中国科学院研究生院（长春光学精密机械与物理研究所）
硕士学位论文
编码器测速方法的研究
姓名：赵岩
申请学位级别：硕士
专业：机械电子工程
指导教师：陈涛
20030101
图表索弓
图表索弓
图ｉ－Ｉ
图２－ｉ
图２－２
图２－３
图２—４
图２－５
图２－６
图２—７
图２－８
图２－９
图３一ｌ
图３—２
图３－３
图３—４
图３—５
图４—１
图４－２
图５一ｌ
表２－ｌ伺服系统基本结构组成．．．．…．．．．，．．．．．．．．．．・・・・电机输出的电势波形．．．…．．．．，・・…．．．－・一…・・・基本光电脉冲发生器的部分分解示意图．．．．．．．．．．．．．．．光电脉冲发生器的输出波形．．．．．．．．．。．．．．．．．－－・－．．●●卫巧托。溜ｃ？ｕ●，●●●●●●●ｍ法测速原理图．．，…．－．…．－．・－…．．・・．・・・・・－Ｔ法测速原理．．．．．．．．．．．．・・…・・・．…－．．・・・．－・Ｍ／Ｔ法测速原理．．．一．－．．．。．－．－．．－…．．＋・，．・・．．・变Ｍ／Ｔ法测速原理．……．．．．．－．－．．＋．．．－．．＋．．．－高速、高精度、连续测量方案原理一．．．．…．．．．．．．．．．多周期同步测频法测速原理．．…．．…，．．．．．．。．．．．．编码器输出信号波形图．……．。．．．．．＋．。．．．．．．．．。系统原理框图．，．…．．．＋。．．．．．．．．．．．．．．．．＋．．．．．码盘脉冲倍频电路框图．．…．．．．．…，．．．．．…．．．．捕获脉冲输出控制电路及时序图．．．．…．．．．．．…．．．．方向信号提取电路及时序图．．。．．．．．．…．．．＋．。．．．．．主程序流程图．．．．．．．．…．．．．．。．。．．．．．．．．．．．．．，中断程序流程图．…．．。．．．．．．．．．．…．．．，．．．．．．．速度测试曲线．．．．．。．．…．．…．…．．．．．，．。．．．．．数字脉冲的测速计算公式．．．．．．．．．．．．．．．…．．．．．．．
模拟控制系统与数字控制系统优劣性比较．．．．．．．＋．．．．．．●●●●●●●●●●Ｍ垢埔●●●●●●●●弘孔弱拍打弛弘明坞ｎ●●●●●●，●●●●●●●●●●●●●表３一ｌ
表４－Ｉ●整量化单位与不带符号位的字长的关系…．．．．．．．．．．．．●●，犸
中国科学院研究生院硕士学位论文
摘要
光电精密跟踪技术是航空航天测控领域中的一项核心技术。跟踪伺服系统作为光电精密跟踪系统的硬件设备，在光电精密跟踪系统的研制中起着极其重要的作用。跟踪伺服系统的位置精度，速度精度和速度平稳性是光电跟踪系统设计的重要指标。因此，伺服系统的测速问题一直是人们不断探索的课题。
随着数字化进程的不断推进，伺服系统的全数字化是今后发展的必然趋势，然而如何解决实时性则是数字控制的关键问题。目前，ＤＳＰ（特别是ＴＭＳ３２０系列）发展起来，为伺服系统的全数字化奠定了物质基础，使得现代控制理论工程实用化。本文正是从这一角度出发，在测速系统中，重点以７１８转台为实验对象，在控制系统速度环开环的情况下，用光电编码器，借助于最新的控制系统数字信号处理器ＴＭＳ３２０ＬＦ２４０７及一定的测速算法——变Ｍ／Ｔ法，实现了对转台转速高精度测量的目的，为迸一步实现伺服系统的全数字化打下了坚实的基础。本文的主要的研究工作如下：
首先，在综合分析了影响模拟量和数字量测速的基础上，对基于数字脉冲计数的测速方法进行了全面的研究。对最终确定用变Ｍ／Ｔ法在ＴＭＳ３２０ＬＦ２４０７上实现对电机低速转速测量的实验方案，提供了理论依据，也为进一步提高测速精度和扩展测速范围提供了有利的保障。
其次以ＴＭＳ３２０ＬＦ２４０７与ＣＰＬＤ为核心构成了测速系统，并完成了用变Ｍ／Ｔ法实现对电机低速转速的测量。关键词：ＴＭＳ３２０ＬＦ２４０７，编码器，变Ｍ／Ｔ法
塑塑墨！！垄塑垄塑翌塞—一ＡＢＳＴＲＡＣＴ
Ｔｈｅｏｐｔｏｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃ（０一Ｅ）ｐｒｅｃｉｓｅ
ｉｎｔｈｅｆｉｅｌｄｏｆｔｒａｃｋｉｎｇａｎｄｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙｌＳａｃｏｒｅａ
ａｔｅｃｈｎｏｌｏｇｖｈａｒｄｗａｒｅｎａｖｉｇａｔｉｏｎ，ｔｅｓｔｃｏｎｔｒｏｌ（ＴＴ＆Ｃ）．Ａｓｓｅｒｖｏｏｆ０一Ｅｐｒｅｃｉｓｅｔｒａｃｋｉｎｇｓｙｓｔｅｍ，ｔｒａｃｋｉｎｇｓｙｓｔｅｍｐｌａｙｓ
ｐｒｅｃｌＳｌｏｎｋｅｙｒｏｌｅｉｎｔｈｅｍａｎｕｆａｃｔｕｒｉｎｇｏｆｉｔ．ＰｏｓｉｔｌｏｎｐｒｅｃｌＳｌｏｎｓｐｅｅｄ
ａｎｄｓｐｅｅｄｓｔａｂｉｌｉｔｙａｒｅｉｍｐｏｒｔａｎｔｆａｃｔｏｒｓｉｎｔｈｅｄｅｓｉｇｎｏｆＯ－Ｅｔｒａｃｋｉｎｇ
ｔｈｅｐｒｏｂｌｅｍｏｆｓｐｅｅｄ—ｍｅａｓｕｒｉｎｇｉｓａｃｏｎｔｉｎｕｏｕｓｓｔｕｄｙｔａｓｋｉｎｓｙｓｔｅｍ．ＳＯ
ｓｅｒｖｏＳｙｓｔｅｍ．
ｆｓｔｈｅｄｉｇｉｔａｌｐｒｏｃｅｓｓｉｓｓｐｅｅｄｉｎｇｕｐ，ａｔｏｔａｌｄｉｇｉｔａｌｉｚｅｄｍｅｔｈｏｄｏｆ
ｈｏｗｔｏｓｏｌｖｅｄｉｇｌｔａｌｓｅｒｖｏｓｙｓｔｅｍｉＳａｎｅｃｅｓｓａｒｙｔｒｅｎｄｉｎｆｕｔｕｒｅ，ｈｏｗｅｖｅｒ
ｋｅｙｐｒｏｂｌｅｍ．Ａｔｐｒｅｓｅｎｔ，ｔｈｅｄｅｖｅｌｏｐｍｅｎｔｏｆ
ｆｏｒｔｈｅＤＳＰ（ｅｓｐｅｃｉａｌｌｙｔｈｅｓｅｒｉａｌｏｆＴＭＳ３２０）ｓｅｔｔｌｅｔｈｅｍａｔｅｒｉａｌｂａｓｅｍｅｎｔ
ｔｏｔａｌｄｉｇｉｔａｌｉｚｅｄｍｅｔｈｏｄｏｆｓｅｒｖｏｓｙｓｔｅｍ，ａｎｄｍａｋｅｔｈｅｍｏｄｅｒｎｃｏｎｔｒｏｌｃｏｎｔｒｏｌｉｎｒｅａｌｔｉｍｅｂｅｃｏｍｅａｔｈｅｏｒｙｐｒｏｊｅｃｔｐｒａｃｔｉｓｅｉｎｒｅａｌｔｉｍｅ．ＡｃｃｏｒｄｉｎｇｔｏｔｈｌＳ
ａｓａｎａｓｐｅｃｔ，ｌｎｔｈｅｓＤｅｅｄ—ｍｅａｓｕｒｉｎｇｓｙｓｔｅｍ，ｔａｋｉｎｇｔｈｅ７１８ｇｉｍｂａｌｓｍｏｄｅｌ
ｃｉｒｃｕｍｓｔａｎｃｅｏｆｏｐｅｎ１００ｐｃｏｎｔｒｏｌｓｙｓｔｅｍ，ｔｈｉｓ
ｒｅａｌｉｚｅｈｉｇｈｌＹａｃｃｕｒａｔｅｍｅａｓｕｒｅｓｏｂｊｅｃｔ，ｉｎｔｈｅｔｈｅｅｎｃｏｄｅｒｔｏｍｅａｎｓｐａｐｅｒｕｓｅｆｏｒｔｈｅｓｐｅｅｄｏｆｍｏｔｏｒｂｙｏｆｔｈｅｌａｔｅｓｔｄｉｇｉｔａｌＳｉｇｎａｌｐｒｏｃｅｓｓｏｒ（ＤＳＰ）ＴＭＳ３２０ＬＦ２４０７，ａｎｄａｓｏｍｅａｒｉｔｈｍｅｔｉＣ—ｔｈｅｍｅｔｈｏｄｓｏｆａｌｔｅｒａｂｌｅＭ／Ｔ．ＴｈｉＳｅｓｔａｂｌｉｓｈｅｓａｆｉｒｍｂａｓｅｍｅｎｔｆｏｒｔｈｅｆｕｒｔｈｅｒｒｅａｌｉｚａｔｉｏｎｏｆ
ｍａａｔｏｔａｌｄｉｇｉｔａｌｉｚｅｄｍｅｔｈｏｄｉｎａｓｓｅｒｖｏｓｙｓｔｅｍ・ＴｈｅＪｎｒｅｓｅａｒｃｈｃｏｎｔｅｎｔｓａｒｅｆｏｌｌｏｗｓ：
Ｆｉｒｓｔ．ｉｎｆｌｕｅｎｃｉｎｇｆａｃｔｏｒｓｏｆａｎａｌｏｇｕｅａｎｄｄｉｇｉｔａｌｓｐｅｅｄ—ｍｅａｓｕｒｉｎｇａｒｅｄｉｓｃｕｓｓｅｄｉｎｄｅｔａｉｌ，ｔｈｅｍｅｔｈｏｄｓｏｆｍｅａｓｕｒｉｎｇｓｐｅｅｄｂａｓｅｄ
ａｒｅｏｎｄｉｇｉｔａｌｐｕｌｓｅｃｏｕｎｔｉｎｇｃｏｍｐｒｅｈｅｎｓｉｖｅｌｙｓｔｕｄｉｅｄ，ｗｈｉｃｈｐｒｏｖｉｄｅｔｈｅｏｒｅｔＩＣｂａｓｅｓ
ｆ。ｒｅｓｔａｂｌｉｓｈｉｎｇｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔａｌｐｒｏｊｅｃｔｕｓｅｄｔｈｅｍｅｔｈｏｄｓｏｆａｌｔｅｒａｂｌｅＭ／Ｔａｎｄｐｏｓｉｔｉｏｎｄｉｆｆｅｒｅｎｃｅ
ｐｒｏｖｉｄｅｐｏｗｅｒｆｕｌｔｏｒｅａｌｉｚｅｌｏｗｓｐｅｅｄｍｅａｓｕｒｌｎｇｆｏｒｍｏｔｏｒ，ａｎｄｉｍｐｒｏｖｉｎｇｔｈｅｐｒｅｃｉＳｉｏｎｏｆｇｕａｒａｎｔｅｅｆｏｒｆａｒｔｈｅｒｌｙ
ｏｆｓｐｅｅｄ—ｍｅａｓｕｒｉｎｇａｎｄｅｘｔｅｎｄｉｎｇｔｈｅｒａｎｇｅ
Ｓｅｃｏｎｄｌｙ，ｔａｃｈｏｓｙｓｔｅｍｓｐｅｅｄ—ｍｅａｓｕｒｉｎｇ．ａｎｄＣＰＬＤ，ｉｓｍａｉｎｌｙｍａｄｅｕｐｏｆＴＭＳ３２０ＬＦ２４０７
１０ｗｓＤｅｅｄ—ｍｅａｓｕｒｉｎｇｆｏｒｍｏｔｏｒｉｓｃｏｍｐｌｅｔｅｄｂｙｔｈｅｍｅｔｈｏｄｏｆａｌｔｅｒａｂｌｅＭ／Ｔ．Ｋｅｙｗｏｒｄｓ：ＴＭＳ３２０ＬＦ２４０７，Ｅｎｃｏｄｅｒ，ｔｈｅＭｅｔｈｏｄｏｆＡｌｔｅｒａｂｌｅＭ／Ｔ
第～章绪论
第一章绪论
１．１测速系统研究的目的和意义
在科学技术高度发展的今天，国防科学技术是衡量各国科技发展程度
的重要标志，大量科技研究力量和投资都用于国防科技发展中。光电精密跟踪技术是国防领域中的一项核心技术。跟踪伺服系统在精密跟踪系统的研制中起着极其重要的作用。跟踪伺服系统的速度精度和速度平稳性是光电跟踪系统设计的重要指标。因此设计高精度高分辨率的测速系统显得尤为重要。
１．２测逮系统的现状“‘３。”’６““’６““’６８１
迄今为止，测速可分为两大类：模拟电路测速和数字电路的测速。随
着电子技术的发展，数字测速技术的进步，数字测速性能的提高，使数字测速受到人们更多的重视。微电子技术的发展，计算机技术的广泛应用，出现了以计算机为核心的数字测速装置。这样的速度测量装置测量范围宽，工作方式灵活多变，适应面广，具有普通数字测速装置不可比拟的优越性。［∞，６２，∞，６４，６８】
目前，在数字系统中测速装置主要分为两类。一类是把测速机的模拟
输出信号经Ａ／Ｄ变换为数字量，然后输入到计算机中。这是一种比较成熟的测速方法。其优点是响应速度快，时间延迟小，其缺点是测速机灵敏度低，寿命短，而且必须安装测速机。特别是与力矩电机配合使用的高灵敏度测速机情况更是如此。此外速度分辨力和量化误差受到Ａ／Ｄ转换芯片的位数限制。例如一个ｎ位的Ａ／Ｄ转换芯片，考虑到正负转向，其最大测速比为：Ｄ＝２”１，如果系统要求的最高转速为Ｖｍａｘ，则系统的最高分辨率为Ｖｍａｘ／Ｄ＝Ｖｍａｘ／２“。‘”
另一类方法是直接采用数字测速。随着数字测速的完善和发展，在速
度回路中用它来代替直流测速机，不但可提高测速精度，扩大测速范围，还可大大简化系统体积结构，这对设计高精度、高分辨率、小型化的测速
编码器测速方法的研究
系统显得尤为重要。数字测速是多种多样的，有脉冲测速机，光栅盘等。目前使用最广泛的是增量式码盘。在闭环伺服控制系统中，根据脉冲计数来测量转速的方法有下列几种：Ｍ法、Ｔ法，以及后来发展的Ｍ／Ｔ法、变Ｍ／Ｔ法等。而多周期同步测频法是近期在发展变Ｍ／Ｔ法基础上发展起来的。各种方法有其各自的优点及其具体的适用与范围。。“
就本课题所研究的光电跟踪设备而言，其跟踪伺服控制系统由高低角
和方位角伺服控制系统组成，用于驱动跟踪架跟踪并拍摄高低空飞行目标，确定目标参数。主要伺服控制系统组成结构如图卜１所示。通常采用速度回路和位置回路二环控制。跟踪伺服系统的速度精度及低速平稳性是评价转台性能好坏的重要标志。测量元件、反馈元件的误差（角位置测量误差，速度测量误差）是一种有规律的误差，它将引起转台产生有规律的速度波动，而且这种速度误差不能通过改变控制系统的参数来消除或减小。所以在测速系统中选择适宜的测量元件和反馈元件，以尽量减小其自身的误差，对提高系统的测量精度及平稳性将有重要的意义。
图卜ｌ伺服系统基本组成结构
Ｆｉｇｕｒｅｌ一１．Ｂｌｏｃｋｄｉａｇｒａｍｏｆｓｅｒｖｏｓｙｓｔｅｍ
在伺服系统的速度回路中，通常采用直流测速机（或编码器）作为测
速元件来测量电机的输出速度，而在编码器上常采用位置差分法（即Ｍ法）实现对电机转速的测量。该方法的优点是固定采样周期测量，实现起来简单易行。在高速测量时，有较好的速度平稳性及较高的测量精度，而在低速时却会出现速度波动幅度大，平稳性差，且随着采样频率的提高，所测得的低速范围会变窄，测速精度随之下降等问题。所以随着仪器速度、加速度的动态性和跟踪要求越来越高，采用传统的角度位置差分法，以不能
第一章绪论
满足要求。系统急需找到一种满足上述要求的测速方法。针对上述问题
有必要对电机的低速测量问题及对于编码器的具体测速方法进行研究。
１．３论文主要研究工作
伺服控制技术经历了交磁电机扩大系统、磁放大器控制、晶体管控制、
集成电路控制、计算机控制的发展过程，至今已经进入了一个全新的鼎盛时期，其主要标志在于智能功率集成电路（ＳｍａｒｔＰｏｗｅｒＩＣ）和数字信号处理器（ＤｉｇｉｔａｌＳｉｇｎａｌ—Ｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇ．简称ＤＳＰ）的出现，使得伺服系统模块化和全数字化容易实现，长期以来建筑在现代控制理论或其他一些复杂控制算法基础上的控制原理得以快速在线计算及进行优化处理，从而把许多过去认为只能在理论上成立而在实际上无法应用的控制原理实用化。本文以美国Ｔｅｘａｓ仪器公司最新推出专用电机控制器ＴＭＳ３２０ＬＦ２４０７为例，在全面总结了多种测速方法基础上，研究了其结构特征和测速系统新型测速方法的软、硬件实现等问题。具体说来，本课题以７１８模型为实验对象，对编码器的测速方法进行了研究。主要研究工作如下：
１．根据数字测速的原理，确定了在数字信号处理器ＴＭＳ３２０ＬＦ２４０７上实现
对电机低速测量的实验方案。
２．详细比较了各种测速方法的性能后，选择用变Ｍ／Ｔ法完成对测速系统
的硬件电路与软件的设计及调试。
３．主要以ＴＭＳ３２０ＬＦ２４０７与ＣＰＬＤ为核心，并采用２３位绝对式编码器中的
１４位精码构成了测速系统，软件上采用Ｃ和汇编语言混合编程的方法
实现了对电机低速转速的测量。
实验结果表明：用变ｍ／Ｔ法解决了最初提出的传统方法测量力矩电机低速转动时，测速精度低，测速范围窄的问题，达到了实验研究的目的。
编码嚣测速方法的研究
第二章光电码盘测速方法研究
２．１引言
速度闭环控制系统因具有可提高伺服系统的调速范围，改善低速平稳性等优点，在对动态性能要求越来越高的伺服系统中，得到了越来越多的应用。测速装置是速度闭环控制系统中的关键部分，其速度分辨能力的高低是实现高精度、大范围速度测量的重要因素。对于不同的测速装置，其相应的测速元件选择标准以及所要采取的测速方法也有所不同，而且每种测速方法也有其各自的优缺点及适用范围，所以应根据实际系统的技术指标要求（如调速范围、测速精度等），选择适宜的测速方法，以满足系统的需要。
２．２测速元件的选择“’５
测速元件是速度闭环控制系统中的关键元件。为了扩大调速范围，改善低速平稳性，要求测速元件低速输出稳定、纹波小、线性度好。由于测速可分模拟量测速和数字量测速两种，所以对测速元件的选择也就自然的分为两类：模拟量测速元件和数字式测速元件。对于模拟量测速元件，通常采用直流测速发电机，它已被广泛应用于速度伺服系统中；对于数字式测速元件，为了便于计算机控制和提高测速性能，在机器人和数控系统中，通常采用光电式脉冲发生器（也称增量编码器）作为测速反馈元件。”１
２．２．１模拟测速元件的原理。１５１
直流测速发电机是一种把机械转速变换成电压信号的测量元件。１。它对伺服系统的最大贡献是为速度控制系统提供转轴速度负反馈。尽管它存在由于空气间隙和温度变化以及电刷的磨损而引起测速发电机输出斜率改变等问题，但它还具有在宽广的范围内提供速度信号的能力等优点，因此直流测速发电机仍是速度伺服控制系统中的主要反馈元件。实际上，它是一台微型直流发电机。一般来说，伺服系统对控制元件的基本要求是：精确度好、灵敏度高、可靠性好等。具体说来，直流测速发电机在电气性能方面应满足以下几项要求”“３：Ａ．输出电压要与转速成线性关系，并具有对称性，而且能保持稳定：
第二章光电码盘测速方法研究
８．输出特性的灵敏度高；
ｃ．输出电压的纹波小，即要求在一定的转速下输出电压稳定，波动小：Ｄ．电机的转动惯量要小，以保证响应速度快。
此外还要求高频干扰小，噪音小，工作可靠，结构简单，体积小和重量轻等。其中的几个关键性因素具体阐述如下：
灵敏度一即输出（特性）斜率，它是在额定的激磁条件下，单位转速（ｋｒ／ｍｉｎ）所产生的输出电压。通过对输出电压的测量，达到对转速测量的目的。
＾Ｅ厶△．：奁趱：阜４。１３
图２—１．电机输出的电势波形
ａ．单个绕组的输出电势
Ｆｉｇｕｒｅ２－ｌ‘Ｖｏｌｔａｇｅｂ．双绕组的输出电势ｗａｖｅｏｆｔａｏｔｏｒｏｕｔｐｕｔ
测速发电机的偏差可分为三种：纹波电压、线性度和温度稳定性。
纹波的影响”１：理想的情况下，任何转速时直流测速发电机的输出电压都应是平稳而恒定的直流电压。但是产生感应电动势的电枢绕组数不可能是无限的。单个绕组在一对极的磁场中旋转一周产生的电势是近似梯形的交变电势，经换向器整流后，输出为图２一ｌ所示的脉动电势。多个绕组的合成电势只能使这种脉动现象减小，但决不可能消除。因此，输出电压将总是呈现微小的脉动，称这种脉动现象叫做纹波。在一般系统中纹波电压频率较高，ＲＣ低通网络很容易将它滤掉。所以一般的调速系统对纹波要求并不高。但是，当用于阻尼作用和高精度速度、加速度反馈等要求较高的系统时，对纹波的要求就很苛刻了，需要研究整个测速范围的纹波电压。而在高精度的解算装置中则完全是不允许的。
测速机的纹波电压是影响系统速度性能的一个因素。它一般是转角的函数，但不一定成比例。由于纹波现象的存在，使得速度、加速度的测量精度因此降低，这也是模拟电路测速效果低于数字电路测速的原因所在。
线性度、温度稳定性的影响。１：直流测速发电机当工作在“额定”转速时，它的线性度特性一般是很好的（Ｏ．５％左右），但是当工作在较高转速时，应考虑
编码器测速方法的研究
非线性的问题。对于温度稳定性，它与磁铁的温度系数有关，在要求高的系统中，需要采用温度补偿技术。
２．２．２数字测速元件的原理“１
数字测速元件由光电脉冲发生器及检测装置组成。它们具有低惯量、低噪声、高分辨率和高精度的优点，有利于控制直流伺服电动机。脉冲发生器连接在被测轴上，随着被测轴的转动产生一系列的脉冲，然后通过检测装置对脉冲进行比较，从而获得被测轴的速度。
数字测量中用到的关键部件是光电编码器，俗称码盘。码盘是一种先进的角位移、角速度测量元件，也可作为模／数转换器，因其具有结构紧凑、可靠性好等优点，广泛地应用于数控机床、机器人、雷达、航空、航海水文及各种精密测角及高精度伺服电机的转速测量中。光电编码器可分为两种：绝对式光电编码器和增量式光电编码器。绝对式光电编码器具有固定的零点位置，一般用于雷达、指挥仪等军用系统中。增量式光电编码器则广泛用于速度闭环控制和位置增量控制系统中。它将角度信息转变成一列脉冲串，通过测量脉冲串的频率，达到对转速测量的目的。
光电脉冲发生器又称增量式光电编码器。最近广泛使用的数字测速元件就是光电式脉冲发生器，它是增量式光电编码器的一种，图２—２为其基本原理图。
光敏元件
ｆ放大整形Ｅ：嚣
光电转盘
图２—２基本光电脉冲发生器的部分分解示意图
Ｆｉｇｕｒｅ２－２．ＰｈｏｔｏｅｌｅｃｔｒｉｃｉｔｙＰｕｌｓｅＰｒｏｄｕｃｅｒＤｅｃｏｍｐｏｓｅＳｋｅｔｃｈＭａｐ
第二章光电码盘测速方法研究
它由光源、光电转盘、光敏元件和光电放大整形电路组成。光电转盘与被测轴连接，光源通过光电转盘的透光孔射到光敏元件上，当转盘旋转时，光敏元件便发出与转速成正比的脉冲信号。为了适应可逆控制以及转向判别，光电脉冲发生器发出两路（Ａ相、Ｂ相）相隔ｎ／２电脉冲角度的正交脉冲，输出波形如图２—３所示。通过对正交脉冲进行４倍频处理，以及脉冲计数电路对４倍频脉冲信号进行计数，由ＣＰＵ采样，并与固定频率的高频时钟脉冲的计数值比较、计算后得到被测伺服电机的转速。在某些编码器中，常备有用作参考零位的标志脉冲或指示脉冲，用来指示机械位置或对累积误差清零。
在闭环控制的ＰＷＭ伺服系统中，对测速装置的质量要求比较高，通常应满足：Ａ．高分辨率分辨率表征测量装置对转速变化的敏感度，当测量数值改变，对
应转速由ｎ。变为ｎ：，则分辨率Ｑ定义为Ｑ＝ｎ。一ｎ。（ｒ／ｍｉｎ）（２－１）Ｑ值愈小，说明测量装置对转速变化愈敏感，亦即其分辨率愈高。为了扩大调速范围，使电动机在尽可能低的速度下运行，必须有很高的分辨率。Ｂ．高精度精度表示偏离实际值的百分比，即当实际转速为ｎ、误差为Ａｎ时
的测速精度为：ｓ％＝（Ａｎ／ｎ）×１００％（２－２）影响测速精度的因素有：光电测速器的制造误差（光电转盘安装的不同心度）及对脉冲计数时总有的±１个脉冲的误差。
