基于增量光电编码器的车速控制器设计

引言

在智能小车运动控制中，车速是电机控制中的一个重要物理量，车速检测装置是系统的重要组成部分。目前，国内外常用的测量车速的方法有离心式转速表测速法、微电机测速法、光电码盘测速法以及霍尔元件测速法。离心式转速表和微电机测速都要与电机同轴连接，增加了电机机组安装难度,消耗了电机的功率。霍尔元件和增量式光电码盘的测速方法基本类似，都是在转轴上安装一个很轻巧的传感器，将电机的转动信号通过霍尔元件或光电码盘转换为电脉冲，从而通过计算电脉冲的个数来测速。其中，霍尔元件测量精度相对较低,因此高效率车速传感器都采用编码器，有分辨率高、结构简单、体积小、响应速度快、耐恶劣环境、工作可靠、易于维护、性价比高等优点。

1增量式光电编码器的测速原理

1.1增量式光电编码器的构成及工作原理

增量式光电编码器(以下简称光电码盘)由光源、光栅码盘和光电检测变换装置组成，光电码盘可随主轴转动。在一定大小的圆盘上等分地开通若干个长方形透光孔就形成光栅码盘，当主轴旋转时，光源照射码盘，透过光孔的光经光电管等电子元件组成的检测变换装置检测输出电脉冲，这样光电码盘就随位置的变化输出一系列的电脉冲信号,然后根据转动变化的方向用计数器对信号进行加/减计数,以此达到位置检测的目的，通过采样固定时间内的脉冲数,经过转换计算得到速度。光电码盘构成如图1所示。

1.2光电编码器的选用

选用光电编码器时，首先应当考虑的是通道数。增量式光电编码器分为单通道（不检测方向）、双通道（可检方向）和三通道(可检方向、判零位)。本设计根据使用要求选用的是双通道光电编码器；其次是脉冲倍频数，可选用双通道脉冲四倍频；另外，分辨率可根据速度控制精度要求来确定；脉冲频率应满足最高速度要求，本设计选用5V供电，输出形式为OC门方波信号。

1.3四倍频可逆计数电路

一个N脉冲数的光电码盘旋转1周只输出N个脉冲，引入四倍频方法后，光电码盘每旋转1周，则输出4N个脉冲,这样光电码盘的分辨率就提高了4倍，测速精度大大提高。

光电码盘是根据轴所转过的角位置输出Q1、Q2两路正交系列脉冲，通过判向和可逆计数电路，对脉冲进行累积计数得到角位移。在实际应用中，采用四倍频的方法可以提高光电码盘的分辨率来保证测量精度。光电码盘输出的正反转波形如图2所示。

Q1、Q2为两相信号的脉冲数标志光电码盘所转过的角度，Q1、Q2之间的相位关系标志光电码盘的转向。即：当Q1相超前Q2相90°时，表示光电码盘正转；当Q2相超前Q1相90°时,表示光电码盘反转。

从图2可知，在一个周期内，Qi、Q2信号都有两次脉冲形成。两方波信号之间相位关系是一定的，信号的上升沿和下降沿的四次变化在相位上是均布的，这样就可以利用跳变沿变化信号来实现光电码盘转动方向的判别和脉冲的四倍频。

为了便于实现四倍频及判向电路，现对光电码盘信号作如下分析:

当光电码盘顺时针旋转时，光电码盘输出的Q1相位信号超前Q2相位90。，定为正转；当光电码盘逆时针旋转时,光电码盘输出的Q2相位信号超前Q1相位90。，定为反转。

当光电码盘顺时针正转时，则恠一个周期内，Qi、Q2两相信号共有四次相对变化：10—11一01一00。这样，每发生一次变化，可逆计数器便实现一次加计数，则一个周期内，共可实现四次加计数，从而实现正转状态的四倍频计数。

当光电码盘逆时针反转时，则恠一个周期内，Q1、Q,两相信号也有四次相对变化，01一11一10一00。每发生一次变化，可逆计数器便实现一次减计数，则一个周期内，共可实现四次减计数，从而实现反转状态的四倍频计数。

光电编码器四倍频电路一般由脉冲采样电路、脉冲序列形成电路、判向电路构成。具体电路如图3所示。

从图3分析可知，编码器在正转的情况下，每个周期P+口都输出4个脉冲，P-口没有输出；反转时，P+口没有输出，P-口输出4个减脉冲。这样，此电路就实现了四倍频的功能。

