基于TLE5012可編程磁編碼器的設(shè)計(jì)

寇麗萍，夏超英

（天津大學(xué)電氣與自動(dòng)化工程學(xué)院，天津300072）

DOI：10.13234/j.issn.2095-2805．2016．1．27中圖分類號(hào)：TM 615文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

基于TLE5012可編程磁編碼器的設(shè)計(jì)

寇麗萍，夏超英

（天津大學(xué)電氣與自動(dòng)化工程學(xué)院，天津300072）

為滿足調(diào)速系統(tǒng)對(duì)編碼器分辨率和輸出信號(hào)的不同要求，設(shè)計(jì)制作了一個(gè)可編程磁編碼器，通過軟件編程可以改變編碼器的分辨率，配置編碼器輸出ABZ脈沖或UVW脈沖。設(shè)計(jì)采用TLE5012測(cè)量轉(zhuǎn)子位置，DSP根據(jù)TLE5012提供的位置信息輸出編碼脈沖。實(shí)驗(yàn)樣機(jī)的測(cè)試結(jié)果證明了方案的可行性，并驗(yàn)證了可編程磁編碼器的性能。

可編程；磁編碼器；分辨率；TLE5012

引言

通過機(jī)械測(cè)量和轉(zhuǎn)速估算技術(shù)［1，2］可獲得電機(jī)轉(zhuǎn)速，以形成調(diào)速系統(tǒng)的閉環(huán)控制，機(jī)械測(cè)量普遍采用編碼器將速度、位置等機(jī)械量轉(zhuǎn)換為數(shù)字脈沖或正弦信號(hào)［3］。編碼器按輸出脈沖形式分為增量式編碼器、絕對(duì)式編碼器和混合式編碼器。其中，增量式編碼器輸出兩路正交的AB脈沖，每周輸出一個(gè)Z脈沖作為零位參考，適用于轉(zhuǎn)速測(cè)量，在異步電機(jī)調(diào)速控制系統(tǒng)中得到了廣泛的應(yīng)用［4－5］；絕對(duì)式編碼器并行輸出與轉(zhuǎn)子位置對(duì)應(yīng)的二進(jìn)制碼，適用于位置和轉(zhuǎn)速測(cè)量，在永磁同步電機(jī)控制系統(tǒng)和伺服系統(tǒng)中有廣泛的應(yīng)用，但絕對(duì)式編碼器占用接口引線多，成本高，對(duì)環(huán)境條件敏感；混合式編碼器將絕對(duì)位置測(cè)量和增量式編碼器的高分辨率結(jié)合在一起，占用的接口引線較少，成本適中，在輸出ABZ增量式脈沖的同時(shí)輸出三相互差120°電角度的UVW脈沖，適合應(yīng)用于永磁同步電機(jī)控制系統(tǒng)［6－7］。目前混合式編碼器多為光電編碼器，精度高，抗擾能力強(qiáng)，但光柵的抗振性能差，壽命短［8］。磁編碼器體積小，壽命長(zhǎng)，抗振能力強(qiáng)，可工作在惡劣環(huán)境中，隨著小型化、高可靠性需求的不斷提出，磁編碼器在家電、辦公機(jī)械、伺服控制系統(tǒng)、工業(yè)機(jī)器人、甚至軍事應(yīng)用等領(lǐng)域的市場(chǎng)份額正在逐步擴(kuò)大［9-10］。

磁編碼器主要由永磁體、磁傳感器和信號(hào)處理電路組成，永磁體隨被測(cè)旋轉(zhuǎn)軸同步旋轉(zhuǎn)使磁傳感器周圍磁場(chǎng)發(fā)生變化，磁傳感器輸出反映磁場(chǎng)變化的信號(hào)給信號(hào)處理電路，信號(hào)處理電路根據(jù)該信號(hào)輸出編碼脈沖［11］。磁傳感器主要基于霍爾效應(yīng)、各向異性磁阻效應(yīng)AMR（anisotropic magneto resis tive）或巨磁阻效應(yīng)GMR（giant magneto resistive）檢測(cè)磁場(chǎng)。其中，GMR材料的電阻率對(duì)外界磁場(chǎng)的變化最為敏感，克服了霍爾元件長(zhǎng)期高溫下工作的不穩(wěn)定性和AMR材料固有的巴克豪森噪聲，基于GMR原理的磁編碼器測(cè)量范圍寬、穩(wěn)定性高，成為發(fā)展的新方向［12］。

1　可編程磁編碼器的硬件設(shè)計(jì)