ｃ．短的检测时间所谓检测时间，即连续两次速度采样的间隔时间Ｔ，Ｔ愈短
愈有利于实现快速响应。
，周期．ｈ■—————＇一
。相厂］厂］
嘣习』ｍ“２悻≮｝卜
标记脉冲Ｌ—Ｊ
ａ）厂］厂］Ａ相一Ｌ一卜～厂］？ｍＬＢ相—Ｊ叫ｉｉ甜厂ｂ）
图２－３光电脉冲发生器的输出波形
ａ）顺时针转ｂ）逆时针转
ＯｕｔｐｕｔＷａｖｅｏｆＰｈｏｔｏｅｌｅｃｔｒｉｃｉｔｙＰｕｌｓｅＰｒｏｄｕｃｅｒ
编码器测速方法的研究
２．３数字测速方法。’“
在闭环伺服控制系统中，根据脉冲计数来测量转速的方法有：Ｍ法、Ｔ法，以及后来发展的Ｍ／Ｔ法、变Ｍ／Ｔ法等。而高速、高精度、连续测量方法是近期在发展变Ｍ／Ｔ法基础上逐渐发展起来的。各种方法有其各自的优点及其具体的适用范围，现简述如下。
２．３．１常用的测速方法。’
常用的钡０速方法有三种：Ｍ法、Ｔ法和Ｍ／Ｔ法．
Ａ．Ｍ法测速（又叫定时测角法）：即在规定的时间间隔Ｔ。内，测量所产生的脉冲数来获得被测速度值，这种方法称为Ｍ法测速。设脉冲发生器每转一圈发出的脉冲数为Ｐ，且在规定的时间Ｔ。（Ｓ）内，测得得脉冲数为ｍ。，如图２—４所示，则电机每分钟转数：‰５６ｏ．景ｐ／ｍｉｎ）
ｍｉ（２—３）
Ｔｇ一
图２－－４Ｍ法测速原理
ＭＦｉｇｕｒｅ２－４ＳｐｅｅｄＭｅａｓｕｒｅｍｅｎｔＴｈｅｏｒｙｏｆ
Ｍ法测速的技术指标：
Ａ）分辨率由（２一１）可得，Ｍ法的测速分辨率为ｐ：垡竖幽一６０．ｒａｉ旦（２—４）Ｐ。ｉ；Ｐ≮Ｐ。ｉ；
可见，Ｑ值与转速无关，即计数值ｍ．变化ｌ，在何转速下所对应的转速值增量均等。当电动机转速很小时，在规定时间Ｔｇ内只有少数几个脉冲，甚至只有一个或者不到一个脉冲，则测出的速度就不准确了。欲提高分辨率，可改用较大Ｐ值的脉冲发生器（即增加光电转盘的透光孔或刻线密度），或增加检测时间Ｌ。Ｂ）测量精度此方法虽然检测时间一定，但检测的起始时间具有随机性，因此
第二章光电码盘测速方法搿ｆ究
溅塞遭程在壤端｛毒滚下会产垒士１令转速辣跨弱捻溺误惹，羹莲稳对误蓑为
ｌ／ｍ；。当被测转速较高或电枫转渤一圈发出的转速脉冲信号的个数较大时，才有较高的测照精度。即随着转速增加，ｍ。即增大，相对误差会减小，说明Ｍ法适用于高速测爨场合。
ｅ）硷测时勰爨式（２—４）可褥≯＝毛＝嚣
式中瓦——规定的测量时间。（２～ｉ）
在保持一定分辨率的情况下，缩短检测时间的唯一办法是改用Ｐ值大（转盘裁线密度太域透党孔多）豹光瞧赫浊发生器。
Ｂ。’Ｔ法测遮（又秘定舞溺Ｅ亨滋）：瑟溺量裙邻两个躲冲酶时闻闻隔采确定被滚《速度的方法。用一已知频率为正的高频时钟脉冲向一计数器发送脉冲数，此计数器由测遮脉冲的两个相邻脉冲控制其起始和终止。若计数器的读数为ｍ：（如蓥２－５所示），粼毫疆每分镑熬转数为：ｎ。＝６０・÷Ｌ９，ｍｉｎ，ｉ＇ｍ，（２－ｓ）
式中工——时钟脉冲频肇；
ｍ：——计数器对时钟脉冲频率五的脉冲计数值。
下№ｈ
厂＾弋
脉冲发生
输出脉冲
时钟脉冲
黼２－５
Ｆｉｇｕｒｅ２－５．Ｔ法溅速器疆ｏｆＴＳｐｅｅｄＭｅａｓｕｒｅｍｅｎｔＴｈｅｏｒｙ
Ｔ法测遮的技术指标：
妨分辫率盘式（２一ｌ＞哥褥：Ｑ＝丐６０万．ｆｏ一面６丽０．ｆｅｍ，，｛掰，＋ｌ｝，＝—６０』ｆ。蛊＋三ｎ．一Ｐ（２—７）
可见，柱极端情况下，时间的检测会产生±１个离频脉冲周期。因此Ｔ法在
编码器测速方法的研究
被测转速较低（相邻两个转速脉冲信号时间较大）时，才有较高的测量精度。亦即随着转速ｎ。的升高，Ｑ值增大，转速愈低，Ｑ值愈小，Ｔ法测速在低速时有较高的分辨率。
Ｂ）测量精度由于光电脉冲发生器制造误差为ｓ，％，导致测速的绝对误差随着转速的升高而增加。另外，时钟脉冲硒计数时，总有～个脉冲的误差，由此造成的相对误差为１／％随着转速月。增加，ｍｚ计数值减小，此项误差也随之增大。可见，Ｔ法在低速时有较高的精度和分辨率，适合于低速时测量。
ｃ）检测时间检测时间Ｔ等于测速脉冲周期‰，即ｒ＝‰＝ｊ鲁
Ｄ）（２喝）可见，随着转速的升高，检测时间将减小。确定检测时间的原则是：既要使Ｔ尽可能短，又要使计算机在电机最高速运行时有足够时间对数据进行处理。时钟脉冲正的确定由式（２—７）可知，五愈高，分辨率愈高，测速精度愈高；但五过高又会使ｍ２过大，使计数器字长加大，影响运算速度。确定方法是：根据最低转速‰ｍｍ和计算机字长设计出最大计数ｍ２。。，由式（２—６）得
～ｆ：坠≤；堕（２－９）６０
Ｃ．Ｍ／Ｔ法测速同时测量检测时间和在此检测时间内脉冲发生器发送的脉冲数来确定被测转速，其原理如图２－６所示。它是用规定时间间隔ｔ以后的第一个测速脉冲去终止时钟脉冲计数器，并由此计数器值ｍ：来确定检测时间Ｔ。检测时间为：Ｔ＝ｔ＋ＡＴ（２～１０）
设电机在Ｔ（Ｓ）时１司内转过的角度位移为Ｘ（ｒａｄ），则其实际转速值为
船。：罂：—当Ｌ”２；ｒＴ（２—１１）２玎（一十ＡＴ）
如果电机每转动一圈脉冲发生器输出Ｐ个脉冲，在Ｔ时间内，计数值为ｍ．，则角位移ｘ为ｚ＝２ｒｃｍ。／Ｐ。同时，考虑在检测时间Ｔ＝Ｌ＋ＡＴ内，由计数频率为正的参考时钟脉冲来定时，且计数值为ｍ：，则检测时间Ｔ可表示为Ｔ＝ｍ：／Ｌ，
第二章光电码盘测速方法研究
于是删黼概＝等（ｒ／ｍｉｎ）（２－１２）
上式中的６０‘‘项是常数，在检测时间Ｔ内，分别计取测速脉冲／：。。和时钟脉冲／：＝的脉冲个数码和ｍ：，即可计算出电机转速值。计取疋时间内的测速脉冲，。的个数相当于Ｍ法，而计取Ｔ（Ｔ＝ｔ＋ＡＴ）时间内参考时钟脉冲五的个数ｍ，相当于Ｔ法，所以这种测速方法兼有Ｍ法和Ｔ法的优点，在高速和低速段均可获得较高的分辨能力，Ｍ／Ｔ法由此而得名。
通过上面的分析可知：Ｍ法测量转速在极端情况下会产生±１个转速脉冲的误差，而Ｔ法在极端情况下，时间的测量会产生４－１个高频脉冲周期，由于转速脉冲的频率远小于高频脉冲的频率，因此如果用转速脉冲信号的上升沿／下降沿来同步计数器的起止，在预定的测速时间内，转速脉冲信号的计数值将为整数（无误差），只有高频时钟脉冲会产生±ｌ的误差，因其很小，影响可以忽略，所以Ｍ／Ｔ法可适用于测量高、低速的场台，且具有较高的测速精度，但检测时间不宜过长。虽然Ｍ／Ｔ法测速可满足一些快速性要求不高的速度伺服控制的要求，它具有宽的调速范围、高精度和高分辨率的特点，但对于快速响应的伺服系统，Ｍ／Ｔ法在低速运行时，会使检测时间过分加长，这是速度闭环所不能忍受的。
：：：Ｌ————心——一撇嘉置ｌ』｛｜ｌｌ』Ｉ
检测时间
时钟脉冲．一一————————————一、————————————、！灿删山Ｌ二二二二二∑二二二二：：叫删＼———————————、，——————————√
图２－６
Ｆｉｇｕｒｅ２－６．Ｍ／Ｔ法测速原理Ｍ／ＴＳｐｅｅｄＭｅａｓｕｒｅｍｅｎｔＴｈｅｏｒｙｏｆ
Ｍ／Ｔ法测速的性能指标
８＋ｌ）４—１—ｚ２ｌ（
编碍麟测速方法抟辑究
Ａ）分辨率由于ｔ定时和ｍ。计数同时开始，ｍｌ无误差。由ｍ２变化±１时，得Ｑ为；Ｑ＝字（志～寺＝莉６０ｆ，＇ｍｉ＝里ｍ２－Ｉ（ｒ／咖）∞㈣
计敬州：时只猩最后一个周期内对删：产生影响，由此引起的测遮误差鼙测逮精度焉Ｆ。（％≥淡示溅速黥狰屑赣‰不鹭匀误差，因误差不累积，
气。（％）为‰＝钐．
番考惑诗数磁，＃孝霹戆产生主ｌ的误藏，弱诗数瀑差为占。。土。１００％。。
彬２—１
忽略微机有艰字长的舍入误差，则Ｍ／Ｔ法测逮的最大误麓为
占…≈占。。占ｍａｘ蒯占ｍ曲ｍ描二ｍ＋——。ｍ２－１。三上＋——！—一×１００％
２。３。２鬻用数字测速方法浮徐
以上对数字测速的三种方法作了详细描述，为了便于比较，现将三种速度测量豹计冀公式茳憨魏表２一ｉ。
由袋可见，对分辨率而言，Ｔ法测低速时较商，随着速度的增大，分辨率变蓼。醛渡燃稳反，糍速时较薅，淹若遮发静痒低。分辨率交差；Ｍ／Ｔ瀵粒彰％蹩常数，与速度无关，因此它比前面两种方法都好。
鼓测遽穰度上善，也敷Ｍ／Ｔ法为佼。至予捡ｉ羹｜｜辩润，在糖准熬甄浚中，Ｔ＝乏，与速度无关；在Ｔ法中，因为取测速脉冲的间隔时间瓦。作为检测时间，因而，随着速艨静增大丽减小；Ｍ／Ｔ法检测秘瞬稿对前两种方法怒较长静，僵是若硝微牺牲一点分辨率，选择分辨率在最低转速是仍可使ｍ，＝５—６个脉冲，便可使检测时闯几乎与Ｍ法栩闻（Ｔ“瓦）。另外，速度控制系统的响应决不仅仅是由检测时间确定，还与功率转换电路、电动枫的特性以殿负载情猿有关。鞠越，检测时间的选取，应视系统的要求而定。僵对快速响应瑟求较高的系统来说，检测时间
销二避光电码盘测速方法研究
懿影羲是不器忽褫熬。
Ｔａｂｌｅ２－１．ＤｉｇｉｔａｌＰｕｌｓｅＳｐｅｅｄＭｅａｓｕｒｅｍｅｎｔＦｏｒｍｕｌａ
表２一ｌ数字脉冲的测速计搏公式
方法
被测逮瘦
／－／“ｐ／ｒａｉｎ）
检测时间Ｍ法Ｔ法Ｍ／Ｔ法∞旦Ｐ｛，６０一王￡一Ｐｍ，∞五璺ｐ徽、瓦‰＝暴
亟篓
６０五＋‰Ｐ一ｌ———一十ｌⅣ、’Ｊ６０分辨蜜Ｑ６０拦埘Ｐ疋磁。一ｌ
精度
ｓ（％）‘。。——Ｄ？１ｌ占．＋——ｍ。生＋—Ｌ×１００％ｍ】ｍ２—１
２．３．３新烈测速方法
变Ｍ／Ｔ法“：是为了解决常用髓Ｍ／Ｔ浏速法中存在的检测对间过长，梭测误Ａ，
差过夫＿瑟箍爨来懿。其体是指瓣逮过程中，不仅铡致瓣溺速鲸净与高频时镑躲；孛随电机的转遮不同而变化，而且测量时间Ｔｇ也是变化的，它将始终等于光电脉冲发生器燕数个脉冲信号之和。其原理如图２—７所示。由图可知，一的大小由已知的高频时钟辣冲腕：计取，即疋＝ｍ２／五，电机黪遥发‰＝６０ｍ，Ｌ／ｅｍ。，此时酶ｍ，与Ｍ／Ｔ法中静ｍ，含义不露，它不含△Ｔ时闯内的赢频时钟赫ｉ串个数。可在相当广的邂度范围内高精度测滤，且响应快，工作可靠性高，对设计全数字化ＰＷＭ系统数字测速、位置反馈检测有实用价值。１３
编码器测速方法的研究
Ｌ—————————————、————————————一
蚴？！ｎ厂］厂］厂］厂１，。ｍｍ２
：，—————————————７。————————————。’一
时钟脉冲ｈ厂］ｒ］ｒ］ｒ］几ｎｒ］厂］ｎ
ｏ‘ｋ‘——————————二＾—————————————————一
图２—７变Ｍ／Ｔ法测速原理
Ｆｉｇｕｒｅ２－７．ＳｐｅｅｄＭｅａｓｕｒｅｍｅｎｔＴｈｅｏｒｙｏｆＡｌｔｅｒａｂｌｅＭ／Ｔ
由于在检测时间Ｔ。内，帆始终是一个整数，只有啪，脉冲可能存在±１的误差，所以相对误差为％，。显然检测误差与个ｍ：成反比。该方法的优点在于：它不必象Ｍ／Ｔ法那样费力的去测取△Ｔ，且无论在高速或低速，其检测性能都等于或超过Ｍ法或Ｔ法。
Ｂ，高速、高精度、连续测量方法。４１：是对变Ｍ／Ｔ法的完善。
虽然变Ｍ／Ｔ法使测量精度有了较大的提高，但它也有其缺点：在快速测量的要求下，因为要求较高的测量精度，所以必须采用较高的时基频率，这样，标频计数的位数较多。测量的动态范围受最小速度的限制，使之不能有大的扩展。且对于误差源产生的过程而言，每测量～次均会产生±１个脉冲误差，即相当于系统时钟多／少计了一次，所以精度还有进一步提高的空间。且因为计数器计数的限制，所以计数范围有较大的局限性。若采用分频器（分频数设为Ｎ），则每测量一次，相当于多／少计算了Ｎ次，误差较大。“高速、高精度、连续测频原理”正是基于上述问题提出来的。其工作原理如图２—８所示。对未达到整数倍分频脉冲的误差，采用系统时钟脉冲填补的方法，这样更充分的利用了高频脉冲快速的特点，且速度范围调整有较大的随意性，码盘每转所产生的脉冲数Ｐ也不必因时钟脉冲的范围大小加以调整，软件实现起来更为简洁，且不用计算定时时间，而只需根据所确定的速度范围确定被测脉冲的ｍ。即可。而实际闸门定时时Ｉ司为ＮＴｘ（即为被测脉冲的整数倍）无须计算。且由于分频器及高频脉冲填补等方法的应用，实际上大大的提高了１６位计数器的计数范围，使原本１６位的计数器完成了原本２４位、甚至３２位计数器才能完成的工作，大大提高了其应用范围。１４
擀二二章光电码盘测速方法研宽
参考疑门：曩———］厂了一ｒ］ｎ被测信号；
实际闸门
蠡频分蔟：
标频计数ｎｎｎ厂］几厂｜ｎ
图２—８高速、离精度、连续测嫩方鬃原理
Ｆｉｇｕｒｅ２－８．ＰｒｏｊｅｃｔｔｈｅｏｒｙｏｆｔｈｅＨｉｇｈＳｐｅｅｄ。Ｈｉｇｈ
Ｐｒｅｃｉｓｉｏｎ．Ｃｏｎｓｅｃｕｔｉｖｅ龋ｅａｓｕｒｅｍｅｎｔ
２．３．４其他测速方法㈣
珐了以上分缨戆测速方法外，述有壹接灏频法秘多翅麓藏步铡频方法。
Ａ。蓝接溅频法脚１：是在给定的嘲门信号中填入脉｝窀，通过必要的计数缝路，得到填入脉冲的个数。从而算出待测信号的频率或周期。
在测量过稷中，依据信号频率大小的不同，测量方法分为两种：
Ａ）被测信号频率较高时：先爆频率较低标准频濑信号｛乍为阕门信号，箍将被
溺滚号｛乍为壤充踩滓，在溜定麓门霹闻交对冀计数。
Ｂ）被测信号频率较低时：选用被测信号作为闸门信号，而将频率较黼的标
频信号作为填充脉冲，进行计数。
这种测速方法的主要缺点是：由于±ｌ误差的存在，难以兼顾低频和高频实瑷等凑菠溅量，骚良撼爱精度鞍低。
Ｂ．多周期同步测频法９。１：如图２－９所示。它的闸门辩间不是固定的傻，黼是被测信号的整周期倍，即与被测储号同步，因此消除了对被测信号计数产生的±１个脉冲误差，测量精度会因此大大提高，达到了在整个测量频段内的等精度测量。
壶以上瓣琴孛方法匏论述过稷孛霄知：壹接铡频法瓣是姆赫法帮Ｔ濠合并在一起送行讨论，箕方法实质鄄是Ｍ法帮Ｔ法。露多餍瀚嗣步测频方法魏澎式与变Ｍ／Ｔ法类似，两种方法的本质相同。所以，其测迭糟度及分辨率自然也就相同。
编码器测速方法的研究
参考闸门
实际闸门
被测信号
时基脉冲
时基计数Ｆ＝＝＝＝＝了－：＝＝＝＝＝＝：ｌ
图２—９多周期同步测频法测速原理
Ｆｉｇｕｒｅ２－９．ＳｐｅｅｄＭｅａｓｕｒｅｍｅｎｔＴｈｅｏｒｙｏｆｍａｎｙｐｅｒｉｏｄｍｅａｓｕｒｉｎｇｆｒｅｑｕｅｎｃｙ
通过对以上多种方法的讨论可知：目前，根据脉冲计数来测量转速的方法主要是：Ｍ法、Ｔ法、Ｍ／Ｔ法和变Ｍ／Ｔ法。而高速、高精度、连续测量的方法是对变Ｍ／Ｔ法的推广，以扩大测速范围，提高测速精度，其方法本身仍是变Ｍ／Ｔ法。由此可见，在目前已掌握的方法中，变Ｍ／Ｔ法是测速精度最高，测速范围最广，检测性能最完善的方法。
２．４经纬仪控制系统数字测速的实现
在目前的经纬仪实际控制系统中，系统要求的调速范围和高、低速速度精度如下：
调速范围：０．０１。／ｓ一１００。／ｓ
低速分辨力：Ｏ．００５。／ｓ
根据以上的具体要求，有必要对通常采用的测速方法是否适合于目前系统指标要求的问题进行研究。
在光电跟踪设备伺服系统的速度回路中，通常采用直流测速机（或编码器）作为测速元件来测量电机的输出速度，在位置回路中，测角元件是２４位的绝对式光电轴角编码器，常采用位置差分法（即Ｍ法）其数学模型为ｃｏ（ｎ）＝［Ｏ（ｎ）一Ｏ（ｎ一１）］／瓦（其中，ｔ为采样周期）实现对电机转速的测量。用该方法测速的优点是固定采样周期测量，实现起来简单易行。但要求低速时编码器的电子学细分精度非常高，高速时编码器的１６位码之间的频响和校正衔接良好，不允许有跳码的现象。具体说来，该方法在高速测量时，有较好的速度平稳性及较高的测量精度，而在低速时却会出现速度波动幅度大，平稳性差，且随着
第二章光电码盘测速方法研究
采样频率的提高，所测得的低速范围会变窄，测速精度随之下降等问题。而采用增量式编码器进行测速方法的就灵活得多，即可以采用Ｍ法、Ｔ法、ＭＩＴ法、变Ｍ／Ｔ法等方法。
下面通过具体例子，说明位置差分法不适于目前经纬仪实际控制系统中低速测量的问题。在经纬仪实际控制系统中，测角元件是２４位绝对式光电轴角编码器。编码器的连续输出只有１６位（即码盘刻划码道只有１６圈）其它８位通过电细分产生。假定在经纬仪速度回路中，要求的测速范围是实际控制系统００１。／ｓ一１００。／ｓ，系统的采样频率为４００ｃ／ｓ或８００ｃ／ｓ。此时数字测速的主要难点在于ｏ．Ｏｌ。／ｓ的低速测量。如使用常用的位置差分法，按式（２．３），即一个采样周期Ｌ必须产生一个码盘脉冲计算，在丁，不同时，所能测到的最低转速如下：Ａ・Ｔ／＝４００Ｃ／Ｓ时，‰＝器＝焘＝０．００８６形ｓｓｅ．Ｔ／＝８００Ｃ／Ｓ时＾。＝篇＝淼＝０．０１７２形ｓｓ
可见，采样频率越高，所能测得的低速范围越窄，且测速精度越低。而速度越高，用该方法就越易实现高精度测量。以丁，＝８００Ｃ／Ｓ为例，高速时，矿＝等＝ｏ０１７２×研。（ｍ１为码数），所以要达到。．１％的测速精度，仅需％≥１０００即可。即当力矩电机的速度为１７２。／ｓ一１００。／ｓ，系统的采样频率为丁，＝８００Ｃ／Ｓ时，用位置差分法很容易实现精度为０．１％的速度测量。而当力矩电机的速度为Ｏ．０１。／ｓ－－１７．２。／ｓ时，用上述方法便很难实现系统要求了。
根据位置差分法的传递函数Ｇ（Ｊ）２再ｊ忑，从它的相频特性来看，采样频率越高，愈能无失真的恢复出原模拟图的效果，亦即数字化效果越好，系统带宽越宽，越有益于满足伺服跟踪系统快速跟踪目标的要求。
从位置差分法的计算公式丛堕三；量翌』来看，巧越小，则在编码器分辨力
』／一定的情况下，ｏ（ｎ）变化越不显著，所以计算出的速度精度也就越低。
编码器测速方法的研究
盘凳露羹，由于瑟器速凌、秀嚣速度戆动态经及裁踩要求越来越毫，遴磐使霹的礁法无法解决采样频率提高坶所测得的低速范阐会变窄，测速精度会髓之下降的矛盾，所以必须采用新的测速方法以满足系统要求。
由前面对数字测速方法的讨论可知，在低速情况下，用Ｔ法测量通常可获得高精度豹测爨缝鬈，毽它又无法满足高速时系统的鬟求。由于系统要求鲍调速范围较宽，辑隧所选瓣速方法应兼鞭蓠、低速测量对均麓满足系统测量精发和瓣量范围的要求，且高低速之间转换应简单方便等特点。在目前已掌握的方法中，变Ｍ／Ｔ法是测濂精度最高，测速藏阐最广，检测性能墩完善的方法。当电机转速较低时，可取端＝ｌ，繇Ｔ法：露警邀褪转速较毫对，取置＝’粤，即赫法，且二一｛：
者之间的转捩随着电机转速的快慢自动完成，较好的解决了传统高低遮测量时，二者之间的转换速度段算法复杂的特点。所以，根掰系统测速精度高、测速范围大等要求，确定在最新的数字信号处理器ＴＭＳ３２０ＬＦ２４０７上用增量式编码器及变Ｍ／Ｔ法实凌对邀援低速转速测爨瓣实验方案。
２．５本章小络
这一奄荫先比较了模拟和数字两种测速元件的优缺点，然后按照转遥测量方法的发展避疆，详细全面的夯绥了根据躲冲计数测麓转速的方法一酣法、Ｔ法、Ｍ／Ｔ法各蠡戆王作缀理、逶臻藏瓣及优点，著在垂乏蘩磷之上分孝厅了透麓发矮筵来的变Ｍ／Ｔ法，直接测频法，多周期同步测频法，高滤、高精度、连续测蹩方法的工作原理。在详细的分析了多种测速方法的测速原溅之后，得出了目前核心的测速方法即为艟法、Ｔ法、Ｍ／Ｔ法鞠交Ｍ／Ｔ法的结论。谈部分是目前所了解到的测速方法戆凝聚程慧结。最蜃，凝攘经终饺实嚣接肇ｌ系绞中，系统蕊谖遮藏鋈宽、高低速速度精度要求高的特点，详细讨论了原有测遮方法的不足，并按照目前系统要求选定用变Ｍ／Ｔ法实现对力矩电机低速测量的实验方案。测速元件的选择，测速方法和关键参数的确定对实际测速结果起到了黧关夔要的作用。
针对不强测速蒸墨及测逮元传选择不冠豹铡逮方法，可褥至ｇ较蠢滟溅量精度，并可蕊亿硬俘设计，这至《枣半功倍的效票。第三、瞪章是在诧基磷上，其体讨论了变Ｍ／Ｔ法在硬件和软件上的实现过程。１８
第三章测速系统硬件设计
第三章测速系统硬件设计
３．１引言
通常对电机转速的测量是通过测量与电机同轴安装的编码器转速来实现的。正是由于编码器的码盘与电机同轴安装，码盘会随电机同轴转动，才使得编码器的转速与电机的转速相同。进而达到对编码器转速的测量即是对电机转速测量的目的。
具体而言，编码器的速度是其单位时间内转过的角度，也即是其每秒钟产生脉冲的个数（即信号频率），与编码器以及电机在测量时间内的位置变化成正比。
传统测速问题均是采用单片机进行，其特点是数据处理速度慢，难以实现实时测速。而快速的数字信号处理器的问世，大大弥补了以上不足，为最终实现跟踪伺服系统实时测速提供了有利的保障。本章正是在继承传统单片机测速的基础上，对将ＤＳＰ用于测速系统中的设想进行了初步的探讨。
具体的方案如下：在最新的数字信号处理器ＴＭＳ３２０ＬＦ２４０７上采用目前测速效果（测试精度、动态范围）最好的变Ｍ／Ｔ法实现了对电机低速转速的测量。
