一种使用硬件门电路实现的M/T测速系统及方法与流程

本发明涉及电机测速领域，尤其涉及一种使用硬件门电路实现的m/t测速系统及方法。

背景技术：

现代伺服电机内，编码器是必不可少的传感器。编码器的作用是探测电机位置速度的器件，它反馈的信息在伺服算法中起到非常重要的作用。其中，正交信号是编码器发给mcu最常见的一种信号。而m/t法是一种从正交信号中提取电机速的算法。m/t法是结合m法和t法的一种速度算法，使用m/t法能够提高计算出的速度精确度和平滑度。但是传统m/t测速法中测量测量信号与编码器正交信号存在时间差，这个偏差时间△t(k)的测量存在较大的难度，在一些低端的mcu或者复杂的程序中不容易操作。

技术实现要素：

有鉴于此，本公开提供一种使用硬件门电路实现的m/t测速系统及方法，使用硬件门电路，使得测量信号经编码器正交信号边沿触发，简单实用地实现了测量时间同步，技术方案如下：

第一方面，本发明提供了一种使用硬件门电路实现的m/t测速系统，包括：编码器模块：用于探测电机位置速度；外设模块：用于为设备提供输入输出接口，并为系统提供定时器；门电路模块：用于接收外设的输入信号，实现时间同步，并向mcu输出信号；mcu模块：用于利用m/t法根据门电路的测量数据计算并输出计算速度。

进一步地，所述的编码器模块，采用增量式编码器，输出两路正交信号：a通道信号和b通道信号；

进一步地，所述的外设模块包括：捕获触发输出io接口：输出开始捕获信号；捕获触发输入io接口：输入开始捕获信号；编码器a输入io接口：输入增量式编码器a通道信号；编码器b输入io接口：输入增量式编码器b通道信号；捕获定时器：用来捕获触发输入io信号时间；编码定时器：用来获取增量式编码器位置。

进一步地，所述的门电路模块包括：

xor异或门：用于合并增量式编码器a通道信号和b通道信号；

d触发器：用于产生同步的捕获信号。

进一步地，所述的d触发器为上升沿触发。

进一步地，所述的d触发器，clk输入端为经过xot异或门合并后的编码器信号,d输入端为未经同步的开始捕获触发信号，q输出端为经过边沿触发同步后的捕获信号。

第二方面，本发明提供了一种使用硬件门电路实现的m/t测速方法，包括如下步骤：

步骤1：io引脚初始化；

步骤2：捕获初始化；

步骤3：编码定时器初始化；

步骤4：读取数据发送标志；

步骤5：判断是否发送数据，如果判断为否，则返回步骤4，重新读取数据发送标志，如果判断为是，则执行步骤6；

步骤6：发送数据，步骤6执行完成后分别执行步骤7和步骤8；

步骤7：清除数据发送标志，步骤7执行完成后返回步骤4；

步骤8：进入捕获定时器中断；

步骤9：读取定时器计数值；

步骤10：读取编码器计数值；

步骤11：计算速度，步骤11执行完成后，一方面依次执行步骤12、步骤13、步骤14，返回步骤4，循环测试，另一方面执行步骤15；

步骤12：设置数据发送标志；

步骤13：清除中断标志位；

步骤14：中断返回；

步骤15：输出测速结果。

进一步地，所述步骤11，计算速度，采用m/t法，m法测速是测量单位时间内的脉数换算成频率，t法测速是测量两个脉冲之间的时间换算成周期，从而得到频率，m/t法是结合m法和t法的速度算法，低速时测周期、高速时测频率。

进一步地，所述步骤11，使用门电路实现的m/t测速法计算公式为：v(k)=(d(k))/(t(k))，其中v(k)为速度，d(k)为距离，t(k)为同步测量时间。

本发明提供一种使用硬件门电路实现的m/t测速系统及方法，解决了传统m/t测速法的弊端，传统m/t测速法测量测量信号与编码器正交信号存在时间差，这个偏差时间△t(k)的测量存在较大的难度，在一些低端的mcu或者复杂的程序中不容易操作，按照本发明，使用硬件门电路，使得测量信号经编码器正交信号边沿触发，用硬件方式测量同步时间t(k)，本发明简单易用，实用性强，外部硬件资源非常少，占用空间及成本也非常低，在低端的mcu上面也可轻易实现，程序并不复杂。

附图说明

图1为本发明提供的一种使用硬件门电路实现的m/t测速系统的示意图；

图2为本发明的门电路逻辑示意图；

图3为本发明的门电路的实现原理示意图；

图4为本发明提供的一种使用硬件门电路实现的m/t测速方法示意图；

图5为传统m/t测速法时序图；

图6为本发明提供的一种使用硬件门电路实现的m/t测速方法的时序图；

图7、图8为传统m测速法无滤波的测速效果图；

图9、图10为采用本发明使用硬件门电路实现的m/t测速方法无滤波的测速效果图；

图11、图12为采用本发明使用硬件门电路实现的m/t测速方法滤波后的测速效果图。

具体实施方式

下面结合附图对本公开实施例进行详细描述。

以下通过特定的具体实例说明本公开的实施方式，本领域技术人员可由本说明书所揭露的内容轻易地了解本公开的其他优点与功效。显然，所描述的实施例仅仅是本公开一部分实施例，而不是全部的实施例。本公开还可以通过另外不同的具体实施方式加以实施或应用，本说明书中的各项细节也可以基于不同观点与应用，在没有背离本公开的精神下进行各种修饰或改变。需说明的是，在不冲突的情况下，以下实施例及实施例中的特征可以相互组合。基于本公开中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本公开保护的范围。