1.1TLE5012簡(jiǎn)介

TLE5012是一款基于GMR原理的角度傳感器芯片，使用圖1所示的惠斯通全橋電路在360°范圍內(nèi)測(cè)量與芯片封裝表面平行的磁場(chǎng)方向θ，全橋電路可以放大信號(hào)，消除溫度的影響。兩個(gè)惠斯通橋的輸出電壓Vx、Vy分別代表θ的余弦值和正弦值，芯片內(nèi)部處理電路根據(jù)Vx、Vy計(jì)算θ，把θ轉(zhuǎn)化為15位數(shù)字量存儲(chǔ)在角度值寄存器AVAL（angle value register）中，角度值數(shù)字量與θ呈分段線性關(guān)系：AVAL的值處于0～0x3FFF時(shí)，θ介于0～179.99°；AVAL的值處于0x7FFF～0x4000時(shí)，θ介于0.01°～-180°［13］。

圖1　惠斯通橋電路Fig．1 Wheatstone bridge

磁場(chǎng)位置可通過不同通信協(xié)議輸出，TLE5012含同步串行通信SSC（synchronous serial communication）、脈沖寬度調(diào)制PWM（pulse-width modulation）、增量式接口IIF（incremental interface）、霍爾開關(guān)模式HSM（Hall-switch mode）等通信接口，其中SSC與串行外設(shè)接口SPI（serial peripheral interface）兼容，采用半雙工數(shù)據(jù)傳輸方式，波特率高達(dá)8 Mbit/s，適合板上高速通信［14］。通過SSC可以對(duì)TLE5012的寄存器進(jìn)行讀寫操作，DSP讀AVAL寄存器操作，地址偏移量為02H結(jié)果如表1所示。數(shù)據(jù)傳輸按命令字、數(shù)據(jù)字、安全字的順序進(jìn)行，命令字包含讀寫標(biāo)志位、待操作寄存器地址等信息，數(shù)據(jù)字包含真正的數(shù)據(jù)信息，安全字包含通信狀態(tài)和校驗(yàn)等信息。

表1　DSP通過SSC讀取AVAL寄存器Tab．1 DSP read AVAL register through SSC

1.2供電電源設(shè)計(jì)

采用3.3 V穩(wěn)壓管TPS7333為系統(tǒng)提供工作電壓，供電電路如圖2所示。將SENSE引腳與輸出引腳接在一起使芯片工作在穩(wěn)壓模式［15］，TPS7333 的RESET引腳與DSP的復(fù)位引腳相連，當(dāng)電壓不足時(shí)，為DSP提供復(fù)位信號(hào)。

圖2　供電電路Fig．2 Power supply circuit

1．3通信接口設(shè)計(jì)

參考TLE5012數(shù)據(jù)手冊(cè)給出的典型應(yīng)用電路，DSP與TLE5012的接口電路如圖3所示。使用SSC與DSP的SPI接口通信，DSP工作在主動(dòng)模式下，SPICLK與SCK相連，為通信提供時(shí)鐘信號(hào)，通用IO口與CSQ相連，控制SSC的數(shù)據(jù)傳輸，SPISIMO和SPISOMI同時(shí)與DATA相連，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)雙向傳輸。

美國(guó)的Fujimoto率先采用了柔性鉸鏈來實(shí)現(xiàn)行走式壓電驅(qū)動(dòng)器。如圖4所示[5]，該驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)為一體化加工成型，避免過多的接觸面和裝配誤差，具有很高的實(shí)用性。美國(guó)的Zhang B等人同樣研制了一種一體化結(jié)構(gòu)的壓電驅(qū)動(dòng)器，運(yùn)行時(shí)輸出力可以達(dá)到200 N，運(yùn)動(dòng)速度為6 mm/s[6]。

圖3　TLE5012和DSP通信接口Fig．3 Communication interface between TLE5012 and DSP

2　可編程磁編碼器的軟件設(shè)計(jì)

編碼器每周輸出的UVW脈沖數(shù)等于電機(jī)極對(duì)數(shù)，輸出的AB脈沖數(shù)等于分辨率，以電機(jī)每轉(zhuǎn)一周編碼器輸出10個(gè)UVW脈沖和8 192個(gè)AB脈沖為例對(duì)軟件設(shè)計(jì)進(jìn)行詳細(xì)分析。按照該方法，可以根據(jù)需要對(duì)編碼器分辨率和輸出信號(hào)形式進(jìn)行任意配置。軟件整體設(shè)計(jì)思路為：在周期為T0的定時(shí)中斷0中獲取位置信息并處理，用M法測(cè)定電機(jī)轉(zhuǎn)速，進(jìn)一步計(jì)算T0時(shí)間內(nèi)期望輸出的脈沖沿?cái)?shù)p1；根據(jù)T0和p1配置快速中斷1的周期T1，在中斷1中改變IO口電平依次輸出脈沖沿。為保證零延時(shí)輸出脈沖沿，中斷1具有最高優(yōu)先級(jí)，中斷0可隨時(shí)被中斷1打斷。

