基于低分辨力编码器的高精度速度测量简化算法

　　0　引　言

　　在矿井绞车和机车伺服控制系统中,单片机测速通常采用光电编码器为检测装置,将角位移量转换为对应的电脉冲输出。采用脉冲细分法进行脉冲测量,可以减小量化误差,但基准频率很高,不适合于单片机测速系统。采用测量时间和标准时间动态调节的脉冲频率/周期测量法,可适应宽范围速度测量要求,但测量时间较长;采用恒基准脉冲数法,依据测量的瞬时速度的大小改变周期的长短,只能保证一次采样所获得的基准脉冲数是一个近似的常数,存在最低速度的限制,需要采用脉宽补偿[1]。

　　高分辨力、高准确度和短的测量时间是数字测速系统的3个主要技术指标,提高分辨力和准确度需要延长测量时间。采用四倍频电路,可充分利用编码器的固有分辨力提高测量的精度[2, 3]。本文针对不同系数的低精度编码器,采用四倍频电路和测量时间变化的简化方法,彻底消除计算误差,缩短测量时间,有效提高测量精度,提高测速系统对不同系数的编码器的适应能力。

　　1　测速基本原理

　　M /T法[4]测速的基本原理是根据检测时间Td内,转速脉冲m1和计时脉冲m2计算转速n,固定计时时间为Tc,ΔT为Tc结束瞬间至下一个测速脉冲前沿之间的时间间隔,即Td=Tc+ΔT,则测量速度为

　　采用倍频电路,即将编码器输出的转速脉冲信号r倍频,可以有效提高编码器的脉冲分辨力和速度测量的精度。

        采用变M /T法测速如图1所示,m1和m2随转速的不同而变化,测量时间Tg也是变化的,等于m1各脉冲周期之和,即Tg=m2/fc,不包含ΔT时间内计时脉冲数,不必费力地测量ΔT[5]

　　式(1)和式(2)的运算均存在以下问题:

　　(1)乘除运算不可避免地产生计算误差,特别是对于转速较低和编码器当量系数高的应用场合。三字节除以两字节的除法,结果为两字节(vmax≤65535 r/min或m /h),由于四舍五入造成的计算误差为±1,在低速时,相对误差增大;

　　(2)双字节乘法和三字节除法的运算比较复杂,占用CPU时间较长,根据文献[6],一个双字节乘以双字节的乘法运算时间为363~555个机器周期,假设以89C5X为CPU(下同)的测速系统的主频为22. 118 4MHz,则一次乘法占用CPU的时间为197~301μs。一个三字节除以两字节的除法运算时间为818~939个机器周期,占用CPU的时间为444~509μs。速度计算至少包括乘法三次、除法一次,占用CPU的最少时间为1035~1412μs;

　　(3)较低的速度输入和编码器当量系数M较小时,速度计算误差较大,达不到要求的速度分辨力。较高的速度输入和倍频的脉冲输入时,中断计数次数和时间成倍增加,会造成程序迟缓,测速的准确度降低。