增量光电编码器高精度转速测量方法

在机器人，AGV，伺服控制器在数控机床和高精度运动控制行业中起着重要的作用。它是运动控制的关键组成部分。目前，光电编码器基于矢量控制技术的电流、速度和位置三个闭环控制策略经常使用，速度检测的准确性直接影响系统的控制精度。

特别是矢量控制的极低速处理方法，凸显了开发者的技术实力。

直流无刷电机的速度检测通常包括模拟速度测量和数字速度测量。模拟速度测量通常由旋转变压器和速度测量发电机实现。由于这两种设备体积大，安装不方便，也会增加电机旋转轴的旋转惯性，输出信号噪声大，在现实中很少使用。

数字速度测量主要包括霍尔位置传感器和旋转编码器；霍尔位置传感器分辨率低，只能给出转子的位置风扇区域和一些特定的位置角度，难以适应高精度的伺服控制系统，旋转编码器可以提供更高的位置分辨率，是伺服控制系统中常用的位置传感器。

绝对位置光电编码器和增量光电编码器常用于旋转编码器。

下面以增量光电编码器为例，分析光电编码器的测速原理。

增量光电编码器采用光电转换原理，将转速信号转换为脉冲电信号。如下图所示，它主要由光源、码盘、光栅、光电检测元件和转换电路组成。当电机轴驱动代码盘旋转时，光通过代码盘和检测光栅上的间隙照射到光电检测元件上，输出一组相差为90°一组正弦信号通过转换电路输出，具有低惯性、低噪声、高精度的优点，但增量光电编码器不能输出旋转轴的绝对位置信息。

输出信号分为三相，包括A，B和Z，A和B是互差90°方波信号，Z为圆周位置矫正信号，一圈输出Z脉冲。

M法和T法是常用的速度测量方法。

M该方法也称为频率法。速度是通过测量光电编码器在固定时间间隔内的输出脉冲数来计算的。可用于实际编程测试STM32的滴答定时器用作测速基准定时器。例如，给定滴答定时器的中断频率为f=4KHZ，以1000线编码器为例，假设一次捕获的编码器脉冲数为P，下式可计算转速n：

这里的4是指编码器的4倍频率，即同时检测A和AB两相的上升和下降，提高分辨率。M该方法测量的是平均速度，不能及时反映电机的运行情况。此外，当速度过低时，检测到的脉冲数P很小，误差很大；在高速下，采集的编码器脉冲数量较多，测量误差较小，因此M法适用于高速测量。T该方法也称为循环方法，通过测量光电编码器输出的两个相邻脉冲之间的时间间隔来计算速度。在实际测试中，使用STM32的定时器用作计数器，假设计数器的频率为f,此外，两个相邻脉冲之间的计数值为M，那么电机的转速可以计算为：

当速度较低时，M值很大，测量的相对误差降低，因此T法测速适用于低速阶段。如果速度过低，响应时间会延长，所以系统响应时间也要考虑。

当然，T法测速也会有一定的误差。

光电编码器输出脉冲的上升边缘与高频脉冲计数器的前端之间存在一定的时差，即在实际速度测量过程中，两个脉冲不能完全同步。这种同步误差可以通过增加计数脉冲的频率来减少，但由于硬件的限制，不可能无限地增加计数脉冲的频率。T测速的最大误差是计数脉冲周期。

当选择高频脉冲计数器的频率时，计数脉冲M在一定的额定速度下会有一个最小值。当检测到比这个值更小的值时，可以使用极限滤波器去除它。假设额定速度为3000rpm，编码器为1000线，高频计数脉冲频率为84MHZ，然后，两个相邻编码器脉冲之间的高频脉冲计数M的最小值为：

可以认为，当检测到的脉冲数量小于420时，它是无效的。误差的另一个原因是光电编码器的安装或机械振动引起的输出信号不稳定或脉冲丢失。编码器的输出有时与一些毛刺干扰混合。方波周期包含多个高频假脉冲，导致多个输出，从而影响速度的计算。

为了提高系统的速度测量精度，必须有效地消除这些干扰或脉冲损失。可以添加分段速度限度滤波器。在一定的速度范围内，如果速度偏差大于理论计算值，则可以认为速度采样无效。在实践中，M法和T法的结合经常被使用。