1.4测速原理

采用脉冲测速的方法有三种，分别是测频法(M法)、周期法(T法)和综合法(M/T法)。测频法是在一定的时间T内测取编码器输出的脉冲个数M，用以计算这段时间内的平均转速，称作M法测速，该方法多在测量高速时采用；周期法则是在编码器两个相邻输出脉冲的间隔时间内，用一个计数器对已知频率为f的高频时钟脉冲进行计数，并由此来计算转速，称作T法测速，T法多在测量低速时采用；第三种方法是把M法和T法结合起来，既检测T时间内编码器输出的脉冲个数M1，又检测同一时间间隔的高频时钟脉冲个数M2，然后用来计算转速，称作M/T测速法，该方法适用于所有转速范围，是一种比较好的测量方法。但从工程实现上看，M/T法的工程实现比较困难，所需硬件资源多、软件复杂，并且在应用中的实时性差，因为需要同步，所以实际定时时间滞后于设定时间，具有迟滞性而且测速精度具有非线性，只有在低速时才有较高的测量精度。由于本设计中光电码盘一般工作在较高速度，所以，使用的是M法测速。其计算公式为：

2速度控制器设计

2.1速度控制器硬件构成

速度控制器以ATmegA128单片机为控制核心，以MC33886PWM桥式电机驱动器、光电编码器及四倍频电路为速度反馈传感器构成速度控制器硬件。其电路如图4所示。

ATmegA128最小系统是控制核心，由ATmegA128芯片组、时钟电路、复位电路、RS232接口、调试接口及接插件等构成。该系统采用AVR系列单片机中功能较强的ATmegA128，该芯片具有比较丰富的片上资源，其内部集成有128KB的FLASH存储器、4KB的E2PROM、多个可编程I/O口，四通道PWM等接口，允许ATmegA128和其他外设进行高速的数据传输。系统结构紧凑，可靠性高，响应速度快，功能强大，性价比高。

电机驱动器采用MC33886H桥式PWM开关IC。它是集成H桥式电机驱动器，具有短路保护、欠电压保护、过温保护功能。该IC由内部控制的逻辑、电荷泵、栅极驱动器、MOSFET功率输出电路组合，可以接受高达10kHz的2路PWM信号来控制电机的转向和速度。由于MC33886的导通电阻比较大，产生了较大的压降，使芯片容易发热，为了增强其驱动能力利用3块MC33886并联使用，提高驱动能力。2.2速度控制策略

图5所示是数字调速系统的结构图,其中以单片机为核心的数字速度环采用PI调节器。

图5中的数字化的位置式PI调节器可用如下公式表达：

式中，k为采样序列号，uk为第k次采样时刻的输出值，uk-1为第k-1次采样时刻的输出值，ek为第k次采样时刻输入的偏差值，ek-1为第k-1次采样时刻输入的偏差值，T为采样周期，TI为积分时间常数。

由式(2)、式(3)可得增量式PI算法的表达式如下：

式中，Dut为第k次采样时刻的输出增量值。

从式(4)和式(2)比较可以看出，增量式PI算法只与最近两次采样值有关，不需要进行大量的数据累加和存储，不易引起误差积累饱和，易于数字化，计算量少，实时性好。

为了控制智能车在启动、行进、倒车、转弯、刹车等动作时快速响应且超调量小，运行平稳，快速有效躲避障碍物等问题，必须设计好控制策略。数字PI调节器算法有增量式和位置式两种方式。从式(4)分析可知，增量式与位置式相比的优点是积分饱和的情况得到改善，减少系统的超调量,过渡时间短,提高系统的动态特性。本设计中不允许有大的超调量,所以采用了增量式PI算法。

2.3软件流程

该系统的软件部分主要由中断服务程序和主程序组成。图6给出了控制器的主程序流程图，主程序主要包括上电自检和对单片机进行初始化、PWM输出模块的初始化、启动定时器、开中断、进入循环体等，周期为5ms。图7所示是其中断服务程序，该程序主要完成当前速度信息的获取和处理速度大小和方向，中断周期为1ms。

3实验结果

按本文原理设计的一套试验电路及测试波形如图8所示，图中包含电机驱动模块、四倍频电路、各种电源变换模块和四倍频后的波形。

4结语

本设计利用单片机和集成电机驱动器等硬件，同时采用基于增量光电编码器和四倍频电路，提高了电机速度的可控性能。而使用速度控制增量PI算法，则可实现小汽车速度的快速、准确、稳定控制。

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