ＴＭＳ３２０在控制中的用途目前分为：伺服电机控制，过程控制，机械手（工业机器人）以及温度、压力的控制。军事和宇航方面的应用主要包括：稳定平台、瞄准控制、自动驾驶仪系统、惯性导航系统和通常的伺服机构。作为划时代的ＴＭＳ３２０Ｃ２０００ｌ”ＤＳＰ在控制系统中有许多新的特点。本章在上一章详细介绍了多种数字测速方法后，首先针对目前在我国起步较晚并具有极好发展前景的ＤＳＰ的系统、芯片结构作了简单的介绍，然后对目前剐刚问世的ＴＭＳ３２０ＬＦ２４０７芯片的结构和其适合于电机控制的特点作了简要的说明。ＤＳＰ在控制上的应用是ＤＳＰ的主要应用领域之一。本章的最后在对ＤＳＰ在电机控制系统中的控制优势讨论之后，充分利用了ＴＭＳ３２０ＬＦ２４０７的结构特点，详细的对变Ｍ／Ｔ法实现对力矩电机低速转速测量方案的硬件系统设计进行了介绍。
３．２ＤＳＰ及其在电机控制中的优势
数字信号处理（ＤｉｇｉｔａｌＳｉｇｎａｌＰｒｏｃｅｓｓｉｎｇ，简称ＤＳＰ）是一门涉及许多学科而又广泛应用于许多领域的新兴技术。２０世纪６０年代以来，随着计算机和
编码器测速方法的研究
信息技术的飞速发展，数字信号处理技术应运而生并得到迅速发展。
在过去的几十年中，电机控制系统一直以模拟控制为基础而进行的。随着数字信号处理技术的发展，传统的模拟控制系统正逐渐向数字控制系统过渡。近年来，数字信号处理器的出现和飞速发展极大的推动了电机的数字化控制进程。以电机控制为例：ＤＳＰ在交流感应电机，异步电机，永磁电机和无刷直流电机控制系统中都得到了广泛的应用。本章在介绍ＤＳＰ的基础上，对其在电机控制系统中的控制优势展开讨论。
ＤＳＰ简介３．２．１
ＤＳＰ芯片，数字信号处理器，是一种特别适合于进行数字信号处理运算的微处理器，其主要应用是实时快速的实现各种数字信号处理算法。当然，与通用微处理器相比，ＤＳＰ芯片的其他通用功能相对较弱些。
可编程ＤＳＰ芯片是一种具有特殊结构的微处理器，为了达到快速进行数字信号处理的目的，ＤＳＰ芯片一般都具有程序和数据分开的总线结构、流水线操作功能、单周期完成乘法的硬件乘法器以及一套适合数字信号处理的指令集。
为了快速地实现数字信号处理运算，ＤＳＰ芯片一般都采用特殊的软硬件结构。哈佛结构、流水线操作、专用的硬件乘法器、特殊的ＤＳＰ指令再加上集成电路的优化设计，可使ＤＳＰ芯片的指令周期降低至现在的２０ｎｓ以下。快速的指令周期使得ＤＳＰ芯片能够实时实现许多数字信号处理的应用。
３．２．２ＴＭＳ３２０ＬＦ２４０７－－增强型数字电机专用芯片。４“１
本文主要应用了ＴＭＳ３２０ＬＦ２４０７数字信号处理器实现了对编码器位置和转速的测量，现将其结构和特点介绍如下：
ＴＭＳ３２０ＬＦ２４０７芯片是ＤＳＰ控制器中ＴＭＳ３２０Ｃ２４…一代中的新产品，是ＴＭＳ３２０Ｃ２０００】“定点ＤＳＰ中的一部分，该芯片提供了ＴＭＳ３２０“结构上的具有ｃ２ｘＸ内核的ＣＰＵ低价位、低功耗、高性能的增强型设计，满足了宽范围的数字电机控制（ＤＭＣ）和其它嵌入式控制的应用需要。该产品基于Ｃ２Ｘ１６位定点、低功耗的ＤＳＰＣＰＵ，具有优化数字电机和运动控制应用性能的几个先进的外围设备以及片上ＲＯＭ或带ＦＬＡＳＨ的程序存储器、片上双端口ＲＡＭ也均被集成到了一块ＤＳＰ处理
第三章月ｊ速系统硬件设计
器中。它采用了改进的哈佛结构，同时采用流水线技术，使得多数操作在一个时钟内完成。为了便于多数产品开发，高于３２Ｋ字节的ＦＬＡＳＨ装置提供了功耗低、可多次编程的解决方案。它也包括ＲＯＭ，这使之能与ＦＬＡＳＨ的对等产品达到完全兼容。为了满足电机控制的需要，２４０７提供了一系列存储器和特制的外围设备，正是依赖其高速内核以及各功能外设的充分利用，使２４０７完全有能力完成对各种电机的高性能控制。。“
３．２．３ＤＳＰ在电机控制系统中的控制优势“”
传统的电机控制系统基于模拟器件，因而易于设计并且能以较低的代价来实现。但是，模拟系统也有其缺点：元件的老化和温度的变化都会导致系统的不稳定，这就需要人们随时进行调节，可见模拟系统的稳定性较差；另外，模拟器件的容错性和系统的升级也都是很难解决的问题。这是由于整个系统的设计完全是基于硬件而进行的。
与模拟控制相比数字控制系统有明显的提高：由于几乎所有的功能都是以数字形式进行的，所以消除了温漂现象；系统进行升级时只需更换软件而无需改变硬件设计；另外整个系统集成度高，因而可靠性也较高。表３．１给出了模拟控制系统与数字控制系统的优缺点，从表中可以看出数字控制系统要比模拟控制系统难设计，但是一旦设计成功，其稳定性与稳健性都要远远优于模拟控制系统。
Ｔａｂｌｅ３．１ＣｏｍｐａｒｉｓｏｎｏｆＡｎａｌｏｇｖｅｒｓｕｓＤｉｇｉｔａｌＣｏｎｔｒｏｌｌｅｒｓ
表３．１模拟控制系统与数字控制系统优劣性比较
控制器优点
带宽高
模拟分辨率高
容易设计
可编程
数字对环境不敏感
控制精确
能实现复杂算法缺点器件易老化温度漂移问题无软件设计带来数字问题必须采用高性能处理器设计较困难
我们知道，电机的控制性能极大的依赖于对电机的控制，而高性能的ＤＳＰ控
编码器测速方法的研究
制器能有效提高控制算法的实时性，因此，二者的结合一方面可以减少整个系统的组成部分，另一方面也可以优化设计以减少系统的造价。具体说来，一个高性能的ＤＳＰ控制器有如下的性能：
Ａ．快速有效的控制能减少系统的能量支出；
Ｂ．高性能控制算法的实现可以减少转矩脉动，进而减少振动并延长系统寿命；Ｃ．通过算法来减少谐波，这样不但易于满足系统要求而且降低了滤波器开销；Ｄ．可以实现无传感器算法，从而无需使用速度与位置传感器；
Ｅ．可以减少查表的个数，这样能节省大量的内存；
Ｆ．能实时产生光滑并接近最优的轨迹曲线；
Ｇ．能控制电源开关和逆变器以产生高分辨率的ＰＷＭ输出：
Ｈ．能提供单片控制系统：
Ｉ．能进行多变量控制和使用诸如人工神经网络与模糊逻辑之类的现代智能方
法以胜任复杂系统的控制；
Ｊ．能实现自适应控制，高速的ＤＳＰ可以实现对系统的实时监视与控制：
Ｋ．能通过频谱分析来实现对系统的诊断，可以通过观察，分析机械振动的频谱
来预测其行为；
Ｌ．能实现通带极窄的陷波器以消除机械谐振现象。
３．３在ＴＭＳ３２０ＬＦ２４０７上用变Ｍ／Ｔ法实现对编码器测速的硬件设计
本实验采用的是变Ｍ／Ｔ法在ＴＭＳ３２０ＬＦ２４０７新型电机专用ＤＳＰ芯片上实现对转台低速速度的测量（其测速原理在第二章已介绍过）。此法需要一个码盘脉冲计数器、一个标准时间计数器、一个定时器（设定测量时间Ｔ。，。在测量时间Ｔｓ内，同时对码盘脉冲和标准时间信号计数。测量时间一到，便产生定时中断，单片机执行中断程序，读出码盘脉冲计数器和标准时间信号计数值，由计数值求出转速。‘
设码盘刻线数为Ｐ，码盘脉冲的倍频数为ｎ，时钟频率为ｆ。，码盘脉冲计数值为％，计数脉冲值为ｍ：，则转速为ｖ＝３６０・／Ｉ＂１。－ｆ：／（ｐ・聊２．甩）（。／ｓ）（３．１）
在码盘数字测速系统中，对码盘信号的处理包括倍频、输出控制和方向信号的提取。
第三章测速系统硬件设计
３．３．１ＴＭＳ３２０ＬＦ２４０７上的相应硬件及测量系统组成
Ａ．ＴＭＳ３２０ＬＦ２４０７的ＱＥＰ单元和ＡＤＣ模块
ＴＭＳ３２０ＬＦ２４０７包括两个ＱＥＰ电路及带有采样／保持电路的１６路１０位模／数转换器，大大减少了带有正／余弦输出信号的绝对式编码器与ＴＭＳ３２０ＬＦ２４０７的接口逻辑。
Ａ）正交编码器脉冲（ＱＥＰ）电路““
每个事件管理器模块均有一个ＱＥＰ电路，当ＱＥＰ电路启动时，可对引用脚ＣＡＰＩ／ＱＥＰｌ和ＣＡＰ２／ＱＥＰ２（在事件管理器Ａ上）或ＣＡＰ３／ＱＥＰ３和ＣＡＰ４／ＱＥＰ４（在事件管理器Ｂ）上的正交编码器输入脉冲进行解码和计数。，
ＱＥＰ电路和光学编码器接口可用来实现从一个旋转机器上获得其位置和速度信息。当ＱＥＰ电路被启动时，捕获功能就被禁止。
ＱＥＰ电路对正交编码脉冲的两个沿都进行计数，因此，由ＱＥＰ电路到通用定时器２（或４）产生的时钟频率是输入脉冲序列频率的４倍，该正交时钟与通用定时器２或４的时钟输入相连。由此可见，２４０７的ＤＳＰ芯片正是由于ＱＥＰ电路的存在，从而使其对编码器输出信号莳４倍频计数实现起来更为简便。
Ｂ）模数转换（ＡＤＣ）““
为了提供与事件管理器Ａ和Ｂ的灵活接口，２４０７的ＡＤＣ模块的功能被大大增强了（这也是它在Ｆ２４０基础上最大的改进地方）。ＡＤＣ模块围绕总转换时间为５００ｎｓ（采／保＋转换）的要求而建立，该模块有１６路模拟输入通道，按照服务于事件管理器Ａ和Ｂ的两个独立的８通道模块而配置的。这两个８通道模块可自动的对一系列转换排序，自动排序允许系统多次转换相同的通道，允许使用者执行多次采样算法，相对于传统的单次转换结果，这大大增强了其转换精度。Ｂ．硬件接口设计
光电编码器靠光电扫描及其精细的栅格以形成一个增量轨道的原理来运转。旋转时，编码器调整一柱密度由光电元件读出的光信号，并产生两路９０。相移的正弦信号Ａ和Ｂ。当编码器正向旋转时，Ｂ信号滞后于Ａ信号。编码器每旋转一周产生的Ａ、Ｂ信号的个数等于编码器的码线总数Ｎ。编码器的旋转频率与其速度及转过的码线数成正比。光电编码器提供了差分模拟输出信号（Ａ，Ｂ），如图３—１所示。
Ｔ２器时定Ｉ
编码器测速方法的研究
Ｑｕａｄｒａｎｔ
厂＼／／、＼
＼＼／／＼／
／／、＼／，＼
＼／／＼＼／
Ｂ１２３＼／ｊ￡鬲挈”””…”
图３—１编码器输出信号波形图
Ｆｉｇｕｒｅ３－ＬＯｕｔｐｕｔＶｏｌｔａｇｅ（Ａ，Ｂ）ｏｆＡｂｓｏｌｕｔｅ—ＥｎｃｏｄｅｒｗｉｔｈＮＬｉｎｅＣｏｕｎｔｓ任何一个带有模拟输出信号（如图３—１）的编码器都可按图３－２的方式用变Ｍ／Ｔ法实现对转台转速的测量。下面就电路的主要部分进行讨论。
Ａ内部数据总线ｈ
时间到定时器３
晶阵工分频器忑：；ｉ１时器１ｌｊ‘””捕获控制
堡堕塑堡三型匝ｉｉ方石面迈
暑ｆ鬻ｑｊＡ———童—～输出Ｆｍ．『捌她埋输出方向信号Ｄ
图３—２系统原理框图
Ｆｉｇｕｒｅ３－２．ＢｌｏｃｋＤｉａｇｒａｍｏｆＴｈｅＳｙｓｔｅｍＰｒｉｎｃｉｐｌｅ
Ａ）供应电压
总的电路为模拟（ＶＣＣＡ）和数字部分（ＶＣＣ）提供了单＋５Ｖ电压。模拟地和数字地应紧密的与２４０７的ＡＧＮＤ和ＧＮＤ输入引脚连接在一起。ＡＧＮＤ用于保护编码器的差分输入信号Ａ和Ｂ。Ｂ）ＡＤＣ输入电压范围
籀兰章测速系统硬件设汁
ＴＭＳ３２０ＬＦ２４０７熬ＶＲＥＦＨ赣入与十３．０ｖ稷连，ＶＲＥＦＬ与模ｌ耋｛蘧疆连。掰驭稔入电压是ＶＲＥＦＬ＝ＯＶ，ＶＲＥＦＨ＝＋３．３Ｖ，因此Ａ／Ｄ转换舱嘏小分辨率为３．２２ｍｙ。
ｃ）测鬣系统的组成
测量过程用到一个定时器，…个带捕获功能的粥擞脉冲计数器和一个带捕获功旎静标准瓣粒诗数器。ＴＭＳ３２０ＬＦ２４０７懿每个ＱＥＰ逛穆都繁有三个定瓣器，其中定对器２鞴定时器４具舂计数臻获功麓。采用盼浏爨方法梅盛如霞３－２掰示酶测量框图。如图可知，以ＱＥＰｌ为例，定时器２用于码盘脉冲计数，定时器ｌ用作标准时间信号计数，定时器３用于定测量时间，这样就构成基本的测凝系统。在测量时阕氏内同对对码盘脉秘Ｆ。（倍频惹的信号）鹈标准对间计数。宠慰器ｌ每隔嚣阕强藏产生一次中蘩。定辩嚣２瑟ＰＣＡ诗数簿戮都为下降港麓获。臻获寄存器在ａ、ｂ时刻的值分别是计数器在ｔ。、ｔ。时剡的计数值。设定时嚣２和定时器ｌ在ａ、ｂ时刻的值分别为Ｃ¨、Ｃ。．和Ｃ…Ｃ。。。则转速为：
ｙ：！鲤：点ｉ刍型二曼ｚｋ。／、尹‘栉（ｑⅢ一ｅ）Ｖｓ’
其中，（Ｇｉ＊Ｉ－巴。）相当子公式（３．ｉ）中珑。，（Ｃ¨＋Ｉ－Ｃ。）褶当子公式（３．１）中髂拼，。３．３．２码擞脉冲的倍频电路
对璃蠢羧滋熬洚嵇频，穰娄子增多码鑫弱线数，可提褰溅量漆确瘦，菠善潮量酶动态瞪熊。码盘脉冲计数毯姻大小影响裁线误麓翰大小。对同一个弼螽，输出信号经码擞脉冲倍频电路处理厝，频率提高，相同测量时间内对码盘脉冲的计数值大，测擞结果中刻线造成的误差小。如果测量时间越长，可测的转逋下限就越低。在零系统中对玛盘进行了３２偿频。
芷余弦信号－—－—馘
…移相细分‘—＿一｝
．ＣＰＬＤ
匿３－３玛鑫脉；孛倍频憩辨棰塑
ＴｈｅｂｌｏｃｋｄｉａｇｒａｍｏｆＳｅｎｓｏｒＤｉｓｋＰｕｌｓｅ＆ＩｕｌｔｉｐｌｅＦｒｅｑｕｅｎｃｙＣｉｒｃｕｉｔ
编码器测速方法的研究
３．３．３捕获脉冲的输出控制电路
为保证测量的连续性，码盘脉冲计数器和标准时间计数器要不断地计数，测量过程中要不断地读取这两个计数器的计数值。为防止计数过程中计数器值不稳，出现误读，需采用有捕获功能的计数器。在要求时刻，通过捕获的信号，将计数值捕获到寄存器中，然后读捕获寄存器，这样读出的值稳定可靠。为确保读出的码盘脉冲计数值与标准时间计数值是同一时刻值，要求捕获信号应相同，这个信号就是码盘的脉冲信号。这样，只是保证了读出的两个计数值是同一时刻的基本条件。如果读出数据的过程中发生新的捕获，也将导致读出的数据不是同一时刻，引起测量误差。因此，读完数据后，应通过捕获标志判断是否发生新的捕获。如果发生新的捕获则重新读数，直到无新的捕获发生为止。这种方法，如不对捕获信号的输出加以限制，当码盘输出脉冲的频率很高时，相邻的捕获时间就较短。当短到一定程度，捕获时间小于程序的读数时间及判断时间时，将不能读出计数值。从而限制了测速的上限。对捕获脉冲输出加以控制，即可提高测速的上限。功能电路及时序如图３－４所示。其中，Ｃ是捕获信号，Ｃｔｒｌ是输出控制信号，用于控制码盘脉冲Ｆｍ的输出。
ｉ１厂］厂］厂］厂］厂］厂］剑厂———］广———］
ｒ］厂］
图３—４
Ｆｉｇｕｒｅ３－４．Ｏｕｔｐｕｔ厂］厂］捕获脉冲输出控制电路及时序图ＣｏｎｔｒｏｌＣｉｒｃｕｉｔａｎｄＰｅｒｉｏｄｏｆＣａｐｔｕｒｅＰｕｌｓｅ３．３．４方向信号提取电路
当测量转速时，不仅要给出速度的大小，还要给出速度的方向。由采用的测量原理可知，测量过程不能给出方向的信息，转动方向只能通过码盘脉冲得到。设顺时针转动，Ａ超前Ｂ９０。：反之，Ｂ超前Ａ９０。。由此可得出方向信号。实
篓基童塑望墨堕堡堂堂鼓——
褒瑟功戆瓣魄貉及嚣彦露霆Ｓ～Ｓ艨示。蚤为不露毫乎辩，努裂代表不露熬转动方向。其体说米，Ｄ为高电平时，代表电机向顺时钟方向旋转；反之，代袭逆时针方向旋转。
？ｒ———１
３．４本耄小结ｒ——～銎３－５方囊售号提取毫路及辩廖踅
这一章蒋先针对磊翦在我黧起步较暖并具有投好发展翦曩的ＤＳＰ麴暴统、芯片结构俸了篱肇静分绥，篡次碾蠢实际应蠲鬻要对基蘸戴瓣瓣煎镌ＴＭＳ３２０ＬＦ２４０７芯片的结构和其适合于电机控制的特点作了简要的介绍。ＤＳＰ在控制上的应用熬ＤＳＰ的主要应用领域之一。本章的最崩重点在ＴＭＳ３２０ＬＦ２４０７上用变Ｍ／Ｔ法实现对转台测速算法酾磺俘系统设计作了谨细的探讨。简洁商效的硬件设诗会大丈躐少软箨设诗袭任务爨，这对最终实臻对转台转速数毫精度黪灏董必将产生事半功倍的效果。
编码器测速方法的研究
第四章测速系统软件设计
系统要正常工作，需要有软件的配合。系统软件除了要完成对系统的硬件初始化外，还要完成对硬件电路的实时控制，对数据进行输入输出操作和数值的分析，并根据数据分析的结果作相应的处理。本文的整个应用软件用Ｃ和汇编语言的混合编程，并采用模块化结构设计程序。其目的在于提供较好的结构和可读性，以便于今后更好的将其中的子程序应用于其它场合。具体说来，软件的主体部分是用ＡＮＳＩＣ语言编写的，而例如小数除法或反正切函数这样的运算速度要求较高的函数是用汇编语言编写的，而且提供了与Ｃ语言兼容的接口，这样，可以从任一个Ｃ程序中调用相关的汇编语言，较好的实现了Ｃ和汇编语言的混合编程。本章正是从测速系统的软件设计出发，在充分的考虑了整个算法中可能遇到的问题之后，用Ｃ和汇编语言的混合编程及模块化结构设计的方法实现了用变Ｍ／Ｔ法实现对转台速度测量的软件设计。
４．２测速算法实现中的几个问题㈨
用ＴＭＳ３２０ＬＦ２４０７实现测速系统数字化的设计方法与目前常用的微处理器（如Ｚ８０，８０８６，ＭＳ一５１，ＭｃＳ一９６等）作控制器的设计方法相同。目前常用的方法有以下几种：模拟化设计、直接数字设计。本节仅介绍ＴＭＳ３２０Ｃ２０００实现数字化测速的几个实际问题：定点运算与定标；有限字长效应：上溢和下溢处理：软件结构设计。下面将对上述问题分别进行讨论。
４．２．１定点运算与定标
用ＴＭＳ３２０ＬＦ２４０７实现数字化测速算法也是一种有精度要求的运算，这种运算都是基于定点二进制补码表示的数。定点格式、如何定点将影响运算精度，不合适的定点表示将会引起不能接受的误差。
在定点ＤＳＰ芯片中，采用定点数进行数值运算，其操作数一般采用整型数表示。一个整型数的最大表示范围取决于ＤＳＰ芯片所给定的字长，一般为１６位或２４位。显然，字长越长，所能表示的数的范围越大，精度也越高。对定点ＤＳＰ
第四章测速系统软件设计
芯片而言，参与数值运算的数是１６位的整型数。但在许多情况下，数学运算中的数不一定都是整数。ＤＳＰ芯片对小数的处理是通过确定数的定标来实现的。
所谓数的定标，就是确定一个数的小数点处于１６位中的哪一位。通过设定小数点在１６位数中的不同位置，就可以表示不同大小和不同精度的小数了。数的定标有Ｑ表示法和Ｓ表示法两种。不同的Ｑ所表示的数不仅范围不同，而且精度也不相同。Ｑ越大，数值范围越小，但精度越高：相反，Ｑ越小，数值范围越大，但精度就越低。因此，对定点数而言，数值范围与精度是一对矛盾，一个变量要想能够表示比较大的数值范围，必须以牺牲精度为代价；而想提高精度，则数的表示范围就相应的减小。本文在实验程序设计中，为了提高精度，根据编码器位置取值范围为Ｏ～Ⅱ／４（即其对应的正切值为（０～１））的特点，确定运算中的定点数采用Ｑ１５的表示法（十进制数表示范围为一１≤Ｘ≤Ｏ．９９９９６９５），这样既可以保证其规定的取值范围，又可获得较高的精度。””
４．２．２有限字长效应
ＤＳＰ在处理数字控制算法中所包含的各种数时，都是用有限字长的数来表示的，这本身就意味着存在某种程度的误差。在程序设计中，应该考虑有限字长误差（量化误差）对于整个算法及测试结果乃至对正个闭环伺服控制系统的影响。
在数字伺服控制系统中，由量化引起的数值误差源有三个：
１）Ａ／Ｄ转换器的量化误差。在Ａ／Ｄ转换器中信号值通常以定点形式表示，整量
化单位ｑ（分辨率）是由字长Ｃ（无符号位）给出的。一个字长为Ｃ的十进制数字范围用符号ＺＢ表示：ＺＢ＝２。一１
则整量化单位是ｇ２去５歹ｊ２方
ｂｅｔｗｅｅｎｑｕａｎｔｉｚａｔｉｏｎｕｎｉｔａｎｄｕｎｓｉｇｎｅｄｗｏｒｄ字长Ｃ＝７～１５位的Ａ／Ｄ转换器的整量化单位列于表４—１中。Ｔａｂｌｅ４．１Ｒｅｌａｔｉｏｎ
表４一ｌ整量化单位与不带符号位的字长的关系
字长Ｃ（位）
数字范围ＺＢ
整量化单位ｑ（％）７１２７０．７８７８２５５０．３９２ｌＯ１０２３０．０９８１２４０９５０．０２４１５３２７６７０．００３２）数值的运算误差
——塑塑墨！！垄互堡堕塑篓一
叁予黎法运雾镬字长臻鸯鬟一餐，掰疆痤当按裁遐藏舍八楚理，获瑟会雩｝莛误差。出于加减法不会增加字长。因此不存在幽截尾或舍入带来的数德误差。３）参数域系数的存储误差
因为控制算法的诸系数也必须用有限字长的二谶制码预先设置，并存入预先豹工终攀元。
这蹙误差对系统往蘸静影响避不糟同的，Ａ／Ｄ转换器及数值运算弓ｊ遂静误差有相同之她，具体表现为平稳的随机噪声，可用统计方法来分析。系数存储误差等效于数字滤波器取不同输出端引起的效应，以及系统误差对系统零极点的影响。，
４。２．３上滋翱下溢处瑾
数字控制系统中的计算机通常采用２的补码定点运算。这种惯用的设计方法必须确定熬数值和小数位，若定点运算的“标点”您得不台适，会使运算结果太大对，谯黪选取静定点格式下不藐完全表示露发生滏赛。露栗对滋爨结票不作处理，可麓导致性能恶讫。所以，在系统中，必须采取防止溢出的捺施，亦郎转入正常工作的非溢出状态。即为了防止溢出，在编制软件时，应根据输入信号的动态范围，选取合适的定标系数，或者采取软件限幅。
４．２。４软终缝稳谩讨
在ＤＳＰ构成的数字伺服系统中，软件设计也威该应用模块化的原理与概念，遵循“自顶丽下”的递阶结构设计方法，把一个大型任务分解成若干个相互有联系的小任务模块。也就是说，落赡规划高层模块的黩标和约束条件，然后透层设诗关键经鼹麓模块，在主程痔熬楚铡下憝一个舔屡功缝模块煮凝这结会怒束完成系统所规定的任务。
此外，掇制软件采用模块化设计结构，可使软件开发和软件修改过稷更方便，软件可靠饿进一步提高。在伺服控制系统设计中应充分利用标准化形式的控制算法寒编露ｌ模浚亿较臀。在壤制程序辩，每～个软件模块瘦捧为一个子程序塞缀写，与主程廖之黼应兵有清晰丽有效的接弱赛蘑（参数传递、难棱使用……）。必了使模块的功能通用化，在每个模块运算中所用到的数据存取应使用间接释址，而
