基于增量光電編碼器的車速控制器設(shè)計(jì)

引言

在智能小車運(yùn)動(dòng)控制中，車速是電機(jī)控制中的一個(gè)重要物理量，車速檢測(cè)裝置是系統(tǒng)的重要組成部分。目前，國(guó)內(nèi)外常用的測(cè)量車速的方法有離心式轉(zhuǎn)速表測(cè)速法、微電機(jī)測(cè)速法、光電碼盤測(cè)速法以及霍爾元件測(cè)速法。離心式轉(zhuǎn)速表和微電機(jī)測(cè)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(cè)速方法基本類似，都是在轉(zhuǎn)軸上安裝一個(gè)很輕巧的傳感器，將電機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)信號(hào)通過(guò)霍爾元件或光電碼盤轉(zhuǎn)換為電脈沖，從而通過(guò)計(jì)算電脈沖的個(gè)數(shù)來(lái)測(cè)速。其中，霍爾元件測(cè)量精度相對(duì)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(jiǎn)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(jià)比高等優(yōu)點(diǎn)。

1增量式光電編碼器的測(cè)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(jiǎn)稱光電碼盤)由光源、光柵碼盤和光電檢測(cè)變換裝置組成，光電碼盤可隨主軸轉(zhuǎn)動(dòng)。在一定大小的圓盤上等分地開通若干個(gè)長(zhǎng)方形透光孔就形成光柵碼盤，當(dāng)主軸旋轉(zhuǎn)時(shí)，光源照射碼盤，透過(guò)光孔的光經(jīng)光電管等電子元件組成的檢測(cè)變換裝置檢測(cè)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(hào),然后根據(jù)轉(zhuǎn)動(dòng)變化的方向用計(jì)數(shù)器對(duì)信號(hào)進(jìn)行加/減計(jì)數(shù),以此達(dá)到位置檢測(cè)的目的，通過(guò)采樣固定時(shí)間內(nèi)的脈沖數(shù),經(jīng)過(guò)轉(zhuǎn)換計(jì)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(shí)，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(cè)方向）、雙通道（可檢方向）和三通道(可檢方向、判零位)。本設(shè)計(jì)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(lái)確定；脈沖頻率應(yīng)滿足最高速度要求，本設(shè)計(jì)選用5V供電，輸出形式為OC門方波信號(hào)。

1.3四倍頻可逆計(jì)數(shù)電路

一個(gè)N脈沖數(shù)的光電碼盤旋轉(zhuǎn)1周只輸出N個(gè)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(gè)脈沖,這樣光電碼盤的分辨率就提高了4倍，測(cè)速精度大大提高。

光電碼盤是根據(jù)軸所轉(zhuǎn)過(guò)的角位置輸出Q1、Q2兩路正交系列脈沖，通過(guò)判向和可逆計(jì)數(shù)電路，對(duì)脈沖進(jìn)行累積計(jì)數(shù)得到角位移。在實(shí)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(lái)保證測(cè)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(hào)的脈沖數(shù)標(biāo)志光電碼盤所轉(zhuǎn)過(guò)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(shí)，表示光電碼盤正轉(zhuǎn)；當(dāng)Q2相超前Q1相90°時(shí),表示光電碼盤反轉(zhuǎn)。

從圖2可知，在一個(gè)周期內(nèi)，Qi、Q2信號(hào)都有兩次脈沖形成。兩方波信號(hào)之間相位關(guān)系是一定的，信號(hào)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(hào)來(lái)實(shí)現(xiàn)光電碼盤轉(zhuǎn)動(dòng)方向的判別和脈沖的四倍頻。

為了便于實(shí)現(xiàn)四倍頻及判向電路，現(xiàn)對(duì)光電碼盤信號(hào)作如下分析:

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

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

當(dāng)光電碼盤逆時(shí)針?lè)崔D(zhuǎn)時(shí)，則恠一個(gè)周期內(nèi)，Q1、Q,兩相信號(hào)也有四次相對(duì)變化，01一11一10一00。每發(fā)生一次變化，可逆計(jì)數(shù)器便實(shí)現(xiàn)一次減計(jì)數(shù)，則一個(gè)周期內(nèi)，共可實(shí)現(xiàn)四次減計(jì)數(shù)，從而實(shí)現(xiàn)反轉(zhuǎn)狀態(tài)的四倍頻計(jì)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(gè)周期P+口都輸出4個(gè)脈沖，P-口沒(méi)有輸出；反轉(zhuǎn)時(shí)，P+口沒(méi)有輸出，P-口輸出4個(gè)減脈沖。這樣，此電路就實(shí)現(xiàn)了四倍頻的功能。