上電后首先執(zhí)行主函數(shù)對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行配置，保證后續(xù)程序的正常運(yùn)行，主程序流程如圖4所示。

圖4　主程序流程Fig．4 Flow chart of main program

2．1通信的實(shí)現(xiàn)

DSP通過讀AVAL寄存器獲取位置信息，軟件流程如圖5所示。

圖5　DSP讀數(shù)據(jù)流程Fig．5 Flow chart of data reading

作為數(shù)據(jù)傳輸中的主設(shè)備，DSP為通信提供時(shí)鐘信號(hào)，因此在命令字發(fā)送完畢，禁止SPI發(fā)送功能后，需要寫SPITXBUF寄存器來啟動(dòng)時(shí)鐘，保證TLE5012可以發(fā)送數(shù)據(jù)。AVAL寄存器最高位是狀態(tài)標(biāo)志位，和0x7FFF按位與獲得真正的位置信息。

2.2位置信息的處理

中斷0的流程如圖6所示。首先調(diào)用讀AVAL寄存器函數(shù)獲取位置RDATA，根據(jù)AVAL定義，需要將RDATA左移一位變?yōu)檠a(bǔ)碼后才能通過做差得到角度值增量D_ANG；M法測(cè)速得到電機(jī)轉(zhuǎn)速n=，每個(gè)AB脈沖周期含4個(gè)脈沖沿，所以T0時(shí)間內(nèi)期望輸出的脈沖沿?cái)?shù)p1為

圖6　中斷0流程Fig．6 Flow chart of interrupt 0

中斷1的周期T1為

若式（2）不能整除，會(huì)給輸出的脈沖沿?cái)?shù)帶來誤差，該誤差隨時(shí)間累積將嚴(yán)重影響編碼器性能，因此，必須對(duì)脈沖沿?cái)?shù)進(jìn)行校正，用校正后的脈沖沿?cái)?shù)p2代替式（2）中p1計(jì)算中斷1的周期。脈沖沿?cái)?shù)校正公式為

式中：（ANG_K_1）/2為上次中斷0中獲取的轉(zhuǎn)子實(shí)際位置；COUNT1為記錄已輸出的脈沖沿信息的變量，系統(tǒng)上電時(shí)初始化為轉(zhuǎn)子實(shí)際位置，每次執(zhí)行中斷1根據(jù)電機(jī)旋轉(zhuǎn)方向自增1或自減1。在TLE5012的分辨率為15位和編碼器分辨率為8192的前提下，（ANG_K_1）/2-COUNT1等于當(dāng)前輸出的脈沖沿?cái)?shù)誤差。

程序中需對(duì)p2上下限幅。若不上限幅，p2較大時(shí)會(huì)導(dǎo)致中斷1周期過短，中斷程序在T1時(shí)間內(nèi)執(zhí)行不完，DSP不能及時(shí)響應(yīng)中斷1按時(shí)輸出脈沖；若不下限幅，編碼器在電機(jī)靜止時(shí)受測(cè)量誤差帶來的AVAL寄存器第0位跳變的影響仍會(huì)輸出脈沖。對(duì)p2最大值限幅限制了編碼器能測(cè)量的最大轉(zhuǎn)速，但對(duì)p2最小值限幅并不影響編碼器能測(cè)量的最小轉(zhuǎn)速，因?yàn)槌绦驅(qū)B續(xù)多個(gè)不輸出脈沖T0時(shí)間內(nèi)角度變化累積，當(dāng)累積值超過下限幅時(shí)正常輸出脈沖。

由以上分析可知，編碼器輸出脈沖以及對(duì)誤差的校正都有T0時(shí)間的滯后，T0越小，編碼器越能實(shí)時(shí)反映電機(jī)轉(zhuǎn)速，及時(shí)校正誤差，但中斷0服務(wù)程序耗時(shí)較長(zhǎng)，加之電機(jī)轉(zhuǎn)速是機(jī)械量，不會(huì)頻繁突變［16］，T0取值1～10 ms較為合理。

2.3編碼脈沖的輸出

輸出分辨率為8 192的ABZ編碼脈沖中斷1的流程如圖7所示。AB脈沖的輸出電平由COUNT1的低兩位TEMP_AB決定，根據(jù)電機(jī)旋轉(zhuǎn)方向，TEMP_AB由0逐一增大到3或由3逐一減小到0，程序判斷TEMP_AB的值輸出相應(yīng)的AB脈沖。Z脈沖寬度可以根據(jù)需要調(diào)節(jié)，按圖7流程，角度為0時(shí)輸出4個(gè)脈沖沿寬的Z脈沖。

圖7　輸出ABZ脈沖時(shí)中斷1流程Fig．7 Flow chart of interrupt1 when outputting pulse in ABZ

圖8　輸出UVW脈沖時(shí)中斷1流程Fig.8 Flow chart of interrupt 1 when outputting pulse in UVW

