基于增量光電編碼器的車速控制器設計

引言

在智能小車運動控制中，車速是電機控制中的一個重要物理量，車速檢測裝置是系統的重要組成部分。目前，國內外常用的測量車速的方法有離心式轉速表測速法、微電機測速法、光電碼盤測速法以及霍爾元件測速法。離心式轉速表和微電機測速都要與電機同軸連接，增加了電機機組安裝難度,消耗了電機的功率?；魻栐驮隽渴焦怆姶a盤的測速方法基本類似，都是在轉軸上安裝一個很輕巧的傳感器，將電機的轉動信號通過霍爾元件或光電碼盤轉換為電脈沖，從而通過計算電脈沖的個數來測速。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、結構簡單、體積小、響應速度快、耐惡劣環(huán)境、工作可靠、易于維護、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，當主軸旋轉時，光源照射碼盤，透過光孔的光經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,然后根據轉動變化的方向用計數器對信號進行加/減計數,以此達到位置檢測的目的，通過采樣固定時間內的脈沖數,經過轉換計算得到速度。光電碼盤構成如圖1所示。

1.2光電編碼器的選用

選用光電編碼器時，首先應當考慮的是通道數。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)。本設計根據使用要求選用的是雙通道光電編碼器；其次是脈沖倍頻數，可選用雙通道脈沖四倍頻；另外，分辨率可根據速度控制精度要求來確定；脈沖頻率應滿足最高速度要求，本設計選用5V供電，輸出形式為OC門方波信號。

1.3四倍頻可逆計數電路

一個N脈沖數的光電碼盤旋轉1周只輸出N個脈沖，引入四倍頻方法后，光電碼盤每旋轉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。

光電碼盤是根據軸所轉過的角位置輸出Q1、Q2兩路正交系列脈沖，通過判向和可逆計數電路，對脈沖進行累積計數得到角位移。在實際應用中，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波形如圖2所示。

Q1、Q2為兩相信號的脈沖數標志光電碼盤所轉過的角度，Q1、Q2之間的相位關系標志光電碼盤的轉向。即：當Q1相超前Q2相90°時，表示光電碼盤正轉；當Q2相超前Q1相90°時,表示光電碼盤反轉。

從圖2可知，在一個周期內，Qi、Q2信號都有兩次脈沖形成。兩方波信號之間相位關系是一定的，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光電碼盤轉動方向的判別和脈沖的四倍頻。

為了便于實現四倍頻及判向電路，現對光電碼盤信號作如下分析:

當光電碼盤順時針旋轉時，光電碼盤輸出的Q1相位信號超前Q2相位90。，定為正轉；當光電碼盤逆時針旋轉時,光電碼盤輸出的Q2相位信號超前Q1相位90。，定為反轉。

當光電碼盤順時針正轉時，則恠一個周期內，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，可逆計數器便實現一次加計數，則一個周期內，共可實現四次加計數，從而實現正轉狀態(tài)的四倍頻計數。

當光電碼盤逆時針反轉時，則恠一個周期內，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，可逆計數器便實現一次減計數，則一個周期內，共可實現四次減計數，從而實現反轉狀態(tài)的四倍頻計數。

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、判向電路構成。具體電路如圖3所示。

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

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內測取編碼器輸出的脈沖個數M，用以計算這段時間內的平均轉速，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，用一個計數器對已知頻率為f的高頻時鐘脈沖進行計數，并由此來計算轉速，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法結合起來，既檢測T時間內編碼器輸出的脈沖個數M1，又檢測同一時間間隔的高頻時鐘脈沖個數M2，然后用來計算轉速，稱作M/T測速法，該方法適用于所有轉速范圍，是一種比較好的測量方法。但從工程實現上看，M/T法的工程實現比較困難，所需硬件資源多、軟件復雜，并且在應用中的實時性差，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速度控制器設計

2.1速度控制器硬件構成

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

ATmegA128最小系統是控制核心，由ATmegA128芯片組、時鐘電路、復位電路、RS232接口、調試接口及接插件等構成。該系統采用AVR系列單片機中功能較強的ATmegA128，該芯片具有比較豐富的片上資源，其內部集成有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和其他外設進行高速的數據傳輸。系統結構緊湊，可靠性高，響應速度快，功能強大，性價比高。

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

圖5所示是數字調速系統的結構圖,其中以單片機為核心的數字速度環(huán)采用PI調節(jié)器。

圖5中的數字化的位置式PI調節(jié)器可用如下公式表達：

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。

由式(2)、式(3)可得增量式PI算法的表達式如下：

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，不需要進行大量的數據累加和存儲，不易引起誤差積累飽和，易于數字化，計算量少，實時性好。

為了控制智能車在啟動、行進、倒車、轉彎、剎車等動作時快速響應且超調量小，運行平穩(wěn)，快速有效躲避障礙物等問題，必須設計好控制策略。數字PI調節(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，減少系統的超調量,過渡時間短,提高系統的動態(tài)特性。本設計中不允許有大的超調量,所以采用了增量式PI算法。

2.3軟件流程

該系統的軟件部分主要由中斷服務程序和主程序組成。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進行初始化、PWM輸出模塊的初始化、啟動定時器、開中斷、進入循環(huán)體等，周期為5ms。圖7所示是其中斷服務程序，該程序主要完成當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實驗結果

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

4結語

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

20211020_616ff39c26f65__基于增量光電編碼器的車速控制器設計