1.概述

2.正交編碼器信號與測速方法介紹

3.RT1170 QDC 解碼器用于測速的寄存器介紹

4.軟件中的測速處理流程

5.測速處理代碼

6.測試方法

7.測試結果

8.參考資料

1. 概述

在電機控制中，大部分都有速度環控制，電機轉子速度的獲取可以從絕對值編碼器直接讀取、測量霍爾編碼器每隔 60 °的脈沖信號時間進行計算、測量增量編碼器多個脈沖（M 法）或單個脈沖之間（T 法）的時間來計算， 本文主要講述如何使用 NXP RT1170 的增強型 QDC 外設和增量編碼器測量電機轉子速度的方法。

2. 正交編碼器信號與測速方法介紹

正交編碼器輸出 A、B、Z 信號，3 個信號都為方波信號，當電機正向旋轉時，A 信號超前 B 信號 90 度，反轉時 B 信號超前 A 信號 90度，Z 信號為歸零信號，轉子轉一圈產生一瞬間的脈沖信號，主要用于圈數計數或 A、B 信號的脈沖數歸零，下圖為編碼器 A、B 信號示意圖，圖片來自 RT1170 參考手冊。

速度的測量的可以通過讀取編碼器的脈沖計數（兩次速度環控制周期之間的脈沖數）計算出間隔角度，RT1170 的 QDC 自動捕獲兩次速度環之間脈沖數的定時器計數，從而知道時間：T = 定時器計數 * （1/定時器頻率）。

當兩次速度環之間有多個脈沖時，相當于 M 法測速；當電機速度很快，中間只有一個脈沖計數時，相當于 T 法。

3. RT1170 QDC 解碼器用于測速的寄存器介紹

RT1170 的 QDC 外設檢測 A、B 信號邊沿（可開啟濾波和反向），判斷相位關系，對位置寄存器 UPOS、LPOS 進行加或者減操作，當反向時，寄存器 CTRL2 的 DIR 位給出方向信息。

在速度環中每次讀取 POSD 寄存器時，QDC 自動將保存兩次速度環之間的脈沖差值的 POSD 保存到 POSDH，同時清零 POSD，同時將這些脈沖之間所經過脈沖計數由POSDPER保存到POSDPERH 供軟件讀取。

LASTEDGE（ Last Edge Time Hold Register ）對兩次脈沖數之間進行計數，主要用于 T 法測速和 ０ 速檢測（當 LASTEDGE 計滿溢出時判斷為速度為 ０ 速，因為長時間沒有脈沖邊沿產生）。

下圖為 QDC 外設信號流程和寄存器框圖。

4. 軟件中的測速處理流程

如圖所示，當兩次速度環之間有脈沖數時，即 POSDH 不為 0 時，使用脈沖數除以時間的方式進行速度計算，按下圖左方處理，如果兩次速度環之間有方向變化判定為 0 速（剛好反向的情況）。

如果兩次速度環周期之間沒有脈沖，則使用 LASTEDGEH 來進行速度估算，因為電機速度太低，長時間沒有脈沖產生，如果電機是勻速的，估算的速度就比較準確的，根據方向使用 Speed = C/M 計算，當 LASTEDGEH 太大時，判定電機停止為 0 速。

5. 測速處理代碼

QDC 測速代碼，其處理和上圖中的處理流程一致，軟件只需要較少的操作即可計算出速度。代碼如下所示：

其他初始化代碼詳見工程文件。

bool_t MCDRV_EncSpeedCalUpdate(enc_block_t *this)

{

  int64_t i64Numerator;

  s_statusPass = FALSE;

  // Read POSDH, POSDPERH and LASTEDGEH

  this->ui16Dummy = this->pENC_base->POSD;

  this->sSpeed.i16POSDH = this->pENC_base->POSDH;

  this->sSpeed.ui16POSDPERH = this->pENC_base->POSDPERH;

  this->sSpeed.ui16LASTEDGEH = this->pENC_base->LASTEDGEH;

  // POSDH == 0

  if(this->sSpeed.i16POSDH != 0)

  {

    // Shaft is moving during speed measurement interval

    this->sSpeed.i16PosDiff = this->sSpeed.i16POSDH;

    this->sSpeed.ui16Period = this->sSpeed.ui16POSDPERH;

    this->sSpeed.ui16Period_1 = this->sSpeed.ui16Period;

    if(this->sSpeed.i16PosDiff > 0)

    {

      this->sSpeed.i8SpeedSign = 1;

    }

    else

    {

      this->sSpeed.i8SpeedSign = -1;

    }

    if(this->sSpeed.i8SpeedSign == this->sSpeed.i8SpeedSign_1)

{

// Calculate speed

i64Numerator = ((int64_t)(this->sSpeed.i16PosDiff) * this->sSpeed.f32SpeedCalConst); // Q16.0 * Q5.27 = Q21.27

this->sSpeed.f32Speed = (i64Numerator / (uint32_t)(this->sSpeed.ui16Period))<<4; // Q5.27 -> Q1.31

}

else

{

this->sSpeed.f32Speed = 0;

}

this->sSpeed.i8SpeedSign_1 = this->sSpeed.i8SpeedSign;

}

else

{

// Shaft is NOT moving during speed measurement interval

this->sSpeed.ui16Period = this->sSpeed.ui16LASTEDGEH;

if((uint32_t)(this->sSpeed.ui16Period) > 0xF000UL)

{

// Shaft hasn't been moving for a long time

this->sSpeed.f32Speed = 0;

this->sSpeed.i8SpeedSign_1 = this->sSpeed.i8SpeedSign;

}

else

{

// Speed estimation in low speed region

if(this->sSpeed.ui16Period > this->sSpeed.ui16Period_1)

{

if(this->sSpeed.i8SpeedSign > 0)

{

i64Numerator = ((int64_t)(1.0) * this->sSpeed.f32SpeedCalConst);

this->sSpeed.f32Speed = (i64Numerator / (uint32_t)(this->sSpeed.ui16Period))<<4;

}

else

{

i64Numerator = ((int64_t)(-1.0) * this->sSpeed.f32SpeedCalConst);

this->sSpeed.f32Speed = (i64Numerator / (uint32_t)(this->sSpeed.ui16Period))<<4;

}

}

}

}

this->sSpeed.f16SpeedFilt = GDFLIB_FilterIIR1_F16(MLIB_Conv_F16l(this->sSpeed.f32Speed), &this->sSpeed.sENCSpeedFilter);

this->sSpeed.fltSpeed = MLIB_ConvSc_FLTsf(this->sSpeed.f16SpeedFilt, this->sSpeed.fltSpeedFrac16ToAngularCoeff);

return s_statusPass;

}

6.測試方法

使用其他電機拖動帶增量編碼器的伺服電機穩定轉至 1500 RPM，使用激光測速儀進行測速，伺服電機的增量編碼器信號是差分信號，經過功率板將差分信號轉換到單端信號，最后連接到 RT1170 開發板 ENC1 對應的 GPIO 口中，如果電機增量編碼器 AB 輸出信號單端信號可直接連接至 RT1170 開發板。

最后可以在 IAR 中通過 LiveWatch 窗口查看速度變量，檢查與用激光測速器測的速度是否一致。

拖動伺服電機轉至 1500RPM

信號連接實物圖

AB 信號連接原理圖

7. 測試結果

IAR DEBUG 后，在 IAR 的 live Watch 窗口中查看 Encoder_Measure_SpeedRPM 變量，其值為 1500RPM 左右，說明測速還是比較準確的。

參考資料

參考手冊：

IMXRT1170RM.pdf

i.MX RT1170 Processor Reference Manual