第四章测速系统软件设计
不使用直接寻址。除非这些变量的值为常数，才使用直接寻址方式。
总之，伺服系统控制软件采用模块化设计，结构清晰，可读性强，同时也可方便地对控制规律进行修改。如果要实现复杂控制算法，只需按照算法编成相应的模块，固化到ＢＰＲＯＭ中，通过模块的某种组合就可构成所需要的控制算法。这种积木式的软件，使用方便，是ＤＳＰ伺服系统的发展趋势。
ＤＳＰ芯片的高级语言和汇编语言混台编程。““““
用高级语言进行ＤＳＰ的开发是ＤＳＰ发展的重要方向。本论文的软件部分采用了ＤＳＰ芯片的汇编语言与ｃ语言的混合编程的方法，较好的实现了最初的预定目标，为实现在控制系统上用Ｃ语言开发ＤＳＰ做了初步的探索，也为今后用Ｃ等高级语言实现对ＤＳＰ的进一步开发打下了坚实的基础。
对于ＤＳＰ芯片的汇编语言编程和ｃ语言编程，这两种方式各有所长。用ｃ语言开发ＤＳＰ芯片，开发速度快，可读性好，可移植性好。而用汇编语言开发ＤＳＰ芯片则对ＤＳＰ芯片的软硬件资源利用充分，程序代码的执行效率高。在ＤＳＰ的运算能力比较宽裕，实时性要求不是很强的场合，利用Ｃ语言编程非常合适。在对运算速度以及实时性要求极高或者是在不能扩展外部存储器而且片内存储器又非常有限的条件下，就必须使用汇编语言了。由于Ｃ代码的执行效率与直接用汇编语言编程还是有一定的差距。所以多数人希望开发的ＤＳＰ程序可读性好、可移植性高、结构性好：同时又能在一定的条件下保证程序的执行效率，尤其是一些关键的算法及中断程序希望用汇编语言来编程。还有，ｃ语言对ＤＳＰ硬件的控制比汇编语言困难得多。而用汇编语言和ｃ语言对ＤＳＰ进行混合编程就可以弥补以上不足，既可以使程序具有较好的可读性和可移植性，又可使程序具有较高的效率，实践证明是编写实时ＤＳＰ程序的一种常用的方法。值得特别指出的是，在ＤＳＰ的高级语言编程中，除了ＡＮＳＩｃ语言之外，通过一定的步骤，ｃ＋＋，ＶＩＳＵＡＬＣ／Ｃ＋＋，甚至ＭＡＴＬＡＢ中的大部分程序都可以通过转化为Ｃ语言而直接在ＤＳＰ中运行。这可以大大缩短ＤＳＰ产品开发的周期。４．３
４．４程序设计在第三章硬件设计的基础上，遵循模块化的设计原则，用Ｃ和汇编语言混合
编码器测速方法的研究
编程的方法完成了本实验的软件部分设计。该软件将各个功能模块综合起来，按照主程序和中断程序两部分完成了整体程序的设计。具体说来，软件的主体部分是用ＡＮＳＩＣ语言编写的，而例如小数除法或反正切函数这样的运算速度要求较高的函数是用汇编语言编写的，而且提供了与Ｃ语言兼容的接口，这样，可以从任一个ｃ程序中调用相关的汇编语言，较好的实现了Ｃ和汇编语言的混合编程。起简要程序框图如图４—１和４—２所示。
设置ＥＶＡ，ＥＶＢ中的Ｔ１，Ｔ２，Ｔ３
设置中断方式，启动中断
＿
定时器２有溢出否？
■Ｔｌ有溢出否？
一
图４－１主程序流程图
．ＦｌｏｗＣｈａｒｔｏｆＭａｉｎＰｒｏｇｒａｍ
第四章测速系统软件设计
开始
关闭中断
求出计数值
设置定时器２时间常数Ｎ
满足精度要求？
读出标准时间计数值——』＜一
需要调节标准时间？
Ｙ输出测量值，求速度打开中断
计数溢出？设置定时器３时间常数
溢出处理
图４－２中断程序流程图
Ｆｉｇｕｒｅ４－２．ＦｌｏｗＣｈａｒｔｏｆＩｎｔｅｒｒｕｐｔＰｒｏｇｒａｍ
４．５本章小结
本章从软件设计的角度介绍了以变Ｍ／Ｔ法为基础，由ＴＭＳ３２０ＬＦ２４０７和ＣＰＬＤ在增量式编码器上实现对转台转速的测量的过程。本章在传统使用单片机等微处理器的基础上，首先针对用ＴＭＳ３２０ＬＦ２４０７实现测速算法中所遇到的几个实际问题：定点运算与定标、有限字长效应、上溢和下溢处理、软件结构设计进行了介绍，从中指出针对实际系统各种参数的需要确定合适的定标格式及采用模块化设计的重要性，并在此基础之上，详细讨论了语言编程（即汇编语言与ｃ语言混合编程）的问题。这些都为本文最终实现软件部分整体采用汇编语言与Ｃ语言混合编程、数据处理部分采用Ｑ１５定点数表示等方法打下了坚实的基础。
编码器测速方法的研究
第五章实验结果及结论
５＋１实验结果
在第三、四章测速系统软硬件设计的基础上，完成了对电机转速的测量。实验中的具体参数为：Ｐ＝２“，ｎ＝３２，，＝２０×１０３Ｈｚ。当转速为１７．２。／ｓ一１００。／ｓ，系统采样频率为Ｔｒ＝８００Ｃ／Ｓ时，用位置差分法很容易实现精度为０．１％的速度测量：而当转速为０．０１。／ｓ－－１７．２。／ｓ时，用上述方法便很难满足系统要求了，所以本文实验部分重点对转台低速转动时的速度进行了测量。由上述方法实验测得当转台低速旋转时，取（Ｃ．ｉ＋Ｉ－Ｃ。．）为１，测得（Ｃ。．一Ｃ。．）约为３４３２。所以，其对应
的测速结鼽矿＝等篆等她００４００ｌ（Ａ其测速精胁
￡＝％，＝％４３２￣００３０９％
图５－１显示了上述方法所得的转台低速转动的速度测试曲线。
一
套、
倒ｆ
ｏ
ｏ
ｏＶ
型
瑚
图５－１速度测试曲线
Ｆｉｇｕｒｅ５－１．ＳｐｅｅｄＭｅａｓｕｒｅｍｅｎｔＣｕｒｖｅ
由图可知：转台此时的速度为０．００４。／ｓ（小于０．００５。／ｓ的稳定值），速度峰一峰值为０．００１４／ｓ，相应的测量精度为０．０３０９％，实验结果符合系统最初设
第五章实验结果及讨论
计指标的要求。
５．２结论
转台是光电精密跟踪系统的重要设备。本文以７１８转台为实验对象，在详细的分析了各种脉冲计数的测速方法后，用ＤＳＰ和ＣＰＬＤ混合技术及变Ｍ／Ｔ法实现了对电机转速测量。具体而言，在速度开环状态下的低速转动测量时，用新型控制电机处理器ＴＭＳ３２０ＬＦ２４０７和ＣＰＬＤ及变Ｍ／Ｔ法在光电编码器上得到０．００４。／ｓ的低速测量结果，实验结果符合系统最初设计指标要求。
作者认为在测速的理论和实践方顽，还有许多工作有待于完成：
１．本文只对转台的低速性能进行了测试，而对其高速性能只进行了理论说明，
并未进行实际数据测试，这一部分工作有待进一步探讨；
２．本文在编码器与直流测速机低速测速结果的对比研究上，只讨论了纹波电压
的影响，而未对诸如直流测速机的线性度和温度稳定性等其他方面进行探讨，这些工作有待进一步研究；
３．实时转速测量和速度预测是本文尚未讨论的问题，如何针对系统要求设计出
相应的测速算法，以便更好的为控制系统服务等均是有待讨论的问题；
４．对于用Ｃ（等高级语言）及其与汇编语言混合编程的方法开发ＴＭＳ３２０Ｃ２０００”
是一个较新的课题，具体的编程技巧和开发方式也是一个从起步一成熟一完善的过程。如何将高级语言用于ＤＳＰ控制领域，以实现开发速度快、可读性好、可移植性好、结构简单的程序化设计还是一个有待研究的课题；
总之，ＤＳＰ用于电机转速的测量是一个较新的问题，还有许多内容需要研究，而且如何将实验室研究成果应用于工程实践等一系列问题均等待有志者的进一步研究与探讨。
编码器测速方法的研究
参考文献
［Ｉ］胡寿松．自动控制原理第三版．国防工业出版社．１９９４
［２］刘辉纯数字电影经纬仪控制系统．中科院长春光机所硕士论文．１９８７
［３］秦继荣，沈安俊现代直流伺服控制技术及其系统设计．第一版机械工业出版社１９９ｉ［４］李秋明，张羽飞等．转台控制系统数字化设计的研究．哈尔滨工业大学学报１９９８，３０（４）［５］赵闻常主编自动控制元件哈尔滨工程大学出版社１９９３
［６］徐承忠，王执铨，王海燕著．数字伺服系统．第一版，国防工业出版社．１９９４
［７］陈娟伺服系统低速特性与抖动补偿研究．中国科学院博士学位研究生学位论文．２００１，８［８］王建立，陈涛，陈娟，王世杰．提高光电经纬跟踪快速运动目标能力的一种方法光电Ｔ
程，２０００．Ｎｏ．２
［９］王建立，陈涛等．跟踪架频率特性的测试与数据分析，光学精密工程，２００１．Ｎｏ．４［１０］王建立．电视同轴跟踪技术研究工作汇报．中科院长春光机与物理研究所．２００１，９
［１ｉ］王建立，陈娟等．位置差分数字测速传递函数的推导．光学精密工程．２００１，Ｖ０１．９，Ｎｏ．ｉ［１２］李亚红控制系统的仿真ＭＡＴＬＡＢ计算机自动测量与控制
［１３１１９９６年４月Ｂ．Ａｒｍｓｔｒｏｎｇ—ＨｅｌｏｕｖｒｙＦｒｉｅｔｉｏｎａｌＭｅｍｏｒｙｉｎＳｅｒｖｏＣｏｎｔｒ０１．Ｐｒｏｃ．ｏｆｔｈｅＡｍｅｒｉｃａｎ
ＣｏｎｔｒｏｌＣｏｎｆｅｒｅｎｃｅ，Ｂａｌｔｉｍｏｒｅ，Ｍａｒｙｌａｎｄ，１９９４
［１４］熊经武，万秋华．２３位绝对式光电轴角编码器．光学机械．１９９０，Ｎｏ．２
［１５］刘丰文，邓文和．２５位绝对式编码器．２０００，Ｖ０１．２７，Ｎｏ．６
［１６］董丽丽，熊经武，万秋华．光电轴角编码器的发展动态．光学精密工程．２０００．Ｖ０１．８，
Ｎｏ．２
［１７］刘丰文．高精度绝对式编码器的信号处理．光电工程１９９９，Ｖ０１．２６，Ｎｏ２，６３’６７［１８］张彤，王作斌．微型计算机在光电轴角编码器中的应用．光学机械．１９８５，ＮＯ．４［１９］曹振夫．２６０Ｍ光电轴角编码器结构及原理．光学精密工程．１９９５，Ｖ０１．３Ｎｏ．５
［２０］吴凡，刘恩海，方玉廷．ＧＢＪ２８０高精度绝对式光电轴角编码器．光电工程２００１年１２
月
［２ｉ］丁林辉，编码器误差及精度检定讲义
［２２ＪＨｉｇｈ—ｒｅｓｏｌｕｔｉｏｎｅｎｃｏｄｅｒ，《ＭａｃｈｉｎｅＤｅｓｉｇｎ》，１９８７，Ｎｏ５
［２３］王秀兰，王磊，减小莫尔条纹细分误差的新方法．自动化与仪表，１９９１，ＶＯＬ．９，ＮＯ．５［２４］熊经武，王永臣，莫尔条纹乘法倍频．仪器仪表学报，１９８４年，ＶＯＬ，５，ＮＯ．２
［２５］千作斌．莫尔条纹信号的快速细分方法．长春光学精密机械学院学报，１９９１，ＶＯＬ．１４，
Ｎ０２
［２６］浙江大学，莫尔条纹的电子学细分，１９７６［２７］李怀琼，陈钱等一种用软件来实现的莫尔条纹数字化细分技术．计量技术．２０００，Ｎｏ．３
参考文献
［２８］张彤，王作斌．微型计算机在莫尔条纹信号细分中的应用，长春光学精密机械学院学
报．１９８５，Ｎｏ．２
［２９］朱应时，高正交关系的莫尔条纹信号光学机械，１９８６，ＮＯ．３
［３０］苏绍景，吕海宝，李圣恰．基于ＤＳＰ的宽动态范围莫尔条纹计数与精密细分技术，现代
电子技术２００１年４月
［３１］王作斌．计算法细分的迸一步探讨．长春光学精密机械学院学报１９８７，Ｎｏ．１
［３２］［美］Ｐａｕｌｓ．Ｒ．Ｃｈｉｓｈｏｌｍ等著．ｃ语言编程常见问题解答，清华大学出版社２００１
［３３］ＴＭＳ３２０Ｆ／Ｃ２４ｘ
［３４］ＴＭＳ３２０Ｆ／Ｃ２４０
ＲｅｆｅｒｅｎｃｅＤＳＰＣｏｎｔｒｏｌｌｅｒｓＣＰＵａｎｄＩｎｓｔｒｕｃｔｉｏｎＳｅｔ，ＴｅｘａｓＩｎｓｔｒｕｍｅｎｔ．１９９９ＤＳＰＣｏｎｔｒｏｌｌｅｒｓＰｅｒｉｐｈｅｒａｌｓＬｉｂｒａｒｙａｎｄＳｐｅｃｉｆｉｃＤｅｖｉｃｅｓＧｕｉｄｅ．ＴｅｘａｓＩｎｓｔｒｕｍｅｎｔ．Ｊｕｎｅ１９９９
［３５］ＴＭＳ３２０ＬＦ／Ｃ２４０ｘＤＳＰＣｏｎｔｒｏｌｌｅｒｓＳｙｓｔｅｍａｎｄＰｅｒｉｐｈｅｒａｌｓＲｅｆｅｒｅｎｃｅＧｕｉｄｅ，Ｔｅｘａｓ
Ｉｎｓｔｒｕｍｅｎｔ．Ｊａｎｕａｒｙ２０００
［３６］ＣｏｄｅＣｏｍｐｏｓｅｒＵｓｅｒ’ｓＧｕｉｄｅ，ＴｅｘａｓＩｎｓｔｒｕｍｅｎｔ．１９９９
ｓ［３７］ＴＭＳ３２０Ｃ１ｘ／Ｃ２ｘ／ｃ２ｘｘ／ｃ５ｘ
２０００ＡｓｓｅｍｂｌｙＬａｎｇｕａｇｅＴｏｏｌＵｓｅｒ’ｓＧｕｉｄｅ，ＴｅｘａｓＩｎｓｔｒｕｍｅｎｔ．
［３８］Ｔｍｓ３２０ｃ２ｘ／Ｃ２ｘｘ／Ｃ５ｘＯｐｔｉｍｉｚｉｎｇＣＣｏｍｐｉｌｅｒＵｓｅｒ’ｓＧｕｉｄｅ．ＴｅｘａｓＩｎｓｔｒｕｍｅｎｔ．１９９９
［３９］王念旭等编著．ＤＳＰ基础与应用系统设计．北京航空航天大学出版社．２００１年８月
［４０］ＴＭＳ３２０Ｃ２ｘｘ高速数字信号处理器原理与应用．北京闻亭科技发展有限公司．１９９８
［４１ｊ胡』’书编著数字信号处理理论、算法与实现．北京．清华火学出版社．１９９７
［４２］王念旭等编著．ＤＳＰ基础与应用系统设计．北京航空航天大学出版社．２００Ｉ
［４３］张雄伟编著．ＤＳＰ芯片的原理与应用．北京．电子工业出版社．１９９７
［４４］黄风英主编．ＤＳＰ原理与应用．南京．东南大学出版社，１９９７
［４５］谭浩强编著Ｃ程序设计．清华大学出版社．１９９７
［４６］陈亮，张雄伟．ＴＭＳ３２０Ｃ２ＸＸ的软件开发调试．电子工程师．１９９９，Ｎｏ．７
［４７］胡洪凯，郑红，吴冠．ＴＭＳ３２０Ｃ５４ＸＤＳＰ混合编程的方法研究．电子技术应用．２００ｉ，Ｎｏ
［４８］张春，王志华．ＡＤＳＰ２ＩＸＸＤＳＰ的Ｃ和汇编混合编程技术．计算机应用．１９９９，Ｎｏ．８
［４９］ＤＳＰＳｏｌｕｔｉｏｎｆｏｒＢＬＤＣＭｏｔｏｒｓ．ＴｅｘａｓＩｎｓｔｒｕｍｅｎｔ．１９９７
Ｃｏｎｔｒ０１．Ａｕｔｈｏｒｓ：Ｋａｉ８［５０］ＵｓｉｎｇｔｈｅＴＭＳ３２０Ｃ２４ＸＤＳＰＣｏｎｔｒｏｌｌｅｒｆｏｒＯｐｔｉｍａｌＤｉｇｉｔａｌ
Ｍ．Ｃｈｕｎｇ，ＡｓｔｒｏＷｕ，ＴｒｅｓｎａＨｉｄａｊａｔ．ＴｅｘａｓＩｎｓｔｒｕｍｅｎｔ．１９９８
［５１］ＭｏｔｏｒＳｐｅｅｄＭｅａｓｕｒｅｍｅｎｔＣｏｎｓｉｄｅｒａｔｉｏｎｓＷｈｅｎＵｓｉｎｇＴ船３２０Ｃ２４ｘＤＳＰｓＳｈａｍｉｍ
Ｃｈｏｕｄｈｕｒｙ．ＴｅｘａｓＩｎｓｔｒｕｍｅｎｔ．２００１，８
ＳｙｎｃｈｒｏｎｏｕｓＭｏｔｏｒ［５２］Ｄｉｇｉｔａｌ
ＴｅｘａｓＳｉｇｎａｉＰｒｏｃｅｓｓｉｎｇＳｏｌｕｔｉｏｎｓｆｏｒＰｅｒｍａｎｅｎｔＭａｇｎｅｔＩｎｓｔｒｕｍｅｎｔ．１９９７
［５３］ＤｉｇｉｔａｌＳｉｇｎａｌＰｒｏｃｅｓｓｉｎｇＳｏｌｕｔｉｏｎｓｆｏｒＡＣＩｎｄｕｃｔｉｏｎＭｏｔｏｒ．ＴｅｘａｓＩｎｓｔｒｕｍｅｎｔ．
编码器测速方法的研究
１９９８
［５４】ＩｍｐｌｅｍｅｎｔａｔｉｏｎｏｆａＳｐｅｅｄＦｉｅｌｄＯｒｉｅｎｔｅｄＣｏｎｔｒｏｌｏｆ３－ｐｈａｓｅＰＷＳＭＭｏｔｏｒｕｓｉｎｇ
ＴＭＳ３２０Ｆ２４０．ＥｒｗａｎＳｉｍｏｎ．ＴｅｘａｓＩｎｓｔｒｕｍｅｎｔ．１９９９
［５５］ＴａｂｌｅＬｏｏｋ－ｕｐａｎｄＩｎｔｅｒｐｏｌａｔｉｏｎ
９９７ｏｎｔｈｅＴＭＳ３２０Ｃ２ＸＸ，ＴｅｘａｓＩｎｓｔｒｕｍｅｎｔｓＩｎｃ，ｌ
［５６］ＤｉｇｉｔａＩＭｏｔｏｒＣｏｎｔｒｏｌＳｏｆｔｗａｒｅＬｉｂｒａｒｙ．ＴｅｘａｓＩｎｓｔｒｕｍｅｎｔｓ，Ａｕｇｕｓｔ２００ｔ
［５７］ＡＣＩｎｄｕｃｔｉｏｎＭｏｔｏｒＣｏｎｔｒｏｌＵｓｉｎｇＣｏｎｓｔａｎｔｖ／ｚＰｒｉｎｃｉｐｌｅａｎｄＳｐａｃｅＶｅｃｔｏｒＰ硼
ＴｅｃｈｎｉｑｕｅｗｉｔｈＴｍｓ３２０Ｃ２４０．ＺｈｅｎｙｕＹｕａｎｄＤａｖｉｄＦｉｇｏｌｉ．ＴｅｘａｓＩｎｓｔｒｕｍｅｎｔ．１９９８
［聃］ＤｉｇｉｔａｌＳｉｇｎａＩＰｒｏｃｅｓｓｉｎｇＳｏｌｕｔｉｏｎｓｆｏｒＭｏｔｏｒＣｏｎｔｒｏｌＵｓｉｎｇｔｈｅＴＭＳ３２０Ｆ２４０
ＯＳＰ—Ｃｏｎｔｒｏｌｌｅｒ．Ａｕｔｈｏｒ：Ｓ．ｇｅｊｅｒｋｅ．ＥｓｌＥＥ．ＴｅｘａｓＩｎｓｔｒｕｍｅｎｔ．１９９６
［５§］俺立黩．ＭＣＳ－５１系裂单鸶搬寂翅系统设计一系统酝鬻毒接曩。ｊ￡豪靛空靛天天学是叛
桂。１９８７
［６０］柳义利，＃Ⅱ海霞等．高速逢缨频率测量．电子测量技术
［６１］魏刚，黄志辉等．用Ｃ语言编制精确定时软件实现转遵测量．电子技术．２００１，Ｎｏ．１０
［６２］邱宏蜜，朱治富．一种高精度旋转编码器单片机技术电路的实现．计算机自动测量与控
涮．２０００．８（３）
（６３】陈敬泉，尔联活等．焉Ｐ８９ＣＳｌＲＣ＋ｌＡ帮Ｅ《Ｐ７０６４Ｓ实璃转速潲量，电子技术应潮，２００１，
Ｎｏ１０
［６４］朱大奇．一种高精度测频电路设计．电气与自动化．１９９７，Ｎｏ．４
［６５］张锦江，陈兴林等．三轴转台遽攀的数字实现．中国惯饿技术学报．１９９９，Ｎｏ。７
［秘］耱英撼，舄糍瓣．孳片辍转速转教数字霾ｌ量系统，测试鼓零
［６７］孙德．肇片橇控制的步迸电枫鑫适应调速方法．电子岛蠡动佬．１９９９，Ｎｏ。１
［６８］高玉琴．一种全数字高精度转速测量方法
［６９］王连明，葛文奇，谢慕君．采样贼率、系统延迟对跟踪系统稳定性能的影响．光学精密
工程，２０００年８月
［７０］余馥袭．髑攘嚣法测量转速瓣方渡搽讨．诗量与弱试技本．２００１，Ｎｏ。６
［７ｌ】榜川，魏滋钦，１４，攘．离密麓在系统可编程逻辑器件在全数字转速涮量申昭应磺．制
造业自动化．２０００，Ｎｏ．７
［７２］刘亚求，攀从心，王小新．用ＰＣ定时器实现步进电机控制脉冲微秒级精确定时的方法．
测控投术，２００１，Ｖ０１．２０，Ｎｏ．１０
［７３ｊ强涛，豢承意，ｔｔ７－蘸频方法麓鹾巍，长春光学捧密掇械擎貔擎掇．２００１冬３弼
［７４】危金《辉，稼德田，徐锈袜．测试系统豹精确定对闻题及解决方案．计葬枫鸯秘测量与控
制．２００１，Ｎｏ．３
［７５］曹坤，郝奎，夏超英．ＡＤ＾ｌＣ４０１测速分析及实用算法．电气自动化．２００１，Ｎｏ，４３８
致谢
致瀣
在此论文完成之际，首先向导师陈涛研究员袋示深深的谢意。感谢导师在
我攻读硕士学位期间给予的学术上的指导、实际动手能力的培养、实骏工作的全
力支持以及生活上静关心和照黩。昧老师扎实的理论功底、丰富斡实践经验、敏
捷的愚维鞫锐意逶取敢于锇薪豹时代精褥使我终巍受益，它将激藏我永远淘羞更
高的目标努力拼搏。
感谢光电研究部电子学组桶华、曹永刚、王芳、卢洪玉、王庆延、苏宛新、
刘栖山、王地男、于惠珠等各位老师在我学习期阈对生活和工作上给予的大力支
强纛帮韵，楚悠销挺筷了尽露熬戆经巅磊释帮王终缎验方嚣豹援罨，筏我矮弱熬
完成了学业和毕业设计，在这羼，我向他们表示忠心的感谢。
感谢李贵生老师在我整个学习期间给予的帮助。李老师严谨的治学态度，忘
我的工作精神，谦逊的学者风范，对新知识不懈追求的欲望及其乐观的处事态度
绘我整下了深劐懿印象。特别怒｛瞧独巨匠心、鑫枣菩麓教豹培姜方式，谈泼褒这短
暂的两年中，在基础知识幂妥动手能力方面都有了一怒程度的提高。是套老师缨心
到位的指导，使我在这个新的领域有了正确的起步，并将沿着这一方向继续不懈
的追求、探索。
感谢哭惑舞、刘杰两位老炳在理论和实验方蕊给予的全力帮助和攒鼯。是毡
稍靠叁己享鬻瓣实筏经验对我掰遴霹题懿分辑释警，才使我麓鼷弱戆完戏毕监论
文。在这里，我向他们表示最诚挚的谢意。
感谢陈娟、王建立、翟百服、吉桐柏、韩晓泉镣师姐师兄弟们在论文的撰写
过程中所掇始合理化建议，及整个硕士期间给予我的帮助。
感谢我懿澍学粥在漾蘑骚究粒沦文撰写，殴及燕个攻读矮±蘩窝绘予获懿无
私帮助。
感谢研究生部各位老师在我攻读硕士期间对我缴活、学习上的热情帮助与照
顾。感谢掰蠢謦经关心和蘩韵过我翁人们。
编码器测速方法的研究
作者简介
赵岩（１９７５一），女，吉林省长春市人。１９９８年毕业于吉林工学院轻纺工程
系。现在中科院长春光学精密机械与物理研究所攻读硕士学位。主要从事编码器测速方法的研究和ＤＳＰ开发方面的工作。
作者在攻渎硕士期间所发表的文章
１．赵岩，刘杰，陈涛，王建立
２００２年第十期“数字测速方法的研究”，《光机电信息》
４０
编码器测速方法的研究
作者：
学位授予单位：
被引用次数：赵岩中国科学院研究生院(长春光学精密机械与物理研究所)2次
本文读者也读过(4条)
1. 焦东升.张秀彬.应俊豪.Jiao Dongsheng.Zhang Xiubin.Ying Junhao 基于正交编码器高精度测速方法的研究
[期刊论文]-微型电脑应用2010,26(10)
2. 宋刚.秦月霞.张凯.胡德金 基于普通编码器的高精度测速方法[期刊论文]-上海交通大学学报2002,36(8)
3. 郭李艳.何萍.李美莲.GUO Li-yan.HE Ping.LI Mei-lian 一种应用TMS320F2812和编码器测量电机转速的方法
[期刊论文]-桂林航天工业高等专科学校学报2007,12(3)
4. 葛芦生.张英杰.王兆聚 脉冲编码器、测速发电机性能自动测试分析系统[期刊论文]-工业仪表与自动化装置2001(5)
引证文献(2条)
1.李新安.李秀娟 基于FPGA和PCI的高精度测速板卡的设计与实现[期刊论文]-现代电子技术 2010(21)
2.王延军.纪文刚.吴立志.代峰燕.孙法强 超低速运动提拉装置的系统设计与应用[期刊论文]-北京石油化工学院学报 2009(1)
本文链接：http://d.g.wanfangdata.com.cn/Thesis_W024158.aspx