实施例一

本发明实施例一，提供了一种使用硬件门电路实现的m/t测速系统，参见图1，包括：编码器模块：用于探测电机位置速度；外设模块：用于为设备提供输入输出接口，并为系统提供定时器；门电路模块：用于接收外设的输入信号，实现时间同步，并向mcu输出信号；mcu模块：用于利用m/t法根据门电路的测量数据计算并输出计算速度。

所述的编码器模块，采用增量式编码器，输出两路正交信号：a通道信号和b通道信号。现代伺服电机内，编码器是必不可少的传感器。编码器的作用是探测电机位置速度的器件，它反馈的信息在伺服算法中起到非常重要的作用。其中，正交信号是编码器发给mcu最常见的一种信号。

所述的外设模块，包括4个io口，分别是：捕获触发输出io接口：输出开始捕获信号；捕获触发输入io接口：输入开始捕获信号；编码器a输入io接口：输入增量式编码器a通道信号；编码器b输入io接口：输入增量式编码器b通道信号；另外还包括：捕获定时器：用来捕获触发输入io信号时间；编码定时器：用来获取增量式编码器位置。

所述的门电路，参见图2，包括一个xor异或门，用于合并增量式编码器a通道信号和b通道信号；还包括一个d触发器：用于产生同步的捕获信号。

所述的d触发器，上升沿触发。

具体实施时，门电路的实现原理，如图3所示，所述的d触发器，clk输入端为经过xot异或门合并后的编码器信号,d输入端为未经同步的开始捕获触发信号，q输出端为经过边沿触发同步后的捕获信号。

实施例二

本发明实施例二，提供了一种使用硬件门电路实现的m/t测速方法，如图4所示，包括如下步骤：

步骤1：io引脚初始化；

步骤2：捕获初始化；

步骤3：编码定时器初始化；

步骤4：读取数据发送标志；

步骤5：判断是否发送数据，如果判断为否，则返回步骤4，重新读取数据发送标志，如果判断为是，则执行步骤6；

步骤6：发送数据，步骤6执行完成后分别执行步骤7和步骤8；

步骤7：清除数据发送标志，步骤7执行完成后返回步骤4；

步骤8：进入捕获定时器中断；

步骤9：读取定时器计数值；

步骤10：读取编码器计数值；

步骤11：计算速度，步骤11执行完成后，一方面依次执行步骤12、步骤13、步骤14，返回步骤4，循环测试，另一方面执行步骤15；

步骤12：设置数据发送标志；

步骤13：清除中断标志位；

步骤14：中断返回；

步骤15：输出测速结果。

具体实施时，所述步骤11，计算速度，采用m/t法，m法测速是测量单位时间内的脉数换算成频率，t法测速是测量两个脉冲之间的时间换算成周期，从而得到频率，m/t法是结合m法和t法的速度算法，低速时测周期、高速时测频率。

传统m/t测速时序图，如图5所示，所测量的捕获信号与编码器正交信号存在时间差，传统m/t测速法公式：

其中v（k）为速度，d（k）为距离，t（k）为测量时间，△t（k）为偏差时间。

由公式和时序原理图可知，传统m/t测速法，需要测量偏差时间△t（k）。

偏差时间公式：

：这一次测量的捕获信号开始与开始前最后的编码器正交信号时间之差；

：上一次测量的捕获信号开始与开始前最后的编码器正交信号时间之差。

本发明使用硬件门电路实现的m/t测速方法时序图，如图6所示，门电路中的d触发器，开始测量信号经编码器正交信号边沿触发，测量的t为同步时间，测量的捕获信号与编码器正交信号不存在时间差，因此不需要测量偏差时间。所述步骤11，使用门电路实现的m/t测速法计算公式为：v(k)=(d(k))/(t(k))，其中v(k)为速度，d(k)为距离，t(k)为同步测量时间。

具体实施时，对测速效果进行了验证，图7、图8为传统m测速法两个无滤波的测速效果图，图9、图10为采用本发明使用硬件门电路实现的m/t测速方法的两个无滤波的测速效果图，图11、图12为采用本发明使用硬件门电路实现的m/t测速方法的两个滤波后的测速效果图，可见在实际应用中，在测量频率16khz的情况下，最高给定速度3000rpm，速度误差在±10rpm之间，满足伺服系统高频测速需求。故证明，此方法简单有效易实现。

以上仅为说明本发明的实施方式，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，凡在本发明的精神和原则之内，不经过创造性劳动所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。