一种基于光电脉冲编码器的速度获取方法

摘要

本发明涉及一种基于光电脉冲编码器的速度获取方法，步骤：(1)将M/T测速法的采样周期时间 等分成N份，记为，其计算式为：式中，N是M/T测速法中采样周期时间的等分个数；(2)将等分后的采样周期时间依次排序，记为；(3)在排序后的采样周期时间内记录光电脉冲编码器的脉冲个数和高频时钟脉冲的个数；(4)在各排序后的采样周期时间内，对前N个采样周期时间内的光电脉冲编码器的脉冲个数与高频时钟脉冲个数分别求和；（5）由前N个采样周期时间内光电脉冲编码器的脉冲个数和与前N个采样周期时间内高频时钟脉冲个数和计算速度。该方法既能保持M/T测速法的测速精度，可以提高动态响应速度、减小动态测量误差，提高测量电机转速精度。

说明书

技术领域

本发明涉及一种速度获取方法，具体的说是一种应用于伺服系统的基于光电脉冲编码器的速度获取方法。

背景技术

位置和速度信号的测量是伺服系统的关键技术，信号的测量品质决定了伺服系统性能的优劣。

电机转速是通过检测与电机同轴连接的光电脉冲编码器输出的脉冲数间接得到，根据检测到的光电脉冲编码器脉冲的频率和脉冲的时序计算电机的转速和判断电机转动的方向。

实现电机转速测量的方法主要有：测周期法（T法）、测频率法（M法）、频率周期自适应法（M/T法）。

采用T法测量电机转速，是通过检测光电脉冲编码器产生的两个相邻脉冲之间的时间差来计算电机转速。此方法会产生±1个基准时钟的误差，T法适用于低速测量。

采用M法测量电机转速，是通过检测某一段时间内光电脉冲编码器产生的脉冲数量来计算电机转速，此方法会产生±1个被测光电脉冲编码器的脉冲周期的误差，M法适用于高速测量。

采用M/T法测量电机转速，通过将M法和T法两种测速方法结合，对电机的转速进行测量，提高测速的精度。

以上所述的M/T测速方法，在实际应用中有局限性，在测量电机转速时，提高采样时间 ，可以提高响应速度，同时会降低测速精度；减小采样时间，可以提高测速精度，同时降低响应速度，因此采用M/T测速法测量电机转速，在测量精度和响应速度之间存在着矛盾。

为了既能保持M/T测速法的测速精度，又能加快测速的动态响应速度，减小动态测速误差，开发一种适用于光电脉冲编码器的测速方法具有重要的理论意义和实用价值。

发明内容

本发明的目的在于提出一种既能保持M/T测速法的测速精度，又可以提高动态响应速度、减小动态测量误差的基于光电脉冲编码器的速度获取方法。

为了达到上述目的，本发明采用下述技术方案：

一种基于光电脉冲编码器的速度获取方法，其特征在于程序步骤如下：

(1)，测试电机转速，将M/T测速法的采样周期时间等分成N份，等分后的采样周期时间记为，其计算式为：

式中，N是M/T测速法中采样周期时间的等分个数；

(2)，将步骤(1)所述的等分后的采样周期时间依次排序，记为，i = 1，2，3…n；

(3)，在排序后的采样周期时间内，按照M/T测速法记录光电脉冲编码器的脉冲个数，记为，i=1，2，3…n ；在排序后的采样周期时间内，按照M/T测速法记录高频时钟脉冲的个数，记为，i=1，2，3…n；

