高精度数字测速及动态位置检测算法

全数字交流伺服系统广泛采用增量式光栅编码器作为位置和速度传感器,编码器分辨率直接影响伺服系统的速比和低速平稳性,为此,高性能伺服系统往往选用高分辨率编码器或者对编码器信号进行高倍率电子细分,此举不可避免地增加了反馈环节的成本和复杂性[1,2]。因而多数通用伺服系统往往采用分辨率适中的编码器以寻求性能与成本的平衡,然而有限的分辨率就成为保证和提高伺服系统性能的主要瓶颈。幸运的是增量式光栅编码器的反馈脉冲信号中不仅包含精确的位置信息,也包含着丰富的时间信息,妥善利用这一特性可以保证和提高全数字交流伺服系统的速度及位置反馈分辨率,以提高伺服控制性能。

利用增量式光栅编码器反馈脉冲信号测量伺服电机转子速度的常用数字测速方法有3种:即M法、T法和M/T法[3,4]。

1) M法是直接计取给定采样周期内的反馈脉冲数来测量速度,其特点是高速时测速精度高、低速时测速精度低。

2) T法是通过测量两个相邻反馈脉冲的间隔时间来测量速度,其特点是低速时测速精度高、高速时测速精度低,恰恰与M法相反。

3) M/T法是在大致相等的采样间隔内,计取Cm个反馈脉冲,并同时计取这Cm个反馈脉冲间隔内插入的高频时标信号数Ct,以测量速度。其速度公式为

其中:kR为反馈信号脉冲当量,f0为高频时标频率,Cm为采样周期内计取的反馈脉冲数,Ct为Cm个反馈脉冲间隔内插入的高频时标信号数。M/T法结合了M法和T法优点,同时也克服了各自的缺点,可以在整个测速范围内保持测速精度的一致性。因此M/T法最适于构建针对增量式光栅编码器反馈脉冲信号的高精度数字测速算法。但是,经典的M/T也存在不足之处,即采样时机的不确定性给定周期采样的数字伺服控制系统带来很大的不方便,为此又出现了变M/T法、双缓冲法等方法以进一步改善M/T法的性能和实用性[5,6]。

本文以改进的M/T法为基础,利用32位浮点运算的计算能力,充分发掘增量式光栅编码器反馈脉冲信号的位置信息和时间信息,以构建高精度数字测速及位置检测算法,提高数字交流伺服系统的反馈分辨率。

1　高精度数字测速算法

基于32位浮点运算和改进的M/T法的高精度数字测速算法的硬件原理参见图1,主要由32位浮点型数字信号处理器(DSP)和改进的M/T法测速逻辑电路组成。改进的M/T法测速逻辑电路由反馈脉冲计数器及其数据锁存器Cm,以及高频时标计数器及其两级数据锁存器Cf和Ct构成,用于对反馈脉冲信号及高频时标信号进行计数和定周期采样;其中锁存器Cm和Ct由定周期采样信号触发,锁存器Cf由反馈脉冲信号fp触发。32位浮点DSP则用于对上述采样值进行实时处理和运算,实现高精度数字测速算法。