中国科学院研究生院（长春光学精密机械与物理研究所）
硕士学位论文
编码器测速方法的研究
姓名：赵岩
申请学位级别：硕士
专业：机械电子工程
指导教师：陈涛
20030101
图表索弓
图表索弓
图ｉ－Ｉ
图２－ｉ
图２－２
图２－３
图２—４
图２－５
图２－６
图２—７
图２－８
图２－９
图３一ｌ
图３—２
图３－３
图３—４
图３—５
图４—１
图４－２
图５一ｌ
表２－ｌ伺服系统基本结构组成．．．．…．．．．，．．．．．．．．．．・・・・电机输出的电势波形．．．…．．．．，・・…．．．－・一…・・・基本光电脉冲发生器的部分分解示意图．．．．．．．．．．．．．．．光电脉冲发生器的输出波形．．．．．．．．．。．．．．．．．－－・－．．●●卫巧托。溜ｃ？ｕ●，●●●●●●●ｍ法测速原理图．．，…．－．…．－．・－…．．・・．・・・・・－Ｔ法测速原理．．．．．．．．．．．．・・…・・・．…－．．・・・．－・Ｍ／Ｔ法测速原理．．．一．－．．．。．－．－．．－…．．＋・，．・・．．・变Ｍ／Ｔ法测速原理．……．．．．．－．－．．＋．．．－．．＋．．．－高速、高精度、连续测量方案原理一．．．．…．．．．．．．．．．多周期同步测频法测速原理．．…．．…，．．．．．．。．．．．．编码器输出信号波形图．……．。．．．．．＋．。．．．．．．．．。系统原理框图．，．…．．．＋。．．．．．．．．．．．．．．．．＋．．．．．码盘脉冲倍频电路框图．．…．．．．．…，．．．．．…．．．．捕获脉冲输出控制电路及时序图．．．．…．．．．．．…．．．．方向信号提取电路及时序图．．。．．．．．．…．．．＋．。．．．．．主程序流程图．．．．．．．．…．．．．．。．。．．．．．．．．．．．．．，中断程序流程图．…．．。．．．．．．．．．．…．．．，．．．．．．．速度测试曲线．．．．．。．．…．．…．…．．．．．，．。．．．．．数字脉冲的测速计算公式．．．．．．．．．．．．．．．…．．．．．．．
模拟控制系统与数字控制系统优劣性比较．．．．．．．＋．．．．．．●●●●●●●●●●Ｍ垢埔●●●●●●●●弘孔弱拍打弛弘明坞ｎ●●●●●●，●●●●●●●●●●●●●表３一ｌ
表４－Ｉ●整量化单位与不带符号位的字长的关系…．．．．．．．．．．．．●●，犸
中国科学院研究生院硕士学位论文
摘要
光电精密跟踪技术是航空航天测控领域中的一项核心技术。跟踪伺服系统作为光电精密跟踪系统的硬件设备，在光电精密跟踪系统的研制中起着极其重要的作用。跟踪伺服系统的位置精度，速度精度和速度平稳性是光电跟踪系统设计的重要指标。因此，伺服系统的测速问题一直是人们不断探索的课题。
随着数字化进程的不断推进，伺服系统的全数字化是今后发展的必然趋势，然而如何解决实时性则是数字控制的关键问题。目前，ＤＳＰ（特别是ＴＭＳ３２０系列）发展起来，为伺服系统的全数字化奠定了物质基础，使得现代控制理论工程实用化。本文正是从这一角度出发，在测速系统中，重点以７１８转台为实验对象，在控制系统速度环开环的情况下，用光电编码器，借助于最新的控制系统数字信号处理器ＴＭＳ３２０ＬＦ２４０７及一定的测速算法——变Ｍ／Ｔ法，实现了对转台转速高精度测量的目的，为迸一步实现伺服系统的全数字化打下了坚实的基础。本文的主要的研究工作如下：
首先，在综合分析了影响模拟量和数字量测速的基础上，对基于数字脉冲计数的测速方法进行了全面的研究。对最终确定用变Ｍ／Ｔ法在ＴＭＳ３２０ＬＦ２４０７上实现对电机低速转速测量的实验方案，提供了理论依据，也为进一步提高测速精度和扩展测速范围提供了有利的保障。
其次以ＴＭＳ３２０ＬＦ２４０７与ＣＰＬＤ为核心构成了测速系统，并完成了用变Ｍ／Ｔ法实现对电机低速转速的测量。关键词：ＴＭＳ３２０ＬＦ２４０７，编码器，变Ｍ／Ｔ法
塑塑墨！！垄塑垄塑翌塞—一ＡＢＳＴＲＡＣＴ
Ｔｈｅｏｐｔｏｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃ（０一Ｅ）ｐｒｅｃｉｓｅ
ｉｎｔｈｅｆｉｅｌｄｏｆｔｒａｃｋｉｎｇａｎｄｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙｌＳａｃｏｒｅａ
ａｔｅｃｈｎｏｌｏｇｖｈａｒｄｗａｒｅｎａｖｉｇａｔｉｏｎ，ｔｅｓｔｃｏｎｔｒｏｌ（ＴＴ＆Ｃ）．Ａｓｓｅｒｖｏｏｆ０一Ｅｐｒｅｃｉｓｅｔｒａｃｋｉｎｇｓｙｓｔｅｍ，ｔｒａｃｋｉｎｇｓｙｓｔｅｍｐｌａｙｓ
ｐｒｅｃｌＳｌｏｎｋｅｙｒｏｌｅｉｎｔｈｅｍａｎｕｆａｃｔｕｒｉｎｇｏｆｉｔ．ＰｏｓｉｔｌｏｎｐｒｅｃｌＳｌｏｎｓｐｅｅｄ
ａｎｄｓｐｅｅｄｓｔａｂｉｌｉｔｙａｒｅｉｍｐｏｒｔａｎｔｆａｃｔｏｒｓｉｎｔｈｅｄｅｓｉｇｎｏｆＯ－Ｅｔｒａｃｋｉｎｇ
ｔｈｅｐｒｏｂｌｅｍｏｆｓｐｅｅｄ—ｍｅａｓｕｒｉｎｇｉｓａｃｏｎｔｉｎｕｏｕｓｓｔｕｄｙｔａｓｋｉｎｓｙｓｔｅｍ．ＳＯ
ｓｅｒｖｏＳｙｓｔｅｍ．
ｆｓｔｈｅｄｉｇｉｔａｌｐｒｏｃｅｓｓｉｓｓｐｅｅｄｉｎｇｕｐ，ａｔｏｔａｌｄｉｇｉｔａｌｉｚｅｄｍｅｔｈｏｄｏｆ
ｈｏｗｔｏｓｏｌｖｅｄｉｇｌｔａｌｓｅｒｖｏｓｙｓｔｅｍｉＳａｎｅｃｅｓｓａｒｙｔｒｅｎｄｉｎｆｕｔｕｒｅ，ｈｏｗｅｖｅｒ
ｋｅｙｐｒｏｂｌｅｍ．Ａｔｐｒｅｓｅｎｔ，ｔｈｅｄｅｖｅｌｏｐｍｅｎｔｏｆ
ｆｏｒｔｈｅＤＳＰ（ｅｓｐｅｃｉａｌｌｙｔｈｅｓｅｒｉａｌｏｆＴＭＳ３２０）ｓｅｔｔｌｅｔｈｅｍａｔｅｒｉａｌｂａｓｅｍｅｎｔ
ｔｏｔａｌｄｉｇｉｔａｌｉｚｅｄｍｅｔｈｏｄｏｆｓｅｒｖｏｓｙｓｔｅｍ，ａｎｄｍａｋｅｔｈｅｍｏｄｅｒｎｃｏｎｔｒｏｌｃｏｎｔｒｏｌｉｎｒｅａｌｔｉｍｅｂｅｃｏｍｅａｔｈｅｏｒｙｐｒｏｊｅｃｔｐｒａｃｔｉｓｅｉｎｒｅａｌｔｉｍｅ．ＡｃｃｏｒｄｉｎｇｔｏｔｈｌＳ
ａｓａｎａｓｐｅｃｔ，ｌｎｔｈｅｓＤｅｅｄ—ｍｅａｓｕｒｉｎｇｓｙｓｔｅｍ，ｔａｋｉｎｇｔｈｅ７１８ｇｉｍｂａｌｓｍｏｄｅｌ
ｃｉｒｃｕｍｓｔａｎｃｅｏｆｏｐｅｎ１００ｐｃｏｎｔｒｏｌｓｙｓｔｅｍ，ｔｈｉｓ
ｒｅａｌｉｚｅｈｉｇｈｌＹａｃｃｕｒａｔｅｍｅａｓｕｒｅｓｏｂｊｅｃｔ，ｉｎｔｈｅｔｈｅｅｎｃｏｄｅｒｔｏｍｅａｎｓｐａｐｅｒｕｓｅｆｏｒｔｈｅｓｐｅｅｄｏｆｍｏｔｏｒｂｙｏｆｔｈｅｌａｔｅｓｔｄｉｇｉｔａｌＳｉｇｎａｌｐｒｏｃｅｓｓｏｒ（ＤＳＰ）ＴＭＳ３２０ＬＦ２４０７，ａｎｄａｓｏｍｅａｒｉｔｈｍｅｔｉＣ—ｔｈｅｍｅｔｈｏｄｓｏｆａｌｔｅｒａｂｌｅＭ／Ｔ．ＴｈｉＳｅｓｔａｂｌｉｓｈｅｓａｆｉｒｍｂａｓｅｍｅｎｔｆｏｒｔｈｅｆｕｒｔｈｅｒｒｅａｌｉｚａｔｉｏｎｏｆ
ｍａａｔｏｔａｌｄｉｇｉｔａｌｉｚｅｄｍｅｔｈｏｄｉｎａｓｓｅｒｖｏｓｙｓｔｅｍ・ＴｈｅＪｎｒｅｓｅａｒｃｈｃｏｎｔｅｎｔｓａｒｅｆｏｌｌｏｗｓ：
Ｆｉｒｓｔ．ｉｎｆｌｕｅｎｃｉｎｇｆａｃｔｏｒｓｏｆａｎａｌｏｇｕｅａｎｄｄｉｇｉｔａｌｓｐｅｅｄ—ｍｅａｓｕｒｉｎｇａｒｅｄｉｓｃｕｓｓｅｄｉｎｄｅｔａｉｌ，ｔｈｅｍｅｔｈｏｄｓｏｆｍｅａｓｕｒｉｎｇｓｐｅｅｄｂａｓｅｄ
ａｒｅｏｎｄｉｇｉｔａｌｐｕｌｓｅｃｏｕｎｔｉｎｇｃｏｍｐｒｅｈｅｎｓｉｖｅｌｙｓｔｕｄｉｅｄ，ｗｈｉｃｈｐｒｏｖｉｄｅｔｈｅｏｒｅｔＩＣｂａｓｅｓ
ｆ。ｒｅｓｔａｂｌｉｓｈｉｎｇｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔａｌｐｒｏｊｅｃｔｕｓｅｄｔｈｅｍｅｔｈｏｄｓｏｆａｌｔｅｒａｂｌｅＭ／Ｔａｎｄｐｏｓｉｔｉｏｎｄｉｆｆｅｒｅｎｃｅ
ｐｒｏｖｉｄｅｐｏｗｅｒｆｕｌｔｏｒｅａｌｉｚｅｌｏｗｓｐｅｅｄｍｅａｓｕｒｌｎｇｆｏｒｍｏｔｏｒ，ａｎｄｉｍｐｒｏｖｉｎｇｔｈｅｐｒｅｃｉＳｉｏｎｏｆｇｕａｒａｎｔｅｅｆｏｒｆａｒｔｈｅｒｌｙ
ｏｆｓｐｅｅｄ—ｍｅａｓｕｒｉｎｇａｎｄｅｘｔｅｎｄｉｎｇｔｈｅｒａｎｇｅ
Ｓｅｃｏｎｄｌｙ，ｔａｃｈｏｓｙｓｔｅｍｓｐｅｅｄ—ｍｅａｓｕｒｉｎｇ．ａｎｄＣＰＬＤ，ｉｓｍａｉｎｌｙｍａｄｅｕｐｏｆＴＭＳ３２０ＬＦ２４０７
１０ｗｓＤｅｅｄ—ｍｅａｓｕｒｉｎｇｆｏｒｍｏｔｏｒｉｓｃｏｍｐｌｅｔｅｄｂｙｔｈｅｍｅｔｈｏｄｏｆａｌｔｅｒａｂｌｅＭ／Ｔ．Ｋｅｙｗｏｒｄｓ：ＴＭＳ３２０ＬＦ２４０７，Ｅｎｃｏｄｅｒ，ｔｈｅＭｅｔｈｏｄｏｆＡｌｔｅｒａｂｌｅＭ／Ｔ
第～章绪论
第一章绪论
１．１测速系统研究的目的和意义
在科学技术高度发展的今天，国防科学技术是衡量各国科技发展程度
的重要标志，大量科技研究力量和投资都用于国防科技发展中。光电精密跟踪技术是国防领域中的一项核心技术。跟踪伺服系统在精密跟踪系统的研制中起着极其重要的作用。跟踪伺服系统的速度精度和速度平稳性是光电跟踪系统设计的重要指标。因此设计高精度高分辨率的测速系统显得尤为重要。
１．２测逮系统的现状“‘３。”’６““’６““’６８１
迄今为止，测速可分为两大类：模拟电路测速和数字电路的测速。随
着电子技术的发展，数字测速技术的进步，数字测速性能的提高，使数字测速受到人们更多的重视。微电子技术的发展，计算机技术的广泛应用，出现了以计算机为核心的数字测速装置。这样的速度测量装置测量范围宽，工作方式灵活多变，适应面广，具有普通数字测速装置不可比拟的优越性。［∞，６２，∞，６４，６８】
目前，在数字系统中测速装置主要分为两类。一类是把测速机的模拟
输出信号经Ａ／Ｄ变换为数字量，然后输入到计算机中。这是一种比较成熟的测速方法。其优点是响应速度快，时间延迟小，其缺点是测速机灵敏度低，寿命短，而且必须安装测速机。特别是与力矩电机配合使用的高灵敏度测速机情况更是如此。此外速度分辨力和量化误差受到Ａ／Ｄ转换芯片的位数限制。例如一个ｎ位的Ａ／Ｄ转换芯片，考虑到正负转向，其最大测速比为：Ｄ＝２”１，如果系统要求的最高转速为Ｖｍａｘ，则系统的最高分辨率为Ｖｍａｘ／Ｄ＝Ｖｍａｘ／２“。‘”
另一类方法是直接采用数字测速。随着数字测速的完善和发展，在速
度回路中用它来代替直流测速机，不但可提高测速精度，扩大测速范围，还可大大简化系统体积结构，这对设计高精度、高分辨率、小型化的测速
编码器测速方法的研究
系统显得尤为重要。数字测速是多种多样的，有脉冲测速机，光栅盘等。目前使用最广泛的是增量式码盘。在闭环伺服控制系统中，根据脉冲计数来测量转速的方法有下列几种：Ｍ法、Ｔ法，以及后来发展的Ｍ／Ｔ法、变Ｍ／Ｔ法等。而多周期同步测频法是近期在发展变Ｍ／Ｔ法基础上发展起来的。各种方法有其各自的优点及其具体的适用与范围。。“
就本课题所研究的光电跟踪设备而言，其跟踪伺服控制系统由高低角
和方位角伺服控制系统组成，用于驱动跟踪架跟踪并拍摄高低空飞行目标，确定目标参数。主要伺服控制系统组成结构如图卜１所示。通常采用速度回路和位置回路二环控制。跟踪伺服系统的速度精度及低速平稳性是评价转台性能好坏的重要标志。测量元件、反馈元件的误差（角位置测量误差，速度测量误差）是一种有规律的误差，它将引起转台产生有规律的速度波动，而且这种速度误差不能通过改变控制系统的参数来消除或减小。所以在测速系统中选择适宜的测量元件和反馈元件，以尽量减小其自身的误差，对提高系统的测量精度及平稳性将有重要的意义。
图卜ｌ伺服系统基本组成结构
Ｆｉｇｕｒｅｌ一１．Ｂｌｏｃｋｄｉａｇｒａｍｏｆｓｅｒｖｏｓｙｓｔｅｍ
在伺服系统的速度回路中，通常采用直流测速机（或编码器）作为测
速元件来测量电机的输出速度，而在编码器上常采用位置差分法（即Ｍ法）实现对电机转速的测量。该方法的优点是固定采样周期测量，实现起来简单易行。在高速测量时，有较好的速度平稳性及较高的测量精度，而在低速时却会出现速度波动幅度大，平稳性差，且随着采样频率的提高，所测得的低速范围会变窄，测速精度随之下降等问题。所以随着仪器速度、加速度的动态性和跟踪要求越来越高，采用传统的角度位置差分法，以不能
第一章绪论
满足要求。系统急需找到一种满足上述要求的测速方法。针对上述问题
有必要对电机的低速测量问题及对于编码器的具体测速方法进行研究。
１．３论文主要研究工作
伺服控制技术经历了交磁电机扩大系统、磁放大器控制、晶体管控制、
集成电路控制、计算机控制的发展过程，至今已经进入了一个全新的鼎盛时期，其主要标志在于智能功率集成电路（ＳｍａｒｔＰｏｗｅｒＩＣ）和数字信号处理器（ＤｉｇｉｔａｌＳｉｇｎａｌ—Ｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇ．简称ＤＳＰ）的出现，使得伺服系统模块化和全数字化容易实现，长期以来建筑在现代控制理论或其他一些复杂控制算法基础上的控制原理得以快速在线计算及进行优化处理，从而把许多过去认为只能在理论上成立而在实际上无法应用的控制原理实用化。本文以美国Ｔｅｘａｓ仪器公司最新推出专用电机控制器ＴＭＳ３２０ＬＦ２４０７为例，在全面总结了多种测速方法基础上，研究了其结构特征和测速系统新型测速方法的软、硬件实现等问题。具体说来，本课题以７１８模型为实验对象，对编码器的测速方法进行了研究。主要研究工作如下：
１．根据数字测速的原理，确定了在数字信号处理器ＴＭＳ３２０ＬＦ２４０７上实现
对电机低速测量的实验方案。
２．详细比较了各种测速方法的性能后，选择用变Ｍ／Ｔ法完成对测速系统
的硬件电路与软件的设计及调试。
３．主要以ＴＭＳ３２０ＬＦ２４０７与ＣＰＬＤ为核心，并采用２３位绝对式编码器中的
１４位精码构成了测速系统，软件上采用Ｃ和汇编语言混合编程的方法
实现了对电机低速转速的测量。
实验结果表明：用变ｍ／Ｔ法解决了最初提出的传统方法测量力矩电机低速转动时，测速精度低，测速范围窄的问题，达到了实验研究的目的。
编码嚣测速方法的研究
第二章光电码盘测速方法研究
２．１引言
速度闭环控制系统因具有可提高伺服系统的调速范围，改善低速平稳性等优点，在对动态性能要求越来越高的伺服系统中，得到了越来越多的应用。测速装置是速度闭环控制系统中的关键部分，其速度分辨能力的高低是实现高精度、大范围速度测量的重要因素。对于不同的测速装置，其相应的测速元件选择标准以及所要采取的测速方法也有所不同，而且每种测速方法也有其各自的优缺点及适用范围，所以应根据实际系统的技术指标要求（如调速范围、测速精度等），选择适宜的测速方法，以满足系统的需要。
２．２测速元件的选择“’５
测速元件是速度闭环控制系统中的关键元件。为了扩大调速范围，改善低速平稳性，要求测速元件低速输出稳定、纹波小、线性度好。由于测速可分模拟量测速和数字量测速两种，所以对测速元件的选择也就自然的分为两类：模拟量测速元件和数字式测速元件。对于模拟量测速元件，通常采用直流测速发电机，它已被广泛应用于速度伺服系统中；对于数字式测速元件，为了便于计算机控制和提高测速性能，在机器人和数控系统中，通常采用光电式脉冲发生器（也称增量编码器）作为测速反馈元件。”１
２．２．１模拟测速元件的原理。１５１
直流测速发电机是一种把机械转速变换成电压信号的测量元件。１。它对伺服系统的最大贡献是为速度控制系统提供转轴速度负反馈。尽管它存在由于空气间隙和温度变化以及电刷的磨损而引起测速发电机输出斜率改变等问题，但它还具有在宽广的范围内提供速度信号的能力等优点，因此直流测速发电机仍是速度伺服控制系统中的主要反馈元件。实际上，它是一台微型直流发电机。一般来说，伺服系统对控制元件的基本要求是：精确度好、灵敏度高、可靠性好等。具体说来，直流测速发电机在电气性能方面应满足以下几项要求”“３：Ａ．输出电压要与转速成线性关系，并具有对称性，而且能保持稳定：
第二章光电码盘测速方法研究
８．输出特性的灵敏度高；
ｃ．输出电压的纹波小，即要求在一定的转速下输出电压稳定，波动小：Ｄ．电机的转动惯量要小，以保证响应速度快。
此外还要求高频干扰小，噪音小，工作可靠，结构简单，体积小和重量轻等。其中的几个关键性因素具体阐述如下：
灵敏度一即输出（特性）斜率，它是在额定的激磁条件下，单位转速（ｋｒ／ｍｉｎ）所产生的输出电压。通过对输出电压的测量，达到对转速测量的目的。
＾Ｅ厶△．：奁趱：阜４。１３
图２—１．电机输出的电势波形
ａ．单个绕组的输出电势
Ｆｉｇｕｒｅ２－ｌ‘Ｖｏｌｔａｇｅｂ．双绕组的输出电势ｗａｖｅｏｆｔａｏｔｏｒｏｕｔｐｕｔ
测速发电机的偏差可分为三种：纹波电压、线性度和温度稳定性。
纹波的影响”１：理想的情况下，任何转速时直流测速发电机的输出电压都应是平稳而恒定的直流电压。但是产生感应电动势的电枢绕组数不可能是无限的。单个绕组在一对极的磁场中旋转一周产生的电势是近似梯形的交变电势，经换向器整流后，输出为图２一ｌ所示的脉动电势。多个绕组的合成电势只能使这种脉动现象减小，但决不可能消除。因此，输出电压将总是呈现微小的脉动，称这种脉动现象叫做纹波。在一般系统中纹波电压频率较高，ＲＣ低通网络很容易将它滤掉。所以一般的调速系统对纹波要求并不高。但是，当用于阻尼作用和高精度速度、加速度反馈等要求较高的系统时，对纹波的要求就很苛刻了，需要研究整个测速范围的纹波电压。而在高精度的解算装置中则完全是不允许的。
测速机的纹波电压是影响系统速度性能的一个因素。它一般是转角的函数，但不一定成比例。由于纹波现象的存在，使得速度、加速度的测量精度因此降低，这也是模拟电路测速效果低于数字电路测速的原因所在。
线性度、温度稳定性的影响。１：直流测速发电机当工作在“额定”转速时，它的线性度特性一般是很好的（Ｏ．５％左右），但是当工作在较高转速时，应考虑
编码器测速方法的研究
非线性的问题。对于温度稳定性，它与磁铁的温度系数有关，在要求高的系统中，需要采用温度补偿技术。
２．２．２数字测速元件的原理“１
数字测速元件由光电脉冲发生器及检测装置组成。它们具有低惯量、低噪声、高分辨率和高精度的优点，有利于控制直流伺服电动机。脉冲发生器连接在被测轴上，随着被测轴的转动产生一系列的脉冲，然后通过检测装置对脉冲进行比较，从而获得被测轴的速度。
数字测量中用到的关键部件是光电编码器，俗称码盘。码盘是一种先进的角位移、角速度测量元件，也可作为模／数转换器，因其具有结构紧凑、可靠性好等优点，广泛地应用于数控机床、机器人、雷达、航空、航海水文及各种精密测角及高精度伺服电机的转速测量中。光电编码器可分为两种：绝对式光电编码器和增量式光电编码器。绝对式光电编码器具有固定的零点位置，一般用于雷达、指挥仪等军用系统中。增量式光电编码器则广泛用于速度闭环控制和位置增量控制系统中。它将角度信息转变成一列脉冲串，通过测量脉冲串的频率，达到对转速测量的目的。
光电脉冲发生器又称增量式光电编码器。最近广泛使用的数字测速元件就是光电式脉冲发生器，它是增量式光电编码器的一种，图２—２为其基本原理图。
光敏元件
ｆ放大整形Ｅ：嚣
光电转盘
图２—２基本光电脉冲发生器的部分分解示意图
Ｆｉｇｕｒｅ２－２．ＰｈｏｔｏｅｌｅｃｔｒｉｃｉｔｙＰｕｌｓｅＰｒｏｄｕｃｅｒＤｅｃｏｍｐｏｓｅＳｋｅｔｃｈＭａｐ
第二章光电码盘测速方法研究
它由光源、光电转盘、光敏元件和光电放大整形电路组成。光电转盘与被测轴连接，光源通过光电转盘的透光孔射到光敏元件上，当转盘旋转时，光敏元件便发出与转速成正比的脉冲信号。为了适应可逆控制以及转向判别，光电脉冲发生器发出两路（Ａ相、Ｂ相）相隔ｎ／２电脉冲角度的正交脉冲，输出波形如图２—３所示。通过对正交脉冲进行４倍频处理，以及脉冲计数电路对４倍频脉冲信号进行计数，由ＣＰＵ采样，并与固定频率的高频时钟脉冲的计数值比较、计算后得到被测伺服电机的转速。在某些编码器中，常备有用作参考零位的标志脉冲或指示脉冲，用来指示机械位置或对累积误差清零。
在闭环控制的ＰＷＭ伺服系统中，对测速装置的质量要求比较高，通常应满足：Ａ．高分辨率分辨率表征测量装置对转速变化的敏感度，当测量数值改变，对
应转速由ｎ。变为ｎ：，则分辨率Ｑ定义为Ｑ＝ｎ。一ｎ。（ｒ／ｍｉｎ）（２－１）Ｑ值愈小，说明测量装置对转速变化愈敏感，亦即其分辨率愈高。为了扩大调速范围，使电动机在尽可能低的速度下运行，必须有很高的分辨率。Ｂ．高精度精度表示偏离实际值的百分比，即当实际转速为ｎ、误差为Ａｎ时
的测速精度为：ｓ％＝（Ａｎ／ｎ）×１００％（２－２）影响测速精度的因素有：光电测速器的制造误差（光电转盘安装的不同心度）及对脉冲计数时总有的±１个脉冲的误差。
