一种基于光电编码器的高精度测速和测加速度方法

一种基于光电编码器的高精度测速和测加速度方法

A New Way of Measuring Velocity and Acceleration Based on Photoelectric Encoder

姜庆明杨旭甘永梅王晓钰王兆安

jiang qing ming（西安交通大学电气工程学院，西安710049）【摘要】在比较常用的基于光电编码器的测速、测加速度方法的优缺点的基础上，本文提出了一种新的基于光电编码器的高精度测速和测加速度的方法，论述了软硬件的实现方法。并且针对编码器脉冲不均匀性对测速、测加速度精度的造成的影响，提出了一种软件处理的方法，很好的提高了精度。

关键词：光电编码器测速测加速度脉宽误差

【Abstract】By analyzing and comparing the existing ways of measuring velocity and acceleration based on photoelectric encoder, the paper proposed a new way of measuring the velocity and acceleration. How to design and realize the hardware and software is introduced. And how to improve the measuring accuracy influenced by the width error of the pulse is also introduced.

【Key words】photoelectric encoder、measure velocity、measure acceleration、width error of pulse

1．引言

光电脉冲编码器是一种数字式角度传感器, 它能将角位移量转换为与之对应的电脉冲进行输出,主要用于机械转角位置和旋转速度的检测与控制。在以光电编码器构成的测速系统中，常用的测速方法有三种，即“M法”、“T法”和“M/T法”。加速度值理论上只要根据上述方法测得的相邻两个速度点的速度差及其间隔时间即可计算得到。

本文在分析、比较现有的基于光电编码器的各种测速方法的基础上提出了一种新的方法，具有较高的测速精度和实时性；此外，普通编码器的制造误差使得编码器的脉宽是不均匀的，这对测速、测加速度精度的影响很大，本文提出了一种软件处理方法用于解决这个问题。

本文所提出的测速、测加速度方法在我国首台自行研制的摩托车交流底盘测功机测控系统得到应用。底盘测功机是摩托车整车室内试验中最常用的大型关键设备之一，其测控系统对测速、测加速度的精度和实时性要求都非常高，现有的几种常用的基于光电编码器的测速、测加速度方法都无法满足要求，本文提出的方法很好地满足了其测控系统对速度、加速度测量精度和实时性的要求。

2．常用的几种基于光电编码器的测速方法

在下图中列出了三种常用的基于光电编码器的测速方法，假定时钟频率为f，光电编码器每转脉冲数为P。

1

M和

2

M分别是对编码器脉冲和时钟脉冲进行计数的计数值。

(b)T法：

图1. 各种测速法原理图

2．1 “M法”测速

通过测量一段固定的时间间隔内的编码器脉冲数来计算转速，适用于高速场合。

如图1(a)所示；设在固定时间T 内测得的编码器脉冲数为1M ，则转速为：

PT

M N 160=

（1） 其相对误差：

1

1M M N

N ∆=∆ （2）

2．2 “T 法”测速

通过测量编码器两个相邻脉冲的时间 间隔来计算转速，适用于速度比较低的场 合，当转速较高时其准确性较差。由图1(b)可以得到：

2

60PM f N =

（3） 其相对误差：

2

2222M M M M M N N ∆≈∆+∆=∆ （4） 2．3 “M/T 法”测速

“M/T 法”则是前两种方法的结合,同时测量一定个数编码器脉冲和产生这些脉冲所花的时间，在整个速度范围内都有较好的准确性，但是对于低速，该方法需要较长的检测时间才能保证结果的准确性，无法满足转速检测系统的快速动态响应指标。由图1（c ）有：

2

160M M P f N ∙=

（5）

式中1M 的值在测量前已经确定了，所以其相对误差为：

2

2222M M M M M N N ∆≈∆+∆=∆ （6） 通常时钟频率f 远大于转角编码器的输出脉冲频率，因此上面各式中2M 也远大于

1M 。对比（2）

、（4）、（6）式可以发现“M 法”测速主要适用于中高速段，随着速度降

低1M 也减小，因而低速段的测速精度很差，但通过选取适当采样时间T 可以很容易地满足动态响应要求；“T ”法测速情况与此恰恰相反；“M/T 法”在整个速度范围都可以达到较高的测速精度，但是通常选取的1M 值大于1,在低速段的动态响应比“T ”法还慢。

3．提出一种基于光电编码器的新的测

速方法

3.1基本原理

根据以上分析可知，“M/T 法”综合了“M 法”和“T 法”的优点，但低速段动态响应太慢，因此如果能够根据速度情况实时改变“M/T 法”中的1M 值，随着速度的降低减少

1M 的值，

就可以改善“M/T 法”在低速段测速动态响应慢的问题。本文就是基于这个原

理，通过相应的软硬件设计实现了一种高精度的测速方法。其测速原理与相对误差的计算表面上和“M/T 法”没有区别，而实际上“M/T 法”的采样周期总是产生1M 个编码器脉冲的时间，随着转速升高，编码器脉冲频率变大，采样周期逐渐变小，其相对误差增大了；而由本文提出的测速方法由于1M 的值可以随速度改变，在高速段增加1M 值使得采样周期基本不变。因而其相对误差也基本不变，在低转速段，1M 值可降到1，满足系统的动态响应要求，而相对误差与“M/T 法”相差很小。

3.2 软硬件实现

如果测控系统中选用了工控机，只需

加上计数板卡以及部分外围电路就可以实现这种新的测速方法。

测量过程中计数板卡要分别对编码器脉冲和时钟脉冲进行计数，由测速原理可知两个计数通道并不是完全独立的，从其相对误差的计算式可以看出对编码器脉冲的计数必须是完全没有误差的，这就要求计数周期要与编码器脉冲的上升沿严格同步，并且要实现“M/T 法”中1M 值随着速度变化而改变，系统的外围电路中采用了两个D 触发器和一些附属电路实现了上述功能。如图2所示：

图2. 外围硬件电路图

在摩托车交流底盘测功机测控系统中