輸出UVW脈沖的程序流程如圖8所示，。電機(jī)每轉(zhuǎn)一周輸出10個(gè)UVW脈沖，所以COUNT1每計(jì)3 276個(gè)數(shù)編碼器完成一個(gè)周期的UVW脈沖的輸出，使用變量TEMP＿UVW代表一個(gè)脈沖周期內(nèi)UVW的6個(gè)狀態(tài)，根據(jù)電機(jī)旋轉(zhuǎn)方向TEMP＿UVW 由0逐一增大到5或由5逐一減小到0，程序判斷TEMP＿UVW的值輸出相應(yīng)脈沖。

3　實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

設(shè)計(jì)并制作的可編程磁編碼器的實(shí)物如圖9所示。為方便安裝固定，沿邊緣開3個(gè)孔槽。

圖9　編碼器實(shí)物Fig．9 Picture of proposed encoder

使用示波器觀察可編程編碼器輸出脈沖如圖10、圖11所示。圖10是分辨率為8 192的編碼器在不同轉(zhuǎn)速下輸出的ABZ信號(hào)，圖（a）中，A相超前B相90°，脈沖的頻率為9．515 kHz，由頻率計(jì)算的轉(zhuǎn)速大小為69．69 r/min；圖（b）與圖（a）相比，脈沖頻率基本不變，相位關(guān)系由A相超前B相90°變?yōu)锽相超前A相90°；圖（c）與圖（a）相比，A、B相位關(guān)系不變，只是脈沖頻率降為5．49 kHz，由頻率計(jì)算的轉(zhuǎn)速為40．2 r/min；圖（d）中Z脈沖頻率為1．16 Hz，由頻率計(jì)算的電機(jī)轉(zhuǎn)速為69．6 r/min?？梢钥闯鯝B相脈沖正交度較好，由脈沖頻率計(jì)算得出的電機(jī)轉(zhuǎn)速幾乎與實(shí)際轉(zhuǎn)速相等。

圖11為電機(jī)轉(zhuǎn)速是70 r/min時(shí)編碼器輸出的UVW脈沖，三相脈沖互差120°，不同狀態(tài)對(duì)應(yīng)不同電角度區(qū)間，可用于轉(zhuǎn)子初始定位。

圖10　分辨率為8 192的編碼器輸出的ABZ脈沖信號(hào)Fig．10 ABZ pluses output by encoder with resolution of 8 192

圖11　編碼器輸出的UVW相脈沖Fig．11 UVW pluses output by encoder

4　結(jié)語(yǔ)

本文給出了一種可編程磁編碼器的設(shè)計(jì)方案，并對(duì)樣機(jī)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。按照本文方法，可以在不改變硬件的前提下，通過軟件實(shí)現(xiàn)對(duì)編碼器分辨率和輸出脈沖形式的任意配置，從而滿足調(diào)速系統(tǒng)的不同要求。編碼器使用基于GMR原理的TLE5012芯片檢測(cè)位置，具有較高可靠性，可應(yīng)用于惡劣環(huán)境中。配置為增量式編碼器時(shí)輸出的ABZ脈沖分辨率最高達(dá)8 192，并可以任意改變Z脈沖位置和寬度，配置為混合式編碼器時(shí)可以根據(jù)電機(jī)極對(duì)數(shù)輸出正確的UVW脈沖，用于轉(zhuǎn)子位置的初始定位。此外，所制作可編程編碼器的成本較低，具有較高的應(yīng)用價(jià)值。

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Design of Programmable Magnetic Encoder Based on TLE5012

KOU Liping，XIA Chaoying
（School of Electrical Engineering and Automation，Tianjin University，Tianjin 300072，China）

A programmable magnetic encoder is developed to satisfy different requirements for encoder resolution and output signals in different systems．By programming，the proposed encoder can be configured to output pulses in ABZ or UVW with different resolution．The proposed encoder uses TLE5012 to measure the rotor position and DSP to output pulses according to the information provided by TLE5012．Test results on experimental prototype prove feasibility of the scheme and verify the performance of the programmable encoder．

programmable；magnetic encoder；resolution；TLE5012

寇麗萍

2015-05－07

寇麗萍（1991－），女，碩士研究生，研究方向：電機(jī)控制，E-mail：kouliping0615＠sina．cn。

夏超英（1958－），男，通信作者，教授，博士生導(dǎo)師，研究方向：控制理論與應(yīng)用、自適應(yīng)控制理論、電力電子裝置及系統(tǒng)、電動(dòng)汽車、混合動(dòng)力汽車電機(jī)及控制系統(tǒng)等，E-mail：xiachaoying＠126．com。