ｃ．短的检测时间所谓检测时间，即连续两次速度采样的间隔时间Ｔ，Ｔ愈短
愈有利于实现快速响应。
，周期．ｈ■—————＇一
。相厂］厂］
嘣习』ｍ“２悻≮｝卜
标记脉冲Ｌ—Ｊ
ａ）厂］厂］Ａ相一Ｌ一卜～厂］？ｍＬＢ相—Ｊ叫ｉｉ甜厂ｂ）
图２－３光电脉冲发生器的输出波形
ａ）顺时针转ｂ）逆时针转
ＯｕｔｐｕｔＷａｖｅｏｆＰｈｏｔｏｅｌｅｃｔｒｉｃｉｔｙＰｕｌｓｅＰｒｏｄｕｃｅｒ
编码器测速方法的研究
２．３数字测速方法。’“
在闭环伺服控制系统中，根据脉冲计数来测量转速的方法有：Ｍ法、Ｔ法，以及后来发展的Ｍ／Ｔ法、变Ｍ／Ｔ法等。而高速、高精度、连续测量方法是近期在发展变Ｍ／Ｔ法基础上逐渐发展起来的。各种方法有其各自的优点及其具体的适用范围，现简述如下。
２．３．１常用的测速方法。’
常用的钡０速方法有三种：Ｍ法、Ｔ法和Ｍ／Ｔ法．
Ａ．Ｍ法测速（又叫定时测角法）：即在规定的时间间隔Ｔ。内，测量所产生的脉冲数来获得被测速度值，这种方法称为Ｍ法测速。设脉冲发生器每转一圈发出的脉冲数为Ｐ，且在规定的时间Ｔ。（Ｓ）内，测得得脉冲数为ｍ。，如图２—４所示，则电机每分钟转数：‰５６ｏ．景ｐ／ｍｉｎ）
ｍｉ（２—３）
Ｔｇ一
图２－－４Ｍ法测速原理
ＭＦｉｇｕｒｅ２－４ＳｐｅｅｄＭｅａｓｕｒｅｍｅｎｔＴｈｅｏｒｙｏｆ
Ｍ法测速的技术指标：
Ａ）分辨率由（２一１）可得，Ｍ法的测速分辨率为ｐ：垡竖幽一６０．ｒａｉ旦（２—４）Ｐ。ｉ；Ｐ≮Ｐ。ｉ；
可见，Ｑ值与转速无关，即计数值ｍ．变化ｌ，在何转速下所对应的转速值增量均等。当电动机转速很小时，在规定时间Ｔｇ内只有少数几个脉冲，甚至只有一个或者不到一个脉冲，则测出的速度就不准确了。欲提高分辨率，可改用较大Ｐ值的脉冲发生器（即增加光电转盘的透光孔或刻线密度），或增加检测时间Ｌ。Ｂ）测量精度此方法虽然检测时间一定，但检测的起始时间具有随机性，因此
第二章光电码盘测速方法搿ｆ究
溅塞遭程在壤端｛毒滚下会产垒士１令转速辣跨弱捻溺误惹，羹莲稳对误蓑为
ｌ／ｍ；。当被测转速较高或电枫转渤一圈发出的转速脉冲信号的个数较大时，才有较高的测照精度。即随着转速增加，ｍ。即增大，相对误差会减小，说明Ｍ法适用于高速测爨场合。
ｅ）硷测时勰爨式（２—４）可褥≯＝毛＝嚣
式中瓦——规定的测量时间。（２～ｉ）
在保持一定分辨率的情况下，缩短检测时间的唯一办法是改用Ｐ值大（转盘裁线密度太域透党孔多）豹光瞧赫浊发生器。
Ｂ。’Ｔ法测遮（又秘定舞溺Ｅ亨滋）：瑟溺量裙邻两个躲冲酶时闻闻隔采确定被滚《速度的方法。用一已知频率为正的高频时钟脉冲向一计数器发送脉冲数，此计数器由测遮脉冲的两个相邻脉冲控制其起始和终止。若计数器的读数为ｍ：（如蓥２－５所示），粼毫疆每分镑熬转数为：ｎ。＝６０・÷Ｌ９，ｍｉｎ，ｉ＇ｍ，（２－ｓ）
式中工——时钟脉冲频肇；
ｍ：——计数器对时钟脉冲频率五的脉冲计数值。
下№ｈ
厂＾弋
脉冲发生
输出脉冲
时钟脉冲
黼２－５
Ｆｉｇｕｒｅ２－５．Ｔ法溅速器疆ｏｆＴＳｐｅｅｄＭｅａｓｕｒｅｍｅｎｔＴｈｅｏｒｙ
Ｔ法测遮的技术指标：
妨分辫率盘式（２一ｌ＞哥褥：Ｑ＝丐６０万．ｆｏ一面６丽０．ｆｅｍ，，｛掰，＋ｌ｝，＝—６０』ｆ。蛊＋三ｎ．一Ｐ（２—７）
可见，柱极端情况下，时间的检测会产生±１个离频脉冲周期。因此Ｔ法在
编码器测速方法的研究
被测转速较低（相邻两个转速脉冲信号时间较大）时，才有较高的测量精度。亦即随着转速ｎ。的升高，Ｑ值增大，转速愈低，Ｑ值愈小，Ｔ法测速在低速时有较高的分辨率。
Ｂ）测量精度由于光电脉冲发生器制造误差为ｓ，％，导致测速的绝对误差随着转速的升高而增加。另外，时钟脉冲硒计数时，总有～个脉冲的误差，由此造成的相对误差为１／％随着转速月。增加，ｍｚ计数值减小，此项误差也随之增大。可见，Ｔ法在低速时有较高的精度和分辨率，适合于低速时测量。
ｃ）检测时间检测时间Ｔ等于测速脉冲周期‰，即ｒ＝‰＝ｊ鲁
Ｄ）（２喝）可见，随着转速的升高，检测时间将减小。确定检测时间的原则是：既要使Ｔ尽可能短，又要使计算机在电机最高速运行时有足够时间对数据进行处理。时钟脉冲正的确定由式（２—７）可知，五愈高，分辨率愈高，测速精度愈高；但五过高又会使ｍ２过大，使计数器字长加大，影响运算速度。确定方法是：根据最低转速‰ｍｍ和计算机字长设计出最大计数ｍ２。。，由式（２—６）得
～ｆ：坠≤；堕（２－９）６０
Ｃ．Ｍ／Ｔ法测速同时测量检测时间和在此检测时间内脉冲发生器发送的脉冲数来确定被测转速，其原理如图２－６所示。它是用规定时间间隔ｔ以后的第一个测速脉冲去终止时钟脉冲计数器，并由此计数器值ｍ：来确定检测时间Ｔ。检测时间为：Ｔ＝ｔ＋ＡＴ（２～１０）
设电机在Ｔ（Ｓ）时１司内转过的角度位移为Ｘ（ｒａｄ），则其实际转速值为
船。：罂：—当Ｌ”２；ｒＴ（２—１１）２玎（一十ＡＴ）
如果电机每转动一圈脉冲发生器输出Ｐ个脉冲，在Ｔ时间内，计数值为ｍ．，则角位移ｘ为ｚ＝２ｒｃｍ。／Ｐ。同时，考虑在检测时间Ｔ＝Ｌ＋ＡＴ内，由计数频率为正的参考时钟脉冲来定时，且计数值为ｍ：，则检测时间Ｔ可表示为Ｔ＝ｍ：／Ｌ，
第二章光电码盘测速方法研究
于是删黼概＝等（ｒ／ｍｉｎ）（２－１２）
上式中的６０‘‘项是常数，在检测时间Ｔ内，分别计取测速脉冲／：。。和时钟脉冲／：＝的脉冲个数码和ｍ：，即可计算出电机转速值。计取疋时间内的测速脉冲，。的个数相当于Ｍ法，而计取Ｔ（Ｔ＝ｔ＋ＡＴ）时间内参考时钟脉冲五的个数ｍ，相当于Ｔ法，所以这种测速方法兼有Ｍ法和Ｔ法的优点，在高速和低速段均可获得较高的分辨能力，Ｍ／Ｔ法由此而得名。
通过上面的分析可知：Ｍ法测量转速在极端情况下会产生±１个转速脉冲的误差，而Ｔ法在极端情况下，时间的测量会产生４－１个高频脉冲周期，由于转速脉冲的频率远小于高频脉冲的频率，因此如果用转速脉冲信号的上升沿／下降沿来同步计数器的起止，在预定的测速时间内，转速脉冲信号的计数值将为整数（无误差），只有高频时钟脉冲会产生±ｌ的误差，因其很小，影响可以忽略，所以Ｍ／Ｔ法可适用于测量高、低速的场台，且具有较高的测速精度，但检测时间不宜过长。虽然Ｍ／Ｔ法测速可满足一些快速性要求不高的速度伺服控制的要求，它具有宽的调速范围、高精度和高分辨率的特点，但对于快速响应的伺服系统，Ｍ／Ｔ法在低速运行时，会使检测时间过分加长，这是速度闭环所不能忍受的。
：：：Ｌ————心——一撇嘉置ｌ』｛｜ｌｌ』Ｉ
检测时间
时钟脉冲．一一————————————一、————————————、！灿删山Ｌ二二二二二∑二二二二：：叫删＼———————————、，——————————√
图２－６
Ｆｉｇｕｒｅ２－６．Ｍ／Ｔ法测速原理Ｍ／ＴＳｐｅｅｄＭｅａｓｕｒｅｍｅｎｔＴｈｅｏｒｙｏｆ
Ｍ／Ｔ法测速的性能指标
８＋ｌ）４—１—ｚ２ｌ（
编碍麟测速方法抟辑究
Ａ）分辨率由于ｔ定时和ｍ。计数同时开始，ｍｌ无误差。由ｍ２变化±１时，得Ｑ为；Ｑ＝字（志～寺＝莉６０ｆ，＇ｍｉ＝里ｍ２－Ｉ（ｒ／咖）∞㈣
计敬州：时只猩最后一个周期内对删：产生影响，由此引起的测遮误差鼙测逮精度焉Ｆ。（％≥淡示溅速黥狰屑赣‰不鹭匀误差，因误差不累积，
气。（％）为‰＝钐．
番考惑诗数磁，＃孝霹戆产生主ｌ的误藏，弱诗数瀑差为占。。土。１００％。。
彬２—１
忽略微机有艰字长的舍入误差，则Ｍ／Ｔ法测逮的最大误麓为
占…≈占。。占ｍａｘ蒯占ｍ曲ｍ描二ｍ＋——。ｍ２－１。三上＋——！—一×１００％
２。３。２鬻用数字测速方法浮徐
以上对数字测速的三种方法作了详细描述，为了便于比较，现将三种速度测量豹计冀公式茳憨魏表２一ｉ。
由袋可见，对分辨率而言，Ｔ法测低速时较商，随着速度的增大，分辨率变蓼。醛渡燃稳反，糍速时较薅，淹若遮发静痒低。分辨率交差；Ｍ／Ｔ瀵粒彰％蹩常数，与速度无关，因此它比前面两种方法都好。
鼓测遽穰度上善，也敷Ｍ／Ｔ法为佼。至予捡ｉ羹｜｜辩润，在糖准熬甄浚中，Ｔ＝乏，与速度无关；在Ｔ法中，因为取测速脉冲的间隔时间瓦。作为检测时间，因而，随着速艨静增大丽减小；Ｍ／Ｔ法检测秘瞬稿对前两种方法怒较长静，僵是若硝微牺牲一点分辨率，选择分辨率在最低转速是仍可使ｍ，＝５—６个脉冲，便可使检测时闯几乎与Ｍ法栩闻（Ｔ“瓦）。另外，速度控制系统的响应决不仅仅是由检测时间确定，还与功率转换电路、电动枫的特性以殿负载情猿有关。鞠越，检测时间的选取，应视系统的要求而定。僵对快速响应瑟求较高的系统来说，检测时间
销二避光电码盘测速方法研究
懿影羲是不器忽褫熬。
Ｔａｂｌｅ２－１．ＤｉｇｉｔａｌＰｕｌｓｅＳｐｅｅｄＭｅａｓｕｒｅｍｅｎｔＦｏｒｍｕｌａ
表２一ｌ数字脉冲的测速计搏公式
方法
被测逮瘦
／－／“ｐ／ｒａｉｎ）
检测时间Ｍ法Ｔ法Ｍ／Ｔ法∞旦Ｐ｛，６０一王￡一Ｐｍ，∞五璺ｐ徽、瓦‰＝暴
亟篓
６０五＋‰Ｐ一ｌ———一十ｌⅣ、’Ｊ６０分辨蜜Ｑ６０拦埘Ｐ疋磁。一ｌ
精度
ｓ（％）‘。。——Ｄ？１ｌ占．＋——ｍ。生＋—Ｌ×１００％ｍ】ｍ２—１
２．３．３新烈测速方法
变Ｍ／Ｔ法“：是为了解决常用髓Ｍ／Ｔ浏速法中存在的检测对间过长，梭测误Ａ，
差过夫＿瑟箍爨来懿。其体是指瓣逮过程中，不仅铡致瓣溺速鲸净与高频时镑躲；孛随电机的转遮不同而变化，而且测量时间Ｔｇ也是变化的，它将始终等于光电脉冲发生器燕数个脉冲信号之和。其原理如图２—７所示。由图可知，一的大小由已知的高频时钟辣冲腕：计取，即疋＝ｍ２／五，电机黪遥发‰＝６０ｍ，Ｌ／ｅｍ。，此时酶ｍ，与Ｍ／Ｔ法中静ｍ，含义不露，它不含△Ｔ时闯内的赢频时钟赫ｉ串个数。可在相当广的邂度范围内高精度测滤，且响应快，工作可靠性高，对设计全数字化ＰＷＭ系统数字测速、位置反馈检测有实用价值。１３
编码器测速方法的研究
Ｌ—————————————、————————————一
蚴？！ｎ厂］厂］厂］厂１，。ｍｍ２
：，—————————————７。————————————。’一
时钟脉冲ｈ厂］ｒ］ｒ］ｒ］几ｎｒ］厂］ｎ
ｏ‘ｋ‘——————————二＾—————————————————一
图２—７变Ｍ／Ｔ法测速原理
Ｆｉｇｕｒｅ２－７．ＳｐｅｅｄＭｅａｓｕｒｅｍｅｎｔＴｈｅｏｒｙｏｆＡｌｔｅｒａｂｌｅＭ／Ｔ
由于在检测时间Ｔ。内，帆始终是一个整数，只有啪，脉冲可能存在±１的误差，所以相对误差为％，。显然检测误差与个ｍ：成反比。该方法的优点在于：它不必象Ｍ／Ｔ法那样费力的去测取△Ｔ，且无论在高速或低速，其检测性能都等于或超过Ｍ法或Ｔ法。
Ｂ，高速、高精度、连续测量方法。４１：是对变Ｍ／Ｔ法的完善。
虽然变Ｍ／Ｔ法使测量精度有了较大的提高，但它也有其缺点：在快速测量的要求下，因为要求较高的测量精度，所以必须采用较高的时基频率，这样，标频计数的位数较多。测量的动态范围受最小速度的限制，使之不能有大的扩展。且对于误差源产生的过程而言，每测量～次均会产生±１个脉冲误差，即相当于系统时钟多／少计了一次，所以精度还有进一步提高的空间。且因为计数器计数的限制，所以计数范围有较大的局限性。若采用分频器（分频数设为Ｎ），则每测量一次，相当于多／少计算了Ｎ次，误差较大。“高速、高精度、连续测频原理”正是基于上述问题提出来的。其工作原理如图２—８所示。对未达到整数倍分频脉冲的误差，采用系统时钟脉冲填补的方法，这样更充分的利用了高频脉冲快速的特点，且速度范围调整有较大的随意性，码盘每转所产生的脉冲数Ｐ也不必因时钟脉冲的范围大小加以调整，软件实现起来更为简洁，且不用计算定时时间，而只需根据所确定的速度范围确定被测脉冲的ｍ。即可。而实际闸门定时时Ｉ司为ＮＴｘ（即为被测脉冲的整数倍）无须计算。且由于分频器及高频脉冲填补等方法的应用，实际上大大的提高了１６位计数器的计数范围，使原本１６位的计数器完成了原本２４位、甚至３２位计数器才能完成的工作，大大提高了其应用范围。１４
擀二二章光电码盘测速方法研宽
参考疑门：曩———］厂了一ｒ］ｎ被测信号；
实际闸门
蠡频分蔟：
标频计数ｎｎｎ厂］几厂｜ｎ
图２—８高速、离精度、连续测嫩方鬃原理
Ｆｉｇｕｒｅ２－８．ＰｒｏｊｅｃｔｔｈｅｏｒｙｏｆｔｈｅＨｉｇｈＳｐｅｅｄ。Ｈｉｇｈ
Ｐｒｅｃｉｓｉｏｎ．Ｃｏｎｓｅｃｕｔｉｖｅ龋ｅａｓｕｒｅｍｅｎｔ
２．３．４其他测速方法㈣
珐了以上分缨戆测速方法外，述有壹接灏频法秘多翅麓藏步铡频方法。
Ａ。蓝接溅频法脚１：是在给定的嘲门信号中填入脉｝窀，通过必要的计数缝路，得到填入脉冲的个数。从而算出待测信号的频率或周期。
在测量过稷中，依据信号频率大小的不同，测量方法分为两种：
Ａ）被测信号频率较高时：先爆频率较低标准频濑信号｛乍为阕门信号，箍将被
溺滚号｛乍为壤充踩滓，在溜定麓门霹闻交对冀计数。
Ｂ）被测信号频率较低时：选用被测信号作为闸门信号，而将频率较黼的标
频信号作为填充脉冲，进行计数。
这种测速方法的主要缺点是：由于±ｌ误差的存在，难以兼顾低频和高频实瑷等凑菠溅量，骚良撼爱精度鞍低。
Ｂ．多周期同步测频法９。１：如图２－９所示。它的闸门辩间不是固定的傻，黼是被测信号的整周期倍，即与被测储号同步，因此消除了对被测信号计数产生的±１个脉冲误差，测量精度会因此大大提高，达到了在整个测量频段内的等精度测量。
壶以上瓣琴孛方法匏论述过稷孛霄知：壹接铡频法瓣是姆赫法帮Ｔ濠合并在一起送行讨论，箕方法实质鄄是Ｍ法帮Ｔ法。露多餍瀚嗣步测频方法魏澎式与变Ｍ／Ｔ法类似，两种方法的本质相同。所以，其测迭糟度及分辨率自然也就相同。
编码器测速方法的研究
参考闸门
实际闸门
被测信号
时基脉冲
时基计数Ｆ＝＝＝＝＝了－：＝＝＝＝＝＝：ｌ
图２—９多周期同步测频法测速原理
Ｆｉｇｕｒｅ２－９．ＳｐｅｅｄＭｅａｓｕｒｅｍｅｎｔＴｈｅｏｒｙｏｆｍａｎｙｐｅｒｉｏｄｍｅａｓｕｒｉｎｇｆｒｅｑｕｅｎｃｙ
通过对以上多种方法的讨论可知：目前，根据脉冲计数来测量转速的方法主要是：Ｍ法、Ｔ法、Ｍ／Ｔ法和变Ｍ／Ｔ法。而高速、高精度、连续测量的方法是对变Ｍ／Ｔ法的推广，以扩大测速范围，提高测速精度，其方法本身仍是变Ｍ／Ｔ法。由此可见，在目前已掌握的方法中，变Ｍ／Ｔ法是测速精度最高，测速范围最广，检测性能最完善的方法。
２．４经纬仪控制系统数字测速的实现
在目前的经纬仪实际控制系统中，系统要求的调速范围和高、低速速度精度如下：
调速范围：０．０１。／ｓ一１００。／ｓ
低速分辨力：Ｏ．００５。／ｓ
根据以上的具体要求，有必要对通常采用的测速方法是否适合于目前系统指标要求的问题进行研究。
在光电跟踪设备伺服系统的速度回路中，通常采用直流测速机（或编码器）作为测速元件来测量电机的输出速度，在位置回路中，测角元件是２４位的绝对式光电轴角编码器，常采用位置差分法（即Ｍ法）其数学模型为ｃｏ（ｎ）＝［Ｏ（ｎ）一Ｏ（ｎ一１）］／瓦（其中，ｔ为采样周期）实现对电机转速的测量。用该方法测速的优点是固定采样周期测量，实现起来简单易行。但要求低速时编码器的电子学细分精度非常高，高速时编码器的１６位码之间的频响和校正衔接良好，不允许有跳码的现象。具体说来，该方法在高速测量时，有较好的速度平稳性及较高的测量精度，而在低速时却会出现速度波动幅度大，平稳性差，且随着
第二章光电码盘测速方法研究
采样频率的提高，所测得的低速范围会变窄，测速精度随之下降等问题。而采用增量式编码器进行测速方法的就灵活得多，即可以采用Ｍ法、Ｔ法、ＭＩＴ法、变Ｍ／Ｔ法等方法。
下面通过具体例子，说明位置差分法不适于目前经纬仪实际控制系统中低速测量的问题。在经纬仪实际控制系统中，测角元件是２４位绝对式光电轴角编码器。编码器的连续输出只有１６位（即码盘刻划码道只有１６圈）其它８位通过电细分产生。假定在经纬仪速度回路中，要求的测速范围是实际控制系统００１。／ｓ一１００。／ｓ，系统的采样频率为４００ｃ／ｓ或８００ｃ／ｓ。此时数字测速的主要难点在于ｏ．Ｏｌ。／ｓ的低速测量。如使用常用的位置差分法，按式（２．３），即一个采样周期Ｌ必须产生一个码盘脉冲计算，在丁，不同时，所能测到的最低转速如下：Ａ・Ｔ／＝４００Ｃ／Ｓ时，‰＝器＝焘＝０．００８６形ｓｓｅ．Ｔ／＝８００Ｃ／Ｓ时＾。＝篇＝淼＝０．０１７２形ｓｓ
可见，采样频率越高，所能测得的低速范围越窄，且测速精度越低。而速度越高，用该方法就越易实现高精度测量。以丁，＝８００Ｃ／Ｓ为例，高速时，矿＝等＝ｏ０１７２×研。（ｍ１为码数），所以要达到。．１％的测速精度，仅需％≥１０００即可。即当力矩电机的速度为１７２。／ｓ一１００。／ｓ，系统的采样频率为丁，＝８００Ｃ／Ｓ时，用位置差分法很容易实现精度为０．１％的速度测量。而当力矩电机的速度为Ｏ．０１。／ｓ－－１７．２。／ｓ时，用上述方法便很难实现系统要求了。
根据位置差分法的传递函数Ｇ（Ｊ）２再ｊ忑，从它的相频特性来看，采样频率越高，愈能无失真的恢复出原模拟图的效果，亦即数字化效果越好，系统带宽越宽，越有益于满足伺服跟踪系统快速跟踪目标的要求。
从位置差分法的计算公式丛堕三；量翌』来看，巧越小，则在编码器分辨力
』／一定的情况下，ｏ（ｎ）变化越不显著，所以计算出的速度精度也就越低。
编码器测速方法的研究
盘凳露羹，由于瑟器速凌、秀嚣速度戆动态经及裁踩要求越来越毫，遴磐使霹的礁法无法解决采样频率提高坶所测得的低速范阐会变窄，测速精度会髓之下降的矛盾，所以必须采用新的测速方法以满足系统要求。
由前面对数字测速方法的讨论可知，在低速情况下，用Ｔ法测量通常可获得高精度豹测爨缝鬈，毽它又无法满足高速时系统的鬟求。由于系统要求鲍调速范围较宽，辑隧所选瓣速方法应兼鞭蓠、低速测量对均麓满足系统测量精发和瓣量范围的要求，且高低速之间转换应简单方便等特点。在目前已掌握的方法中，变Ｍ／Ｔ法是测濂精度最高，测速藏阐最广，检测性能墩完善的方法。当电机转速较低时，可取端＝ｌ，繇Ｔ法：露警邀褪转速较毫对，取置＝’粤，即赫法，且二一｛：
者之间的转捩随着电机转速的快慢自动完成，较好的解决了传统高低遮测量时，二者之间的转换速度段算法复杂的特点。所以，根掰系统测速精度高、测速范围大等要求，确定在最新的数字信号处理器ＴＭＳ３２０ＬＦ２４０７上用增量式编码器及变Ｍ／Ｔ法实凌对邀援低速转速测爨瓣实验方案。
２．５本章小络
这一奄荫先比较了模拟和数字两种测速元件的优缺点，然后按照转遥测量方法的发展避疆，详细全面的夯绥了根据躲冲计数测麓转速的方法一酣法、Ｔ法、Ｍ／Ｔ法各蠡戆王作缀理、逶臻藏瓣及优点，著在垂乏蘩磷之上分孝厅了透麓发矮筵来的变Ｍ／Ｔ法，直接测频法，多周期同步测频法，高滤、高精度、连续测蹩方法的工作原理。在详细的分析了多种测速方法的测速原溅之后，得出了目前核心的测速方法即为艟法、Ｔ法、Ｍ／Ｔ法鞠交Ｍ／Ｔ法的结论。谈部分是目前所了解到的测速方法戆凝聚程慧结。最蜃，凝攘经终饺实嚣接肇ｌ系绞中，系统蕊谖遮藏鋈宽、高低速速度精度要求高的特点，详细讨论了原有测遮方法的不足，并按照目前系统要求选定用变Ｍ／Ｔ法实现对力矩电机低速测量的实验方案。测速元件的选择，测速方法和关键参数的确定对实际测速结果起到了黧关夔要的作用。
针对不强测速蒸墨及测逮元传选择不冠豹铡逮方法，可褥至ｇ较蠢滟溅量精度，并可蕊亿硬俘设计，这至《枣半功倍的效票。第三、瞪章是在诧基磷上，其体讨论了变Ｍ／Ｔ法在硬件和软件上的实现过程。１８
第三章测速系统硬件设计
第三章测速系统硬件设计
３．１引言
通常对电机转速的测量是通过测量与电机同轴安装的编码器转速来实现的。正是由于编码器的码盘与电机同轴安装，码盘会随电机同轴转动，才使得编码器的转速与电机的转速相同。进而达到对编码器转速的测量即是对电机转速测量的目的。
具体而言，编码器的速度是其单位时间内转过的角度，也即是其每秒钟产生脉冲的个数（即信号频率），与编码器以及电机在测量时间内的位置变化成正比。
传统测速问题均是采用单片机进行，其特点是数据处理速度慢，难以实现实时测速。而快速的数字信号处理器的问世，大大弥补了以上不足，为最终实现跟踪伺服系统实时测速提供了有利的保障。本章正是在继承传统单片机测速的基础上，对将ＤＳＰ用于测速系统中的设想进行了初步的探讨。
具体的方案如下：在最新的数字信号处理器ＴＭＳ３２０ＬＦ２４０７上采用目前测速效果（测试精度、动态范围）最好的变Ｍ／Ｔ法实现了对电机低速转速的测量。
