在較高速度，所以，使用的是M法測速。其計算公式為：

2速度控制器設(shè)計

2.1速度控制器硬件構(gòu)成

速度控制器以ATmegA128單片機(jī)為控制核心，以MC33886PWM橋式電機(jī)驅(qū)動器、光電編碼器及四倍頻電路為速度反饋傳感器構(gòu)成速度控制器硬件。其電路如圖4所示。

ATmegA128最小系統(tǒng)是控制核心，由ATmegA128芯片組、時鐘電路、復(fù)位電路、RS232接口、調(diào)試接口及接插件等構(gòu)成。該系統(tǒng)采用AVR系列單片機(jī)中功能較強(qiáng)的ATmegA128，該芯片具有比較豐富的片上資源，其內(nèi)部集成有128KB的FLASH存儲器、4KB的E2PROM、多個可編程I/O口，四通道PWM等接口，允許ATmegA128和其他外設(shè)進(jìn)行高速的數(shù)據(jù)傳輸。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)緊湊，可靠性高，響應(yīng)速度快，功能強(qiáng)大，性價比高。

電機(jī)驅(qū)動器采用MC33886H橋式PWM開關(guān)IC。它是集成H橋式電機(jī)驅(qū)動器，具有短路保護(hù)、欠電壓保護(hù)、過溫保護(hù)功能。該IC由內(nèi)部控制的邏輯、電荷泵、柵極驅(qū)動器、MOSFET功率輸出電路組合，可以接受高達(dá)10kHz的2路PWM信號來控制電機(jī)的轉(zhuǎn)向和速度。由于MC33886的導(dǎo)通電阻比較大，產(chǎn)生了較大的壓降，使芯片容易發(fā)熱，為了增強(qiáng)其驅(qū)動能力利用3塊MC33886并聯(lián)使用，提高驅(qū)動能力。2.2速度控制策略

圖5所示是數(shù)字調(diào)速系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)圖,其中以單片機(jī)為核心的數(shù)字速度環(huán)采用PI調(diào)節(jié)器。

圖5中的數(shù)字化的位置式PI調(diào)節(jié)器可用如下公式表達(dá)：

式中，k為采樣序列號，uk為第k次采樣時刻的輸出值，uk-1為第k-1次采樣時刻的輸出值，ek為第k次采樣時刻輸入的偏差值，ek-1為第k-1次采樣時刻輸入的偏差值，T為采樣周期，TI為積分時間常數(shù)。

由式(2)、式(3)可得增量式PI算法的表達(dá)式如下：

式中，Dut為第k次采樣時刻的輸出增量值。

從式(4)和式(2)比較可以看出，增量式PI算法只與最近兩次采樣值有關(guān)，不需要進(jìn)行大量的數(shù)據(jù)累加和存儲，不易引起誤差積累飽和，易于數(shù)字化，計算量少，實時性好。

為了控制智能車在啟動、行進(jìn)、倒車、轉(zhuǎn)彎、剎車等動作時快速響應(yīng)且超調(diào)量小，運(yùn)行平穩(wěn)，快速有效躲避障礙物等問題，必須設(shè)計好控制策略。數(shù)字PI調(diào)節(jié)器算法有增量式和位置式兩種方式。從式(4)分析可知，增量式與位置式相比的優(yōu)點是積分飽和的情況得到改善，減少系統(tǒng)的超調(diào)量,過渡時間短,提高系統(tǒng)的動態(tài)特性。本設(shè)計中不允許有大的超調(diào)量,所以采用了增量式PI算法。

2.3軟件流程

該系統(tǒng)的軟件部分主要由中斷服務(wù)程序和主程序組成。圖6給出了控制器的主程序流程圖，主程序主要包括上電自檢和對單片機(jī)進(jìn)行初始化、PWM輸出模塊的初始化、啟動定時器、開中斷、進(jìn)入循環(huán)體等，周期為5ms。圖7所示是其中斷服務(wù)程序，該程序主要完成當(dāng)前速度信息的獲取和處理速度大小和方向，中斷周期為1ms。

3實驗結(jié)果

按本文原理設(shè)計的一套試驗電路及測試波形如圖8所示，圖中包含電機(jī)驅(qū)動模塊、四倍頻電路、各種電源變換模塊和四倍頻后的波形。

4結(jié)語

本設(shè)計利用單片機(jī)和集成電機(jī)驅(qū)動器等硬件，同時采用基于增量光電編碼器和四倍頻電路，提高了電機(jī)速度的可控性能。而使用速度控制增量PI算法，則可實現(xiàn)小汽車速度的快速、準(zhǔn)確、穩(wěn)定控制。

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