1.4測(cè)速原理

采用脈沖測(cè)速的方法有三種，分別是測(cè)頻法(M法)、周期法(T法)和綜合法(M/T法)。測(cè)頻法是在一定的時(shí)間T內(nèi)測(cè)取編碼器輸出的脈沖個(gè)數(shù)M，用以計(jì)算這段時(shí)間內(nèi)的平均轉(zhuǎn)速，稱作M法測(cè)速，該方法多在測(cè)量高速時(shí)采用；周期法則是在編碼器兩個(gè)相鄰輸出脈沖的間隔時(shí)間內(nèi)，用一個(gè)計(jì)數(shù)器對(duì)已知頻率為f的高頻時(shí)鐘脈沖進(jìn)行計(jì)數(shù)，并由此來(lái)計(jì)算轉(zhuǎn)速，稱作T法測(cè)速，T法多在測(cè)量低速時(shí)采用；第三種方法是把M法和T法結(jié)合起來(lái)，既檢測(cè)T時(shí)間內(nèi)編碼器輸出的脈沖個(gè)數(shù)M1，又檢測(cè)同一時(shí)間間隔的高頻時(shí)鐘脈沖個(gè)數(shù)M2，然后用來(lái)計(jì)算轉(zhuǎn)速，稱作M/T測(cè)速法，該方法適用于所有轉(zhuǎn)速范圍，是一種比較好的測(cè)量方法。但從工程實(shí)現(xiàn)上看，M/T法的工程實(shí)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(shí)時(shí)性差，因?yàn)樾枰?，所以?shí)際定時(shí)時(shí)間滯后于設(shè)定時(shí)間，具有遲滯性而且測(cè)速精度具有非線性，只有在低速時(shí)才有較高的測(cè)量精度。由于本設(shè)計(jì)中光電碼盤一般工作在較高速度，所以，使用的是M法測(cè)速。其計(jì)算公式為：

2速度控制器設(shè)計(jì)

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(dòng)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(shí)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(chǔ)器、4KB的E2PROM、多個(gè)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(jià)比高。

電機(jī)驅(qū)動(dòng)器采用MC33886H橋式PWM開關(guān)IC。它是集成H橋式電機(jī)驅(qū)動(dòng)器，具有短路保護(hù)、欠電壓保護(hù)、過(guò)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(dòng)器、MOSFET功率輸出電路組合，可以接受高達(dá)10kHz的2路PWM信號(hào)來(lái)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(dòng)能力利用3塊MC33886并聯(lián)使用，提高驅(qū)動(dòng)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(hào)，uk為第k次采樣時(shí)刻的輸出值，uk-1為第k-1次采樣時(shí)刻的輸出值，ek為第k次采樣時(shí)刻輸入的偏差值，ek-1為第k-1次采樣時(shí)刻輸入的偏差值，T為采樣周期，TI為積分時(shí)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(shí)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(chǔ)，不易引起誤差積累飽和，易于數(shù)字化，計(jì)算量少，實(shí)時(shí)性好。

為了控制智能車在啟動(dòng)、行進(jìn)、倒車、轉(zhuǎn)彎、剎車等動(dòng)作時(shí)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(wèn)題，必須設(shè)計(jì)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(diǎn)是積分飽和的情況得到改善，減少系統(tǒng)的超調(diào)量,過(guò)渡時(shí)間短,提高系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)特性。本設(shè)計(jì)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(duì)單片機(jī)進(jìn)行初始化、PWM輸出模塊的初始化、啟動(dòng)定時(shí)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(shí)驗(yàn)結(jié)果

按本文原理設(shè)計(jì)的一套試驗(yàn)電路及測(cè)試波形如圖8所示，圖中包含電機(jī)驅(qū)動(dòng)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(yǔ)

本設(shè)計(jì)利用單片機(jī)和集成電機(jī)驅(qū)動(dòng)器等硬件，同時(shí)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(shí)現(xiàn)小汽車速度的快速、準(zhǔn)確、穩(wěn)定控制。

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