ＴＭＳ３２０在控制中的用途目前分为：伺服电机控制，过程控制，机械手（工业机器人）以及温度、压力的控制。军事和宇航方面的应用主要包括：稳定平台、瞄准控制、自动驾驶仪系统、惯性导航系统和通常的伺服机构。作为划时代的ＴＭＳ３２０Ｃ２０００ｌ”ＤＳＰ在控制系统中有许多新的特点。本章在上一章详细介绍了多种数字测速方法后，首先针对目前在我国起步较晚并具有极好发展前景的ＤＳＰ的系统、芯片结构作了简单的介绍，然后对目前剐刚问世的ＴＭＳ３２０ＬＦ２４０７芯片的结构和其适合于电机控制的特点作了简要的说明。ＤＳＰ在控制上的应用是ＤＳＰ的主要应用领域之一。本章的最后在对ＤＳＰ在电机控制系统中的控制优势讨论之后，充分利用了ＴＭＳ３２０ＬＦ２４０７的结构特点，详细的对变Ｍ／Ｔ法实现对力矩电机低速转速测量方案的硬件系统设计进行了介绍。
３．２ＤＳＰ及其在电机控制中的优势
数字信号处理（ＤｉｇｉｔａｌＳｉｇｎａｌＰｒｏｃｅｓｓｉｎｇ，简称ＤＳＰ）是一门涉及许多学科而又广泛应用于许多领域的新兴技术。２０世纪６０年代以来，随着计算机和
编码器测速方法的研究
信息技术的飞速发展，数字信号处理技术应运而生并得到迅速发展。
在过去的几十年中，电机控制系统一直以模拟控制为基础而进行的。随着数字信号处理技术的发展，传统的模拟控制系统正逐渐向数字控制系统过渡。近年来，数字信号处理器的出现和飞速发展极大的推动了电机的数字化控制进程。以电机控制为例：ＤＳＰ在交流感应电机，异步电机，永磁电机和无刷直流电机控制系统中都得到了广泛的应用。本章在介绍ＤＳＰ的基础上，对其在电机控制系统中的控制优势展开讨论。
ＤＳＰ简介３．２．１
ＤＳＰ芯片，数字信号处理器，是一种特别适合于进行数字信号处理运算的微处理器，其主要应用是实时快速的实现各种数字信号处理算法。当然，与通用微处理器相比，ＤＳＰ芯片的其他通用功能相对较弱些。
可编程ＤＳＰ芯片是一种具有特殊结构的微处理器，为了达到快速进行数字信号处理的目的，ＤＳＰ芯片一般都具有程序和数据分开的总线结构、流水线操作功能、单周期完成乘法的硬件乘法器以及一套适合数字信号处理的指令集。
为了快速地实现数字信号处理运算，ＤＳＰ芯片一般都采用特殊的软硬件结构。哈佛结构、流水线操作、专用的硬件乘法器、特殊的ＤＳＰ指令再加上集成电路的优化设计，可使ＤＳＰ芯片的指令周期降低至现在的２０ｎｓ以下。快速的指令周期使得ＤＳＰ芯片能够实时实现许多数字信号处理的应用。
３．２．２ＴＭＳ３２０ＬＦ２４０７－－增强型数字电机专用芯片。４“１
本文主要应用了ＴＭＳ３２０ＬＦ２４０７数字信号处理器实现了对编码器位置和转速的测量，现将其结构和特点介绍如下：
ＴＭＳ３２０ＬＦ２４０７芯片是ＤＳＰ控制器中ＴＭＳ３２０Ｃ２４…一代中的新产品，是ＴＭＳ３２０Ｃ２０００】“定点ＤＳＰ中的一部分，该芯片提供了ＴＭＳ３２０“结构上的具有ｃ２ｘＸ内核的ＣＰＵ低价位、低功耗、高性能的增强型设计，满足了宽范围的数字电机控制（ＤＭＣ）和其它嵌入式控制的应用需要。该产品基于Ｃ２Ｘ１６位定点、低功耗的ＤＳＰＣＰＵ，具有优化数字电机和运动控制应用性能的几个先进的外围设备以及片上ＲＯＭ或带ＦＬＡＳＨ的程序存储器、片上双端口ＲＡＭ也均被集成到了一块ＤＳＰ处理
第三章月ｊ速系统硬件设计
器中。它采用了改进的哈佛结构，同时采用流水线技术，使得多数操作在一个时钟内完成。为了便于多数产品开发，高于３２Ｋ字节的ＦＬＡＳＨ装置提供了功耗低、可多次编程的解决方案。它也包括ＲＯＭ，这使之能与ＦＬＡＳＨ的对等产品达到完全兼容。为了满足电机控制的需要，２４０７提供了一系列存储器和特制的外围设备，正是依赖其高速内核以及各功能外设的充分利用，使２４０７完全有能力完成对各种电机的高性能控制。。“
３．２．３ＤＳＰ在电机控制系统中的控制优势“”
传统的电机控制系统基于模拟器件，因而易于设计并且能以较低的代价来实现。但是，模拟系统也有其缺点：元件的老化和温度的变化都会导致系统的不稳定，这就需要人们随时进行调节，可见模拟系统的稳定性较差；另外，模拟器件的容错性和系统的升级也都是很难解决的问题。这是由于整个系统的设计完全是基于硬件而进行的。
与模拟控制相比数字控制系统有明显的提高：由于几乎所有的功能都是以数字形式进行的，所以消除了温漂现象；系统进行升级时只需更换软件而无需改变硬件设计；另外整个系统集成度高，因而可靠性也较高。表３．１给出了模拟控制系统与数字控制系统的优缺点，从表中可以看出数字控制系统要比模拟控制系统难设计，但是一旦设计成功，其稳定性与稳健性都要远远优于模拟控制系统。
Ｔａｂｌｅ３．１ＣｏｍｐａｒｉｓｏｎｏｆＡｎａｌｏｇｖｅｒｓｕｓＤｉｇｉｔａｌＣｏｎｔｒｏｌｌｅｒｓ
表３．１模拟控制系统与数字控制系统优劣性比较
控制器优点
带宽高
模拟分辨率高
容易设计
可编程
数字对环境不敏感
控制精确
能实现复杂算法缺点器件易老化温度漂移问题无软件设计带来数字问题必须采用高性能处理器设计较困难
我们知道，电机的控制性能极大的依赖于对电机的控制，而高性能的ＤＳＰ控
编码器测速方法的研究
制器能有效提高控制算法的实时性，因此，二者的结合一方面可以减少整个系统的组成部分，另一方面也可以优化设计以减少系统的造价。具体说来，一个高性能的ＤＳＰ控制器有如下的性能：
Ａ．快速有效的控制能减少系统的能量支出；
Ｂ．高性能控制算法的实现可以减少转矩脉动，进而减少振动并延长系统寿命；Ｃ．通过算法来减少谐波，这样不但易于满足系统要求而且降低了滤波器开销；Ｄ．可以实现无传感器算法，从而无需使用速度与位置传感器；
Ｅ．可以减少查表的个数，这样能节省大量的内存；
Ｆ．能实时产生光滑并接近最优的轨迹曲线；
Ｇ．能控制电源开关和逆变器以产生高分辨率的ＰＷＭ输出：
Ｈ．能提供单片控制系统：
Ｉ．能进行多变量控制和使用诸如人工神经网络与模糊逻辑之类的现代智能方
法以胜任复杂系统的控制；
Ｊ．能实现自适应控制，高速的ＤＳＰ可以实现对系统的实时监视与控制：
Ｋ．能通过频谱分析来实现对系统的诊断，可以通过观察，分析机械振动的频谱
来预测其行为；
Ｌ．能实现通带极窄的陷波器以消除机械谐振现象。
３．３在ＴＭＳ３２０ＬＦ２４０７上用变Ｍ／Ｔ法实现对编码器测速的硬件设计
本实验采用的是变Ｍ／Ｔ法在ＴＭＳ３２０ＬＦ２４０７新型电机专用ＤＳＰ芯片上实现对转台低速速度的测量（其测速原理在第二章已介绍过）。此法需要一个码盘脉冲计数器、一个标准时间计数器、一个定时器（设定测量时间Ｔ。，。在测量时间Ｔｓ内，同时对码盘脉冲和标准时间信号计数。测量时间一到，便产生定时中断，单片机执行中断程序，读出码盘脉冲计数器和标准时间信号计数值，由计数值求出转速。‘
设码盘刻线数为Ｐ，码盘脉冲的倍频数为ｎ，时钟频率为ｆ。，码盘脉冲计数值为％，计数脉冲值为ｍ：，则转速为ｖ＝３６０・／Ｉ＂１。－ｆ：／（ｐ・聊２．甩）（。／ｓ）（３．１）
在码盘数字测速系统中，对码盘信号的处理包括倍频、输出控制和方向信号的提取。
第三章测速系统硬件设计
３．３．１ＴＭＳ３２０ＬＦ２４０７上的相应硬件及测量系统组成
Ａ．ＴＭＳ３２０ＬＦ２４０７的ＱＥＰ单元和ＡＤＣ模块
ＴＭＳ３２０ＬＦ２４０７包括两个ＱＥＰ电路及带有采样／保持电路的１６路１０位模／数转换器，大大减少了带有正／余弦输出信号的绝对式编码器与ＴＭＳ３２０ＬＦ２４０７的接口逻辑。
Ａ）正交编码器脉冲（ＱＥＰ）电路““
每个事件管理器模块均有一个ＱＥＰ电路，当ＱＥＰ电路启动时，可对引用脚ＣＡＰＩ／ＱＥＰｌ和ＣＡＰ２／ＱＥＰ２（在事件管理器Ａ上）或ＣＡＰ３／ＱＥＰ３和ＣＡＰ４／ＱＥＰ４（在事件管理器Ｂ）上的正交编码器输入脉冲进行解码和计数。，
ＱＥＰ电路和光学编码器接口可用来实现从一个旋转机器上获得其位置和速度信息。当ＱＥＰ电路被启动时，捕获功能就被禁止。
ＱＥＰ电路对正交编码脉冲的两个沿都进行计数，因此，由ＱＥＰ电路到通用定时器２（或４）产生的时钟频率是输入脉冲序列频率的４倍，该正交时钟与通用定时器２或４的时钟输入相连。由此可见，２４０７的ＤＳＰ芯片正是由于ＱＥＰ电路的存在，从而使其对编码器输出信号莳４倍频计数实现起来更为简便。
Ｂ）模数转换（ＡＤＣ）““
为了提供与事件管理器Ａ和Ｂ的灵活接口，２４０７的ＡＤＣ模块的功能被大大增强了（这也是它在Ｆ２４０基础上最大的改进地方）。ＡＤＣ模块围绕总转换时间为５００ｎｓ（采／保＋转换）的要求而建立，该模块有１６路模拟输入通道，按照服务于事件管理器Ａ和Ｂ的两个独立的８通道模块而配置的。这两个８通道模块可自动的对一系列转换排序，自动排序允许系统多次转换相同的通道，允许使用者执行多次采样算法，相对于传统的单次转换结果，这大大增强了其转换精度。Ｂ．硬件接口设计
光电编码器靠光电扫描及其精细的栅格以形成一个增量轨道的原理来运转。旋转时，编码器调整一柱密度由光电元件读出的光信号，并产生两路９０。相移的正弦信号Ａ和Ｂ。当编码器正向旋转时，Ｂ信号滞后于Ａ信号。编码器每旋转一周产生的Ａ、Ｂ信号的个数等于编码器的码线总数Ｎ。编码器的旋转频率与其速度及转过的码线数成正比。光电编码器提供了差分模拟输出信号（Ａ，Ｂ），如图３—１所示。
Ｔ２器时定Ｉ
编码器测速方法的研究
Ｑｕａｄｒａｎｔ
厂＼／／、＼
＼＼／／＼／
／／、＼／，＼
＼／／＼＼／
Ｂ１２３＼／ｊ￡鬲挈”””…”
图３—１编码器输出信号波形图
Ｆｉｇｕｒｅ３－ＬＯｕｔｐｕｔＶｏｌｔａｇｅ（Ａ，Ｂ）ｏｆＡｂｓｏｌｕｔｅ—ＥｎｃｏｄｅｒｗｉｔｈＮＬｉｎｅＣｏｕｎｔｓ任何一个带有模拟输出信号（如图３—１）的编码器都可按图３－２的方式用变Ｍ／Ｔ法实现对转台转速的测量。下面就电路的主要部分进行讨论。
Ａ内部数据总线ｈ
时间到定时器３
晶阵工分频器忑：；ｉ１时器１ｌｊ‘””捕获控制
堡堕塑堡三型匝ｉｉ方石面迈
暑ｆ鬻ｑｊＡ———童—～输出Ｆｍ．『捌她埋输出方向信号Ｄ
图３—２系统原理框图
Ｆｉｇｕｒｅ３－２．ＢｌｏｃｋＤｉａｇｒａｍｏｆＴｈｅＳｙｓｔｅｍＰｒｉｎｃｉｐｌｅ
Ａ）供应电压
总的电路为模拟（ＶＣＣＡ）和数字部分（ＶＣＣ）提供了单＋５Ｖ电压。模拟地和数字地应紧密的与２４０７的ＡＧＮＤ和ＧＮＤ输入引脚连接在一起。ＡＧＮＤ用于保护编码器的差分输入信号Ａ和Ｂ。Ｂ）ＡＤＣ输入电压范围
籀兰章测速系统硬件设汁
ＴＭＳ３２０ＬＦ２４０７熬ＶＲＥＦＨ赣入与十３．０ｖ稷连，ＶＲＥＦＬ与模ｌ耋｛蘧疆连。掰驭稔入电压是ＶＲＥＦＬ＝ＯＶ，ＶＲＥＦＨ＝＋３．３Ｖ，因此Ａ／Ｄ转换舱嘏小分辨率为３．２２ｍｙ。
ｃ）测鬣系统的组成
测量过程用到一个定时器，…个带捕获功能的粥擞脉冲计数器和一个带捕获功旎静标准瓣粒诗数器。ＴＭＳ３２０ＬＦ２４０７懿每个ＱＥＰ逛穆都繁有三个定瓣器，其中定对器２鞴定时器４具舂计数臻获功麓。采用盼浏爨方法梅盛如霞３－２掰示酶测量框图。如图可知，以ＱＥＰｌ为例，定时器２用于码盘脉冲计数，定时器ｌ用作标准时间信号计数，定时器３用于定测量时间，这样就构成基本的测凝系统。在测量时阕氏内同对对码盘脉秘Ｆ。（倍频惹的信号）鹈标准对间计数。宠慰器ｌ每隔嚣阕强藏产生一次中蘩。定辩嚣２瑟ＰＣＡ诗数簿戮都为下降港麓获。臻获寄存器在ａ、ｂ时刻的值分别是计数器在ｔ。、ｔ。时剡的计数值。设定时嚣２和定时器ｌ在ａ、ｂ时刻的值分别为Ｃ¨、Ｃ。．和Ｃ…Ｃ。。。则转速为：
ｙ：！鲤：点ｉ刍型二曼ｚｋ。／、尹‘栉（ｑⅢ一ｅ）Ｖｓ’
其中，（Ｇｉ＊Ｉ－巴。）相当子公式（３．ｉ）中珑。，（Ｃ¨＋Ｉ－Ｃ。）褶当子公式（３．１）中髂拼，。３．３．２码擞脉冲的倍频电路
对璃蠢羧滋熬洚嵇频，穰娄子增多码鑫弱线数，可提褰溅量漆确瘦，菠善潮量酶动态瞪熊。码盘脉冲计数毯姻大小影响裁线误麓翰大小。对同一个弼螽，输出信号经码擞脉冲倍频电路处理厝，频率提高，相同测量时间内对码盘脉冲的计数值大，测擞结果中刻线造成的误差小。如果测量时间越长，可测的转逋下限就越低。在零系统中对玛盘进行了３２偿频。
芷余弦信号－—－—馘
…移相细分‘—＿一｝
．ＣＰＬＤ
匿３－３玛鑫脉；孛倍频憩辨棰塑
ＴｈｅｂｌｏｃｋｄｉａｇｒａｍｏｆＳｅｎｓｏｒＤｉｓｋＰｕｌｓｅ＆ＩｕｌｔｉｐｌｅＦｒｅｑｕｅｎｃｙＣｉｒｃｕｉｔ
编码器测速方法的研究
３．３．３捕获脉冲的输出控制电路
为保证测量的连续性，码盘脉冲计数器和标准时间计数器要不断地计数，测量过程中要不断地读取这两个计数器的计数值。为防止计数过程中计数器值不稳，出现误读，需采用有捕获功能的计数器。在要求时刻，通过捕获的信号，将计数值捕获到寄存器中，然后读捕获寄存器，这样读出的值稳定可靠。为确保读出的码盘脉冲计数值与标准时间计数值是同一时刻值，要求捕获信号应相同，这个信号就是码盘的脉冲信号。这样，只是保证了读出的两个计数值是同一时刻的基本条件。如果读出数据的过程中发生新的捕获，也将导致读出的数据不是同一时刻，引起测量误差。因此，读完数据后，应通过捕获标志判断是否发生新的捕获。如果发生新的捕获则重新读数，直到无新的捕获发生为止。这种方法，如不对捕获信号的输出加以限制，当码盘输出脉冲的频率很高时，相邻的捕获时间就较短。当短到一定程度，捕获时间小于程序的读数时间及判断时间时，将不能读出计数值。从而限制了测速的上限。对捕获脉冲输出加以控制，即可提高测速的上限。功能电路及时序如图３－４所示。其中，Ｃ是捕获信号，Ｃｔｒｌ是输出控制信号，用于控制码盘脉冲Ｆｍ的输出。
ｉ１厂］厂］厂］厂］厂］厂］剑厂———］广———］
ｒ］厂］
图３—４
Ｆｉｇｕｒｅ３－４．Ｏｕｔｐｕｔ厂］厂］捕获脉冲输出控制电路及时序图ＣｏｎｔｒｏｌＣｉｒｃｕｉｔａｎｄＰｅｒｉｏｄｏｆＣａｐｔｕｒｅＰｕｌｓｅ３．３．４方向信号提取电路
当测量转速时，不仅要给出速度的大小，还要给出速度的方向。由采用的测量原理可知，测量过程不能给出方向的信息，转动方向只能通过码盘脉冲得到。设顺时针转动，Ａ超前Ｂ９０。：反之，Ｂ超前Ａ９０。。由此可得出方向信号。实
篓基童塑望墨堕堡堂堂鼓——
褒瑟功戆瓣魄貉及嚣彦露霆Ｓ～Ｓ艨示。蚤为不露毫乎辩，努裂代表不露熬转动方向。其体说米，Ｄ为高电平时，代表电机向顺时钟方向旋转；反之，代袭逆时针方向旋转。
？ｒ———１
３．４本耄小结ｒ——～銎３－５方囊售号提取毫路及辩廖踅
这一章蒋先针对磊翦在我黧起步较暖并具有投好发展翦曩的ＤＳＰ麴暴统、芯片结构俸了篱肇静分绥，篡次碾蠢实际应蠲鬻要对基蘸戴瓣瓣煎镌ＴＭＳ３２０ＬＦ２４０７芯片的结构和其适合于电机控制的特点作了简要的介绍。ＤＳＰ在控制上的应用熬ＤＳＰ的主要应用领域之一。本章的最崩重点在ＴＭＳ３２０ＬＦ２４０７上用变Ｍ／Ｔ法实现对转台测速算法酾磺俘系统设计作了谨细的探讨。简洁商效的硬件设诗会大丈躐少软箨设诗袭任务爨，这对最终实臻对转台转速数毫精度黪灏董必将产生事半功倍的效果。
编码器测速方法的研究
第四章测速系统软件设计
系统要正常工作，需要有软件的配合。系统软件除了要完成对系统的硬件初始化外，还要完成对硬件电路的实时控制，对数据进行输入输出操作和数值的分析，并根据数据分析的结果作相应的处理。本文的整个应用软件用Ｃ和汇编语言的混合编程，并采用模块化结构设计程序。其目的在于提供较好的结构和可读性，以便于今后更好的将其中的子程序应用于其它场合。具体说来，软件的主体部分是用ＡＮＳＩＣ语言编写的，而例如小数除法或反正切函数这样的运算速度要求较高的函数是用汇编语言编写的，而且提供了与Ｃ语言兼容的接口，这样，可以从任一个Ｃ程序中调用相关的汇编语言，较好的实现了Ｃ和汇编语言的混合编程。本章正是从测速系统的软件设计出发，在充分的考虑了整个算法中可能遇到的问题之后，用Ｃ和汇编语言的混合编程及模块化结构设计的方法实现了用变Ｍ／Ｔ法实现对转台速度测量的软件设计。
４．２测速算法实现中的几个问题㈨
用ＴＭＳ３２０ＬＦ２４０７实现测速系统数字化的设计方法与目前常用的微处理器（如Ｚ８０，８０８６，ＭＳ一５１，ＭｃＳ一９６等）作控制器的设计方法相同。目前常用的方法有以下几种：模拟化设计、直接数字设计。本节仅介绍ＴＭＳ３２０Ｃ２０００实现数字化测速的几个实际问题：定点运算与定标；有限字长效应：上溢和下溢处理：软件结构设计。下面将对上述问题分别进行讨论。
４．２．１定点运算与定标
用ＴＭＳ３２０ＬＦ２４０７实现数字化测速算法也是一种有精度要求的运算，这种运算都是基于定点二进制补码表示的数。定点格式、如何定点将影响运算精度，不合适的定点表示将会引起不能接受的误差。
在定点ＤＳＰ芯片中，采用定点数进行数值运算，其操作数一般采用整型数表示。一个整型数的最大表示范围取决于ＤＳＰ芯片所给定的字长，一般为１６位或２４位。显然，字长越长，所能表示的数的范围越大，精度也越高。对定点ＤＳＰ
第四章测速系统软件设计
芯片而言，参与数值运算的数是１６位的整型数。但在许多情况下，数学运算中的数不一定都是整数。ＤＳＰ芯片对小数的处理是通过确定数的定标来实现的。
所谓数的定标，就是确定一个数的小数点处于１６位中的哪一位。通过设定小数点在１６位数中的不同位置，就可以表示不同大小和不同精度的小数了。数的定标有Ｑ表示法和Ｓ表示法两种。不同的Ｑ所表示的数不仅范围不同，而且精度也不相同。Ｑ越大，数值范围越小，但精度越高：相反，Ｑ越小，数值范围越大，但精度就越低。因此，对定点数而言，数值范围与精度是一对矛盾，一个变量要想能够表示比较大的数值范围，必须以牺牲精度为代价；而想提高精度，则数的表示范围就相应的减小。本文在实验程序设计中，为了提高精度，根据编码器位置取值范围为Ｏ～Ⅱ／４（即其对应的正切值为（０～１））的特点，确定运算中的定点数采用Ｑ１５的表示法（十进制数表示范围为一１≤Ｘ≤Ｏ．９９９９６９５），这样既可以保证其规定的取值范围，又可获得较高的精度。””
４．２．２有限字长效应
ＤＳＰ在处理数字控制算法中所包含的各种数时，都是用有限字长的数来表示的，这本身就意味着存在某种程度的误差。在程序设计中，应该考虑有限字长误差（量化误差）对于整个算法及测试结果乃至对正个闭环伺服控制系统的影响。
在数字伺服控制系统中，由量化引起的数值误差源有三个：
１）Ａ／Ｄ转换器的量化误差。在Ａ／Ｄ转换器中信号值通常以定点形式表示，整量
化单位ｑ（分辨率）是由字长Ｃ（无符号位）给出的。一个字长为Ｃ的十进制数字范围用符号ＺＢ表示：ＺＢ＝２。一１
则整量化单位是ｇ２去５歹ｊ２方
ｂｅｔｗｅｅｎｑｕａｎｔｉｚａｔｉｏｎｕｎｉｔａｎｄｕｎｓｉｇｎｅｄｗｏｒｄ字长Ｃ＝７～１５位的Ａ／Ｄ转换器的整量化单位列于表４—１中。Ｔａｂｌｅ４．１Ｒｅｌａｔｉｏｎ
表４一ｌ整量化单位与不带符号位的字长的关系
字长Ｃ（位）
数字范围ＺＢ
整量化单位ｑ（％）７１２７０．７８７８２５５０．３９２ｌＯ１０２３０．０９８１２４０９５０．０２４１５３２７６７０．００３２）数值的运算误差
——塑塑墨！！垄互堡堕塑篓一
叁予黎法运雾镬字长臻鸯鬟一餐，掰疆痤当按裁遐藏舍八楚理，获瑟会雩｝莛误差。出于加减法不会增加字长。因此不存在幽截尾或舍入带来的数德误差。３）参数域系数的存储误差
因为控制算法的诸系数也必须用有限字长的二谶制码预先设置，并存入预先豹工终攀元。
这蹙误差对系统往蘸静影响避不糟同的，Ａ／Ｄ转换器及数值运算弓ｊ遂静误差有相同之她，具体表现为平稳的随机噪声，可用统计方法来分析。系数存储误差等效于数字滤波器取不同输出端引起的效应，以及系统误差对系统零极点的影响。，
４。２．３上滋翱下溢处瑾
数字控制系统中的计算机通常采用２的补码定点运算。这种惯用的设计方法必须确定熬数值和小数位，若定点运算的“标点”您得不台适，会使运算结果太大对，谯黪选取静定点格式下不藐完全表示露发生滏赛。露栗对滋爨结票不作处理，可麓导致性能恶讫。所以，在系统中，必须采取防止溢出的捺施，亦郎转入正常工作的非溢出状态。即为了防止溢出，在编制软件时，应根据输入信号的动态范围，选取合适的定标系数，或者采取软件限幅。
４．２。４软终缝稳谩讨
在ＤＳＰ构成的数字伺服系统中，软件设计也威该应用模块化的原理与概念，遵循“自顶丽下”的递阶结构设计方法，把一个大型任务分解成若干个相互有联系的小任务模块。也就是说，落赡规划高层模块的黩标和约束条件，然后透层设诗关键经鼹麓模块，在主程痔熬楚铡下憝一个舔屡功缝模块煮凝这结会怒束完成系统所规定的任务。
此外，掇制软件采用模块化设计结构，可使软件开发和软件修改过稷更方便，软件可靠饿进一步提高。在伺服控制系统设计中应充分利用标准化形式的控制算法寒编露ｌ模浚亿较臀。在壤制程序辩，每～个软件模块瘦捧为一个子程序塞缀写，与主程廖之黼应兵有清晰丽有效的接弱赛蘑（参数传递、难棱使用……）。必了使模块的功能通用化，在每个模块运算中所用到的数据存取应使用间接释址，而
