使用 NXP RT1170 的 QDC 外设与增量编码器测量电机转速

1. 概述

在电机控制中，大部分都有速度环控制，电机转子速度的获取可以从绝对值编码器直接读取、测量霍尔编码器每隔 60 °的脉冲信号时间进行计算、测量增量编码器多个脉冲（M 法）或单个脉冲之间（T 法）的时间来计算， 本文主要讲述如何使用 NXP RT1170 的增强型 QDC 外设和增量编码器测量电机转子速度的方法。

2. 正交编码器信号与测速方法介绍

正交编码器输出 A、B、Z 信号，3 个信号都为方波信号，当电机正向旋转时，A 信号超前 B 信号 90 度，反转时 B 信号超前 A 信号 90度，Z 信号为归零信号，转子转一圈产生一瞬间的脉冲信号，主要用于圈数计数或 A、B 信号的脉冲数归零，下图为编码器 A、B 信号示意图，图片来自 RT1170 参考手册。

速度的测量的可以通过读取编码器的脉冲计数（两次速度环控制周期之间的脉冲数）计算出间隔角度，RT1170 的 QDC 自动捕获两次速度环之间脉冲数的定时器计数，从而知道时间：T = 定时器计数 * （1/定时器频率）。

当两次速度环之间有多个脉冲时，相当于 M 法测速；当电机速度很快，中间只有一个脉冲计数时，相当于 T 法。

3. RT1170 QDC 解码器用于测速的寄存器介绍

RT1170 的 QDC 外设检测 A、B 信号边沿（可开启滤波和反向），判断相位关系，对位置寄存器 UPOS、LPOS 进行加或者减操作，当反向时，寄存器 CTRL2 的 DIR 位给出方向信息。

在速度环中每次读取 POSD 寄存器时，QDC 自动将保存两次速度环之间的脉冲差值的 POSD 保存到 POSDH，同时清零 POSD，同时将这些脉冲之间所经过脉冲计数由POSDPER保存到POSDPERH 供软件读取。

LASTEDGE（ Last Edge Time Hold Register ）对两次脉冲数之间进行计数，主要用于 T 法测速和 ０ 速检测（当 LASTEDGE 计满溢出时判断为速度为 ０ 速，因为长时间没有脉冲边沿产生）。

下图为 QDC 外设信号流程和寄存器框图。

4. 软件中的测速处理流程

如图所示，当两次速度环之间有脉冲数时，即 POSDH 不为 0 时，使用脉冲数除以时间的方式进行速度计算，按下图左方处理，如果两次速度环之间有方向变化判定为 0 速（刚好反向的情况）。

如果两次速度环周期之间没有脉冲，则使用 LASTEDGEH 来进行速度估算，因为电机速度太低，长时间没有脉冲产生，如果电机是匀速的，估算的速度就比较准确的，根据方向使用 Speed = C/M 计算，当 LASTEDGEH 太大时，判定电机停止为 0 速。

5. 测速处理代码

QDC 测速代码，其处理和上图中的处理流程一致，软件只需要较少的操作即可计算出速度。代码如下所示：

其他初始化代码详见工程文件。

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.测试方法

使用其他电机拖动带增量编码器的伺服电机稳定转至 1500 RPM，使用激光测速仪进行测速，伺服电机的增量编码器信号是差分信号，经过功率板将差分信号转换到单端信号，最后连接到 RT1170 开发板 ENC1 对应的 GPIO 口中，如果电机增量编码器 AB 输出信号单端信号可直接连接至 RT1170 开发板。

最后可以在 IAR 中通过 LiveWatch 窗口查看速度变量，检查与用激光测速器测的速度是否一致。

拖动伺服电机转至 1500RPM

信号连接实物图

AB 信号连接原理图

7. 测试结果

IAR DEBUG 后，在 IAR 的 live Watch 窗口中查看 Encoder_Measure_SpeedRPM 变量，其值为 1500RPM 左右，说明测速还是比较准确的。

参考资料

参考手册：

IMXRT1170RM.pdf

i.MX RT1170 Processor Reference Manual