(4)，在各排序后的采样周期时间内，对前N个采样周期时间内记录的光电脉冲编码器的脉冲个数求和，记为，其计算式为：

；

在各排序后的采样周期时间内，对前N个采样周期时间内记录的高频时钟脉冲个数求和，记为，其计算式为：

；

(5)，根据步骤(4)得到的前N个采样周期时间内的光电脉冲编码器的脉冲个数相加之和、前N个采样周期内的高频时钟脉冲个数相加之和，计算电机速度，记为，其计算式为：

式中，Z为光电脉冲编码器每转发出的脉冲数，为高频时钟脉冲的频率。

本发明的一种基于光电脉冲编码器的速度获取方法与现有技术相比，具有如下实质性特点和显著优点：

1.本发明测速方法中在测量电机转速时的速度刷新时间比现有的M/T测速方法中的速度刷新时间短，动态响应速度快；

2.本发明测速方法中在测量电机转速时的动态测量误差比现有的M/T测速方法中的动态测量误差小，当电机的加速度越大，其动态测量误差越小，测量电机转速的精度越高。

附图说明

图1是实施例应用的一种基于光电脉冲编码器的速度获取系统的结构示意图；

图2是本发明的一种基于光电脉冲编码器的速度获取方法的流程图；

图3是本发明方法与现有的M/T测速法对电机测速时的速度刷新时间对比实验图；

图4是本发明方法与现有的M/T测速法对电机测速时的动态测量误差对比实验图。

具体实施方式

下面结合附图，对本发明的一个优选实施例作详细说明：图1为本实施例应用的基于光电脉冲编码器的速度获取系统的结构示意图。该系统由DSP控制器（1）、电机（2）、光电脉冲编码器（3）、FPGA控制器（4）、PC机（5）组成。DSP控制器（1）与电机（2）连接，DSP控制器（1）控制电机（2）转速。光电脉冲编码器（3）和电机（2）同轴连接，光电脉冲编码器（3）随着电机（2）同步转动。FPGA控制器（4）与光电脉冲编码器（3）连接，光电脉冲编码器（3）发出的信号A和信号B的脉冲沿触发FPGA控制器内的高频时钟脉冲计时器进行计时，当高频时钟脉冲计时器的计时时间没有达到时，高频时钟脉冲计时器处于计时状态，直到光电脉冲编码器（3）发出的脉冲信号A和信号B的脉冲沿触发时，高频时钟脉冲计时器的计时时间超过了，将高频时钟脉冲计时器复位到初始状态重复上述计时过程，高频时钟计数器处于计时状态的这段时间，分别记录光电脉冲编码器（3）的脉冲个数和高频时钟脉冲个数，存入长度为N的FIFO寄存器，用来计算电机（2）转速，FPGA控制器（4）将计算的电机（2）的转速信号反馈到DSP控制器（1），DSP控制器（1）再对电机（2）控制，同时FPGA控制器（4）将计算的电机（2）的转速信号传输给PC机（5），实现对电机（2）转速实时监控。

参见图2，一种用于光电脉冲编码器的速度获取方法，其具体实施步骤如下：

(1)，测试电机转速，将M/T测速法的采样周期时间等分成N份，等分后的采样周期时间记为，其计算式为：

式中，N是M/T测速法中采样周期时间的等分个数；

(2)，将步骤(1)所述的等分后的采样周期时间依次排序，记为，i = 1，2，3…n；

(3)，在排序后的采样周期时间内，按照M/T测速法记录光电脉冲编码器的脉冲个数，记为，i=1，2，3…n ；在排序后的采样周期时间内，按照M/T测速法记录高频时钟脉冲的个数，记为，i=1，2，3…n；

(4)，在各排序后的采样周期时间内，对前N个采样周期时间内记录的光电脉冲编码器的脉冲个数求和，记为，其计算式为：

；

在各排序后的采样周期时间内，对前N个采样周期时间内记录的高频时钟脉冲个数求和，记为，其计算式为：

；

(5)，根据步骤(4)得到的前N个采样周期时间内的光电脉冲编码器的脉冲个数相加之和、前N个采样周期内的高频时钟脉冲个数相加之和，计算电机速度，记为，其计算式为：

式中，Z为光电脉冲编码器每转发出的脉冲数，>₀为高频时钟脉冲的频率。

为了验证使用本发明的的一种基于光电脉冲编码器的速度获取方法的测试电机转速效果，通过使用Verilog语言编写测速算法模块，在Xilinx公司Spartan6系列XC6SLX16型号的FPGA芯片上进行实验验证，在电机转动轴上安装光电脉冲编码器，当电机轴转动一定角度时光电脉冲编码器发出一个脉冲系列，该光电脉冲编码器与FPGA相连接，光电脉冲编码器发出的脉冲信号送入FPGA内部进行计数，与此同时对FPGA内部的高频时钟脉冲进行计数，然后由光电脉冲编码器的脉冲计数器和高频时钟脉冲计时器记录的数据计算得到速度。

参照图3，示出了本发明的一种基于光电脉冲编码器的速度获取方法与现有的测速方法，即，频率周期自适应法（M/T测速法），在测量电机速度时的速度刷新时间的对比实验图。该图中的横坐标表示被测电机的转速，纵坐标表示速度刷新时间。从图中可以看出，随着电机速度的不断提高，M/T法中的速度刷新时间呈现周期性变化，最后趋近于采样时间，即1ms；而本发明提出的测速方法，随着被测电机转速的不断提高，其速度刷新时间逐渐减小，最后趋近于。

参照图4(a)，示出了本发明的一种基于光电脉冲编码器的速度获取方法与现有的测速方法，即，频率周期自适应法（M/T测速法），在测量电机速度时的动态测量误差的对比实验图。该图中的横坐标表示被测电机的转速，纵坐标表示测速时产生的动态测量误差。图4(a)示出了被测电机在加速度a=60转/s²时，本发明的测速方法与M/T测速方法对电机进行测速时产生的动态测量误差的对比实验图。从图4(a)中可以看出，在相同加速度下，本发明测速方法在测量电机转速时产生的动态测量误差比M/T测速方法在测量电机转速时产生的动态测量误差小。参照图4(b)，示出了本发明的一种基于光电脉冲编码器的速度获取方法与现有的测速方法，即，频率周期自适应法（M/T测速法），在测量电机速度时产生的动态测量误差的对比实验图。该图4(b)中的横坐标表示被测电机的转速，纵坐标表示测速时产生的动态测量误差。图4(b)示出了被测电机在加速度a=180转/s²时，本发明的测速方法与M/T测速方法对电机进行测速时产生的动态测量误差的对比实验图。从图4(b)中可以看出在同一加速度下，本发明测速方法在测量电机转速时产生的动态测量误差比M/T测速方法产生的动态测量误差小。

从图4(a)和图4(b)中看出：电机在不同的加速度下测试时，电机的加速度越大，速度的动态测量误差越小，测量电机转速的精度越高。

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