第四章测速系统软件设计
不使用直接寻址。除非这些变量的值为常数，才使用直接寻址方式。
总之，伺服系统控制软件采用模块化设计，结构清晰，可读性强，同时也可方便地对控制规律进行修改。如果要实现复杂控制算法，只需按照算法编成相应的模块，固化到ＢＰＲＯＭ中，通过模块的某种组合就可构成所需要的控制算法。这种积木式的软件，使用方便，是ＤＳＰ伺服系统的发展趋势。
ＤＳＰ芯片的高级语言和汇编语言混台编程。““““
用高级语言进行ＤＳＰ的开发是ＤＳＰ发展的重要方向。本论文的软件部分采用了ＤＳＰ芯片的汇编语言与ｃ语言的混合编程的方法，较好的实现了最初的预定目标，为实现在控制系统上用Ｃ语言开发ＤＳＰ做了初步的探索，也为今后用Ｃ等高级语言实现对ＤＳＰ的进一步开发打下了坚实的基础。
对于ＤＳＰ芯片的汇编语言编程和ｃ语言编程，这两种方式各有所长。用ｃ语言开发ＤＳＰ芯片，开发速度快，可读性好，可移植性好。而用汇编语言开发ＤＳＰ芯片则对ＤＳＰ芯片的软硬件资源利用充分，程序代码的执行效率高。在ＤＳＰ的运算能力比较宽裕，实时性要求不是很强的场合，利用Ｃ语言编程非常合适。在对运算速度以及实时性要求极高或者是在不能扩展外部存储器而且片内存储器又非常有限的条件下，就必须使用汇编语言了。由于Ｃ代码的执行效率与直接用汇编语言编程还是有一定的差距。所以多数人希望开发的ＤＳＰ程序可读性好、可移植性高、结构性好：同时又能在一定的条件下保证程序的执行效率，尤其是一些关键的算法及中断程序希望用汇编语言来编程。还有，ｃ语言对ＤＳＰ硬件的控制比汇编语言困难得多。而用汇编语言和ｃ语言对ＤＳＰ进行混合编程就可以弥补以上不足，既可以使程序具有较好的可读性和可移植性，又可使程序具有较高的效率，实践证明是编写实时ＤＳＰ程序的一种常用的方法。值得特别指出的是，在ＤＳＰ的高级语言编程中，除了ＡＮＳＩｃ语言之外，通过一定的步骤，ｃ＋＋，ＶＩＳＵＡＬＣ／Ｃ＋＋，甚至ＭＡＴＬＡＢ中的大部分程序都可以通过转化为Ｃ语言而直接在ＤＳＰ中运行。这可以大大缩短ＤＳＰ产品开发的周期。４．３
４．４程序设计在第三章硬件设计的基础上，遵循模块化的设计原则，用Ｃ和汇编语言混合
编码器测速方法的研究
编程的方法完成了本实验的软件部分设计。该软件将各个功能模块综合起来，按照主程序和中断程序两部分完成了整体程序的设计。具体说来，软件的主体部分是用ＡＮＳＩＣ语言编写的，而例如小数除法或反正切函数这样的运算速度要求较高的函数是用汇编语言编写的，而且提供了与Ｃ语言兼容的接口，这样，可以从任一个ｃ程序中调用相关的汇编语言，较好的实现了Ｃ和汇编语言的混合编程。起简要程序框图如图４—１和４—２所示。
设置ＥＶＡ，ＥＶＢ中的Ｔ１，Ｔ２，Ｔ３
设置中断方式，启动中断
＿
定时器２有溢出否？
■Ｔｌ有溢出否？
一
图４－１主程序流程图
．ＦｌｏｗＣｈａｒｔｏｆＭａｉｎＰｒｏｇｒａｍ
第四章测速系统软件设计
开始
关闭中断
求出计数值
设置定时器２时间常数Ｎ
满足精度要求？
读出标准时间计数值——』＜一
需要调节标准时间？
Ｙ输出测量值，求速度打开中断
计数溢出？设置定时器３时间常数
溢出处理
图４－２中断程序流程图
Ｆｉｇｕｒｅ４－２．ＦｌｏｗＣｈａｒｔｏｆＩｎｔｅｒｒｕｐｔＰｒｏｇｒａｍ
４．５本章小结
本章从软件设计的角度介绍了以变Ｍ／Ｔ法为基础，由ＴＭＳ３２０ＬＦ２４０７和ＣＰＬＤ在增量式编码器上实现对转台转速的测量的过程。本章在传统使用单片机等微处理器的基础上，首先针对用ＴＭＳ３２０ＬＦ２４０７实现测速算法中所遇到的几个实际问题：定点运算与定标、有限字长效应、上溢和下溢处理、软件结构设计进行了介绍，从中指出针对实际系统各种参数的需要确定合适的定标格式及采用模块化设计的重要性，并在此基础之上，详细讨论了语言编程（即汇编语言与ｃ语言混合编程）的问题。这些都为本文最终实现软件部分整体采用汇编语言与Ｃ语言混合编程、数据处理部分采用Ｑ１５定点数表示等方法打下了坚实的基础。
编码器测速方法的研究
第五章实验结果及结论
５＋１实验结果
在第三、四章测速系统软硬件设计的基础上，完成了对电机转速的测量。实验中的具体参数为：Ｐ＝２“，ｎ＝３２，，＝２０×１０３Ｈｚ。当转速为１７．２。／ｓ一１００。／ｓ，系统采样频率为Ｔｒ＝８００Ｃ／Ｓ时，用位置差分法很容易实现精度为０．１％的速度测量：而当转速为０．０１。／ｓ－－１７．２。／ｓ时，用上述方法便很难满足系统要求了，所以本文实验部分重点对转台低速转动时的速度进行了测量。由上述方法实验测得当转台低速旋转时，取（Ｃ．ｉ＋Ｉ－Ｃ。．）为１，测得（Ｃ。．一Ｃ。．）约为３４３２。所以，其对应
的测速结鼽矿＝等篆等她００４００ｌ（Ａ其测速精胁
￡＝％，＝％４３２￣００３０９％
图５－１显示了上述方法所得的转台低速转动的速度测试曲线。
一
套、
倒ｆ
ｏ
ｏ
ｏＶ
型
瑚
图５－１速度测试曲线
Ｆｉｇｕｒｅ５－１．ＳｐｅｅｄＭｅａｓｕｒｅｍｅｎｔＣｕｒｖｅ
由图可知：转台此时的速度为０．００４。／ｓ（小于０．００５。／ｓ的稳定值），速度峰一峰值为０．００１４／ｓ，相应的测量精度为０．０３０９％，实验结果符合系统最初设
第五章实验结果及讨论
计指标的要求。
５．２结论
转台是光电精密跟踪系统的重要设备。本文以７１８转台为实验对象，在详细的分析了各种脉冲计数的测速方法后，用ＤＳＰ和ＣＰＬＤ混合技术及变Ｍ／Ｔ法实现了对电机转速测量。具体而言，在速度开环状态下的低速转动测量时，用新型控制电机处理器ＴＭＳ３２０ＬＦ２４０７和ＣＰＬＤ及变Ｍ／Ｔ法在光电编码器上得到０．００４。／ｓ的低速测量结果，实验结果符合系统最初设计指标要求。
作者认为在测速的理论和实践方顽，还有许多工作有待于完成：
１．本文只对转台的低速性能进行了测试，而对其高速性能只进行了理论说明，
并未进行实际数据测试，这一部分工作有待进一步探讨；
２．本文在编码器与直流测速机低速测速结果的对比研究上，只讨论了纹波电压
的影响，而未对诸如直流测速机的线性度和温度稳定性等其他方面进行探讨，这些工作有待进一步研究；
３．实时转速测量和速度预测是本文尚未讨论的问题，如何针对系统要求设计出
相应的测速算法，以便更好的为控制系统服务等均是有待讨论的问题；
４．对于用Ｃ（等高级语言）及其与汇编语言混合编程的方法开发ＴＭＳ３２０Ｃ２０００”
是一个较新的课题，具体的编程技巧和开发方式也是一个从起步一成熟一完善的过程。如何将高级语言用于ＤＳＰ控制领域，以实现开发速度快、可读性好、可移植性好、结构简单的程序化设计还是一个有待研究的课题；
总之，ＤＳＰ用于电机转速的测量是一个较新的问题，还有许多内容需要研究，而且如何将实验室研究成果应用于工程实践等一系列问题均等待有志者的进一步研究与探讨。
编码器测速方法的研究
参考文献
［Ｉ］胡寿松．自动控制原理第三版．国防工业出版社．１９９４
［２］刘辉纯数字电影经纬仪控制系统．中科院长春光机所硕士论文．１９８７
［３］秦继荣，沈安俊现代直流伺服控制技术及其系统设计．第一版机械工业出版社１９９ｉ［４］李秋明，张羽飞等．转台控制系统数字化设计的研究．哈尔滨工业大学学报１９９８，３０（４）［５］赵闻常主编自动控制元件哈尔滨工程大学出版社１９９３
［６］徐承忠，王执铨，王海燕著．数字伺服系统．第一版，国防工业出版社．１９９４
［７］陈娟伺服系统低速特性与抖动补偿研究．中国科学院博士学位研究生学位论文．２００１，８［８］王建立，陈涛，陈娟，王世杰．提高光电经纬跟踪快速运动目标能力的一种方法光电Ｔ
程，２０００．Ｎｏ．２
［９］王建立，陈涛等．跟踪架频率特性的测试与数据分析，光学精密工程，２００１．Ｎｏ．４［１０］王建立．电视同轴跟踪技术研究工作汇报．中科院长春光机与物理研究所．２００１，９
［１ｉ］王建立，陈娟等．位置差分数字测速传递函数的推导．光学精密工程．２００１，Ｖ０１．９，Ｎｏ．ｉ［１２］李亚红控制系统的仿真ＭＡＴＬＡＢ计算机自动测量与控制
［１３１１９９６年４月Ｂ．Ａｒｍｓｔｒｏｎｇ—ＨｅｌｏｕｖｒｙＦｒｉｅｔｉｏｎａｌＭｅｍｏｒｙｉｎＳｅｒｖｏＣｏｎｔｒ０１．Ｐｒｏｃ．ｏｆｔｈｅＡｍｅｒｉｃａｎ
ＣｏｎｔｒｏｌＣｏｎｆｅｒｅｎｃｅ，Ｂａｌｔｉｍｏｒｅ，Ｍａｒｙｌａｎｄ，１９９４
［１４］熊经武，万秋华．２３位绝对式光电轴角编码器．光学机械．１９９０，Ｎｏ．２
［１５］刘丰文，邓文和．２５位绝对式编码器．２０００，Ｖ０１．２７，Ｎｏ．６
［１６］董丽丽，熊经武，万秋华．光电轴角编码器的发展动态．光学精密工程．２０００．Ｖ０１．８，
Ｎｏ．２
［１７］刘丰文．高精度绝对式编码器的信号处理．光电工程１９９９，Ｖ０１．２６，Ｎｏ２，６３’６７［１８］张彤，王作斌．微型计算机在光电轴角编码器中的应用．光学机械．１９８５，ＮＯ．４［１９］曹振夫．２６０Ｍ光电轴角编码器结构及原理．光学精密工程．１９９５，Ｖ０１．３Ｎｏ．５
［２０］吴凡，刘恩海，方玉廷．ＧＢＪ２８０高精度绝对式光电轴角编码器．光电工程２００１年１２
月
［２ｉ］丁林辉，编码器误差及精度检定讲义
［２２ＪＨｉｇｈ—ｒｅｓｏｌｕｔｉｏｎｅｎｃｏｄｅｒ，《ＭａｃｈｉｎｅＤｅｓｉｇｎ》，１９８７，Ｎｏ５
［２３］王秀兰，王磊，减小莫尔条纹细分误差的新方法．自动化与仪表，１９９１，ＶＯＬ．９，ＮＯ．５［２４］熊经武，王永臣，莫尔条纹乘法倍频．仪器仪表学报，１９８４年，ＶＯＬ，５，ＮＯ．２
［２５］千作斌．莫尔条纹信号的快速细分方法．长春光学精密机械学院学报，１９９１，ＶＯＬ．１４，
Ｎ０２
［２６］浙江大学，莫尔条纹的电子学细分，１９７６［２７］李怀琼，陈钱等一种用软件来实现的莫尔条纹数字化细分技术．计量技术．２０００，Ｎｏ．３
参考文献
［２８］张彤，王作斌．微型计算机在莫尔条纹信号细分中的应用，长春光学精密机械学院学
报．１９８５，Ｎｏ．２
［２９］朱应时，高正交关系的莫尔条纹信号光学机械，１９８６，ＮＯ．３
［３０］苏绍景，吕海宝，李圣恰．基于ＤＳＰ的宽动态范围莫尔条纹计数与精密细分技术，现代
电子技术２００１年４月
［３１］王作斌．计算法细分的迸一步探讨．长春光学精密机械学院学报１９８７，Ｎｏ．１
［３２］［美］Ｐａｕｌｓ．Ｒ．Ｃｈｉｓｈｏｌｍ等著．ｃ语言编程常见问题解答，清华大学出版社２００１
［３３］ＴＭＳ３２０Ｆ／Ｃ２４ｘ
［３４］ＴＭＳ３２０Ｆ／Ｃ２４０
ＲｅｆｅｒｅｎｃｅＤＳＰＣｏｎｔｒｏｌｌｅｒｓＣＰＵａｎｄＩｎｓｔｒｕｃｔｉｏｎＳｅｔ，ＴｅｘａｓＩｎｓｔｒｕｍｅｎｔ．１９９９ＤＳＰＣｏｎｔｒｏｌｌｅｒｓＰｅｒｉｐｈｅｒａｌｓＬｉｂｒａｒｙａｎｄＳｐｅｃｉｆｉｃＤｅｖｉｃｅｓＧｕｉｄｅ．ＴｅｘａｓＩｎｓｔｒｕｍｅｎｔ．Ｊｕｎｅ１９９９
［３５］ＴＭＳ３２０ＬＦ／Ｃ２４０ｘＤＳＰＣｏｎｔｒｏｌｌｅｒｓＳｙｓｔｅｍａｎｄＰｅｒｉｐｈｅｒａｌｓＲｅｆｅｒｅｎｃｅＧｕｉｄｅ，Ｔｅｘａｓ
Ｉｎｓｔｒｕｍｅｎｔ．Ｊａｎｕａｒｙ２０００
［３６］ＣｏｄｅＣｏｍｐｏｓｅｒＵｓｅｒ’ｓＧｕｉｄｅ，ＴｅｘａｓＩｎｓｔｒｕｍｅｎｔ．１９９９
ｓ［３７］ＴＭＳ３２０Ｃ１ｘ／Ｃ２ｘ／ｃ２ｘｘ／ｃ５ｘ
２０００ＡｓｓｅｍｂｌｙＬａｎｇｕａｇｅＴｏｏｌＵｓｅｒ’ｓＧｕｉｄｅ，ＴｅｘａｓＩｎｓｔｒｕｍｅｎｔ．
［３８］Ｔｍｓ３２０ｃ２ｘ／Ｃ２ｘｘ／Ｃ５ｘＯｐｔｉｍｉｚｉｎｇＣＣｏｍｐｉｌｅｒＵｓｅｒ’ｓＧｕｉｄｅ．ＴｅｘａｓＩｎｓｔｒｕｍｅｎｔ．１９９９
［３９］王念旭等编著．ＤＳＰ基础与应用系统设计．北京航空航天大学出版社．２００１年８月
［４０］ＴＭＳ３２０Ｃ２ｘｘ高速数字信号处理器原理与应用．北京闻亭科技发展有限公司．１９９８
［４１ｊ胡』’书编著数字信号处理理论、算法与实现．北京．清华火学出版社．１９９７
［４２］王念旭等编著．ＤＳＰ基础与应用系统设计．北京航空航天大学出版社．２００Ｉ
［４３］张雄伟编著．ＤＳＰ芯片的原理与应用．北京．电子工业出版社．１９９７
［４４］黄风英主编．ＤＳＰ原理与应用．南京．东南大学出版社，１９９７
［４５］谭浩强编著Ｃ程序设计．清华大学出版社．１９９７
［４６］陈亮，张雄伟．ＴＭＳ３２０Ｃ２ＸＸ的软件开发调试．电子工程师．１９９９，Ｎｏ．７
［４７］胡洪凯，郑红，吴冠．ＴＭＳ３２０Ｃ５４ＸＤＳＰ混合编程的方法研究．电子技术应用．２００ｉ，Ｎｏ
［４８］张春，王志华．ＡＤＳＰ２ＩＸＸＤＳＰ的Ｃ和汇编混合编程技术．计算机应用．１９９９，Ｎｏ．８
［４９］ＤＳＰＳｏｌｕｔｉｏｎｆｏｒＢＬＤＣＭｏｔｏｒｓ．ＴｅｘａｓＩｎｓｔｒｕｍｅｎｔ．１９９７
Ｃｏｎｔｒ０１．Ａｕｔｈｏｒｓ：Ｋａｉ８［５０］ＵｓｉｎｇｔｈｅＴＭＳ３２０Ｃ２４ＸＤＳＰＣｏｎｔｒｏｌｌｅｒｆｏｒＯｐｔｉｍａｌＤｉｇｉｔａｌ
Ｍ．Ｃｈｕｎｇ，ＡｓｔｒｏＷｕ，ＴｒｅｓｎａＨｉｄａｊａｔ．ＴｅｘａｓＩｎｓｔｒｕｍｅｎｔ．１９９８
［５１］ＭｏｔｏｒＳｐｅｅｄＭｅａｓｕｒｅｍｅｎｔＣｏｎｓｉｄｅｒａｔｉｏｎｓＷｈｅｎＵｓｉｎｇＴ船３２０Ｃ２４ｘＤＳＰｓＳｈａｍｉｍ
Ｃｈｏｕｄｈｕｒｙ．ＴｅｘａｓＩｎｓｔｒｕｍｅｎｔ．２００１，８
ＳｙｎｃｈｒｏｎｏｕｓＭｏｔｏｒ［５２］Ｄｉｇｉｔａｌ
ＴｅｘａｓＳｉｇｎａｉＰｒｏｃｅｓｓｉｎｇＳｏｌｕｔｉｏｎｓｆｏｒＰｅｒｍａｎｅｎｔＭａｇｎｅｔＩｎｓｔｒｕｍｅｎｔ．１９９７
［５３］ＤｉｇｉｔａｌＳｉｇｎａｌＰｒｏｃｅｓｓｉｎｇＳｏｌｕｔｉｏｎｓｆｏｒＡＣＩｎｄｕｃｔｉｏｎＭｏｔｏｒ．ＴｅｘａｓＩｎｓｔｒｕｍｅｎｔ．
编码器测速方法的研究
１９９８
［５４】ＩｍｐｌｅｍｅｎｔａｔｉｏｎｏｆａＳｐｅｅｄＦｉｅｌｄＯｒｉｅｎｔｅｄＣｏｎｔｒｏｌｏｆ３－ｐｈａｓｅＰＷＳＭＭｏｔｏｒｕｓｉｎｇ
ＴＭＳ３２０Ｆ２４０．ＥｒｗａｎＳｉｍｏｎ．ＴｅｘａｓＩｎｓｔｒｕｍｅｎｔ．１９９９
［５５］ＴａｂｌｅＬｏｏｋ－ｕｐａｎｄＩｎｔｅｒｐｏｌａｔｉｏｎ
９９７ｏｎｔｈｅＴＭＳ３２０Ｃ２ＸＸ，ＴｅｘａｓＩｎｓｔｒｕｍｅｎｔｓＩｎｃ，ｌ
［５６］ＤｉｇｉｔａＩＭｏｔｏｒＣｏｎｔｒｏｌＳｏｆｔｗａｒｅＬｉｂｒａｒｙ．ＴｅｘａｓＩｎｓｔｒｕｍｅｎｔｓ，Ａｕｇｕｓｔ２００ｔ
［５７］ＡＣＩｎｄｕｃｔｉｏｎＭｏｔｏｒＣｏｎｔｒｏｌＵｓｉｎｇＣｏｎｓｔａｎｔｖ／ｚＰｒｉｎｃｉｐｌｅａｎｄＳｐａｃｅＶｅｃｔｏｒＰ硼
ＴｅｃｈｎｉｑｕｅｗｉｔｈＴｍｓ３２０Ｃ２４０．ＺｈｅｎｙｕＹｕａｎｄＤａｖｉｄＦｉｇｏｌｉ．ＴｅｘａｓＩｎｓｔｒｕｍｅｎｔ．１９９８
［聃］ＤｉｇｉｔａｌＳｉｇｎａＩＰｒｏｃｅｓｓｉｎｇＳｏｌｕｔｉｏｎｓｆｏｒＭｏｔｏｒＣｏｎｔｒｏｌＵｓｉｎｇｔｈｅＴＭＳ３２０Ｆ２４０
ＯＳＰ—Ｃｏｎｔｒｏｌｌｅｒ．Ａｕｔｈｏｒ：Ｓ．ｇｅｊｅｒｋｅ．ＥｓｌＥＥ．ＴｅｘａｓＩｎｓｔｒｕｍｅｎｔ．１９９６
［５§］俺立黩．ＭＣＳ－５１系裂单鸶搬寂翅系统设计一系统酝鬻毒接曩。ｊ￡豪靛空靛天天学是叛
桂。１９８７
［６０］柳义利，＃Ⅱ海霞等．高速逢缨频率测量．电子测量技术
［６１］魏刚，黄志辉等．用Ｃ语言编制精确定时软件实现转遵测量．电子技术．２００１，Ｎｏ．１０
［６２］邱宏蜜，朱治富．一种高精度旋转编码器单片机技术电路的实现．计算机自动测量与控
涮．２０００．８（３）
（６３】陈敬泉，尔联活等．焉Ｐ８９ＣＳｌＲＣ＋ｌＡ帮Ｅ《Ｐ７０６４Ｓ实璃转速潲量，电子技术应潮，２００１，
Ｎｏ１０
［６４］朱大奇．一种高精度测频电路设计．电气与自动化．１９９７，Ｎｏ．４
［６５］张锦江，陈兴林等．三轴转台遽攀的数字实现．中国惯饿技术学报．１９９９，Ｎｏ。７
［秘］耱英撼，舄糍瓣．孳片辍转速转教数字霾ｌ量系统，测试鼓零
［６７］孙德．肇片橇控制的步迸电枫鑫适应调速方法．电子岛蠡动佬．１９９９，Ｎｏ。１
［６８］高玉琴．一种全数字高精度转速测量方法
［６９］王连明，葛文奇，谢慕君．采样贼率、系统延迟对跟踪系统稳定性能的影响．光学精密
工程，２０００年８月
［７０］余馥袭．髑攘嚣法测量转速瓣方渡搽讨．诗量与弱试技本．２００１，Ｎｏ。６
［７ｌ】榜川，魏滋钦，１４，攘．离密麓在系统可编程逻辑器件在全数字转速涮量申昭应磺．制
造业自动化．２０００，Ｎｏ．７
［７２］刘亚求，攀从心，王小新．用ＰＣ定时器实现步进电机控制脉冲微秒级精确定时的方法．
测控投术，２００１，Ｖ０１．２０，Ｎｏ．１０
［７３ｊ强涛，豢承意，ｔｔ７－蘸频方法麓鹾巍，长春光学捧密掇械擎貔擎掇．２００１冬３弼
［７４】危金《辉，稼德田，徐锈袜．测试系统豹精确定对闻题及解决方案．计葬枫鸯秘测量与控
制．２００１，Ｎｏ．３
［７５］曹坤，郝奎，夏超英．ＡＤ＾ｌＣ４０１测速分析及实用算法．电气自动化．２００１，Ｎｏ，４３８
致谢
致瀣
在此论文完成之际，首先向导师陈涛研究员袋示深深的谢意。感谢导师在
我攻读硕士学位期间给予的学术上的指导、实际动手能力的培养、实骏工作的全
力支持以及生活上静关心和照黩。昧老师扎实的理论功底、丰富斡实践经验、敏
捷的愚维鞫锐意逶取敢于锇薪豹时代精褥使我终巍受益，它将激藏我永远淘羞更
高的目标努力拼搏。
感谢光电研究部电子学组桶华、曹永刚、王芳、卢洪玉、王庆延、苏宛新、
刘栖山、王地男、于惠珠等各位老师在我学习期阈对生活和工作上给予的大力支
强纛帮韵，楚悠销挺筷了尽露熬戆经巅磊释帮王终缎验方嚣豹援罨，筏我矮弱熬
完成了学业和毕业设计，在这羼，我向他们表示忠心的感谢。
感谢李贵生老师在我整个学习期间给予的帮助。李老师严谨的治学态度，忘
我的工作精神，谦逊的学者风范，对新知识不懈追求的欲望及其乐观的处事态度
绘我整下了深劐懿印象。特别怒｛瞧独巨匠心、鑫枣菩麓教豹培姜方式，谈泼褒这短
暂的两年中，在基础知识幂妥动手能力方面都有了一怒程度的提高。是套老师缨心
到位的指导，使我在这个新的领域有了正确的起步，并将沿着这一方向继续不懈
的追求、探索。
感谢哭惑舞、刘杰两位老炳在理论和实验方蕊给予的全力帮助和攒鼯。是毡
稍靠叁己享鬻瓣实筏经验对我掰遴霹题懿分辑释警，才使我麓鼷弱戆完戏毕监论
文。在这里，我向他们表示最诚挚的谢意。
感谢陈娟、王建立、翟百服、吉桐柏、韩晓泉镣师姐师兄弟们在论文的撰写
过程中所掇始合理化建议，及整个硕士期间给予我的帮助。
感谢我懿澍学粥在漾蘑骚究粒沦文撰写，殴及燕个攻读矮±蘩窝绘予获懿无
私帮助。
感谢研究生部各位老师在我攻读硕士期间对我缴活、学习上的热情帮助与照
顾。感谢掰蠢謦经关心和蘩韵过我翁人们。
编码器测速方法的研究
作者简介
赵岩（１９７５一），女，吉林省长春市人。１９９８年毕业于吉林工学院轻纺工程
系。现在中科院长春光学精密机械与物理研究所攻读硕士学位。主要从事编码器测速方法的研究和ＤＳＰ开发方面的工作。
作者在攻渎硕士期间所发表的文章
１．赵岩，刘杰，陈涛，王建立
２００２年第十期“数字测速方法的研究”，《光机电信息》
４０
编码器测速方法的研究
作者：
学位授予单位：
被引用次数：赵岩中国科学院研究生院(长春光学精密机械与物理研究所)2次
本文读者也读过(4条)
1. 焦东升.张秀彬.应俊豪.Jiao Dongsheng.Zhang Xiubin.Ying Junhao 基于正交编码器高精度测速方法的研究
[期刊论文]-微型电脑应用2010,26(10)
2. 宋刚.秦月霞.张凯.胡德金 基于普通编码器的高精度测速方法[期刊论文]-上海交通大学学报2002,36(8)
3. 郭李艳.何萍.李美莲.GUO Li-yan.HE Ping.LI Mei-lian 一种应用TMS320F2812和编码器测量电机转速的方法
[期刊论文]-桂林航天工业高等专科学校学报2007,12(3)
4. 葛芦生.张英杰.王兆聚 脉冲编码器、测速发电机性能自动测试分析系统[期刊论文]-工业仪表与自动化装置2001(5)
引证文献(2条)
1.李新安.李秀娟 基于FPGA和PCI的高精度测速板卡的设计与实现[期刊论文]-现代电子技术 2010(21)
2.王延军.纪文刚.吴立志.代峰燕.孙法强 超低速运动提拉装置的系统设计与应用[期刊论文]-北京石油化工学院学报 2009(1)
本文链接：http://d.g.wanfangdata.com.cn/Thesis_W024158.aspx