常用电机测试方法的介绍与功能实现（M测试方法）

news2024/11/19 3:20:48

概述

1 常用电机测速方法简介

1.1 方法概览

1.2 编码器测速方法

2 M法测速

2.1 理论描述

2.2 实现原理

2.3 速度计算方法

3 功能实现

3.1 功能介绍

3.2 代码实现

3.2.1 使用STM32Cube配置参数

3.2.2 脉冲计数功能

3.2.3 测速函数

4 测试

概述

本文主要介绍常用电机测速的一些方法，重点介绍频率测速方法的原理，并应用该理论搭建硬件平台，实现测速的方法。该平台采用STM32F103RC芯片，通过使用外部中断和定时器的相关功能，结合硬件的一些特性，实现了测试的功能。

1 常用电机测速方法简介

1.1 方法概览

常用的电机测速方法有以下几种：

非接触式测速方法：使用光电测速传感器或激光测速仪等装置，通过测量物体上特定标记的转动速度来计算电机的转速。
接触式测速方法：使用接触轮、接触针等装置，将其与电机的旋转部分相连，通过测量接触装置的运动来获取电机转速。
编码器测速方法：在电机轴上安装编码器，利用编码器的信号来测量电机的转速。编码器可以是光电编码器、磁性编码器等。
脉冲测速方法：通过测量电机输出的脉冲信号的频率来计算电机的转速。
轴承振动测速方法：通过测量电机轴承振动的频率和振幅来推断电机的转速。

1.2 编码器测速方法

这里重点介绍编码器测速方法，常用的编码器测速方法一般有三种：

频率测速方法： M 法

周期测速方法： T 法

频率/周期测速方法：M/T 法。

2 M法测速

2.1 理论描述

M法又叫做频率测量法。这种方法是在一个固定的定时时间内（以秒为单位），统计这段时间的编码器脉冲数，计算速度值。设编码器单圈总脉冲数为 C，在时间 T0 内，统计到的编码器脉冲数为 M0，则转速 n 的计算公式为：

参数介绍：

M0 ： T0时间内的编码器脉冲数

C：编码器单圈总脉冲数

T0：单位时间

n：转速

公式中的编码器单圈总脉冲数 C 是常数，所以转速 n 跟 M0 成正比。这就使得在高速测量时 M0变大，可以获得较好的测量精度和平稳性，但是如果速度很低，低到每个 T0 内只有少数几个脉冲，此时算出的速度误差就会比较大，并且很不稳定。也有一些方法可以改善 M 法在低速测量的准确性，例如：增量式编码器倍频技术就是其中一种，比如原本捕获到的脉冲 M0 只有4 个，经过 4 倍频后，相同电机状态 M0 变成了 16 个，也就提升了低速下的测量精度。

2.2 实现原理

M0: 表示基准时钟周期，一般为1s

T0: 表示在一个M0时间内计数的秒冲总数

该码盘一周总共有20个孔，则其将一个圆分为20个等分，在测速的时候。只需记录其在M0(1 second)时间内走过孔的个数T0，然后通过轮胎的周长与孔等分的关系，就能计算出速度。

根据轮胎的直径，计算出周长

光电感应器用于实现脉冲计数功能

2.3 速度计算方法

已知参数如下：

轮胎直径(R)： 6.8 cm

码盘细分数（一个周长）：20个间隔

1s时间内的码盘间隔数目：CNT

转速v = (π*R)/20 * CNT ( cm )

C代码实现：

/* USER CODE BEGIN 0 */
#define  PI          3.14159
#define  R           6.8         // unit: cm
#define  DIV_CNT     20

 static uint32_t trg_cn = 0;
/* USER CODE END 0 */

float  calculate_speeds( uint32_t cnt )
{
    float speeds;
    
    speeds = ((PI*R)/20) * cnt;
    
    return  speeds;
}

3 功能实现

3.1 功能介绍

使用STM32F103芯片作为主控，光电编码器的输出引脚DQ接在MCU的IO引脚上，该IO配置为输入中断模式，即当DQ上有电平变化时，DQ即可产生一个脉冲，计数器的值加1，当计数时间达到M0时，停止计数。然后使用float calculate_speeds( uint32_t cnt ) 计算出当前的速度。

3.2 代码实现

3.2.1 使用STM32Cube配置参数

1）配置IO外部中断，用于捕捉光电编码信号

使能外部中断函数

2）配置定时器，用于产生10us的定时中断计数

使能定时器中断函数

3）完成参数配置后，点击GENERATE生成项目文件，打开项目如下：

3.2.2 脉冲计数功能

在外部中断的回调函数中实现脉冲计数功能，具体代码如下：

#define  PI                             3.14159
#define  R                              6.8         // unit: cm
#define  DIV_CNT                        20

static uint32_t trg_cn = 0;

/* USER CODE END 0 */

float  calculate_speeds( uint32_t cnt )
{
    float speeds;
    
    speeds = ((PI*R)/20) * cnt;
    
    return  speeds;
}

void HAL_GPIO_EXTI_Callback(uint16_t GPIO_Pin)
{
  if( GPIO_Pin == INPUT_TRIGGER_Pin){
        trg_cn++;
  }
}

3.2.3 测速函数

通过使用外部中断记录的trg_cn值，再根据其他已知参数就能计算出速度值

void Calculate_Speeds( void )
{
    motor_curSpeed = calculate_speeds( trg_cn );
    pr_debug("run count: %d, speeds: %0.3f cm/s\r\n", trg_cn, motor_curSpeed);
    trg_cn = 0;
}

在中断回调函数void HAL_TIM_PeriodElapsedCallback(TIM_HandleTypeDef *htim) 中调用void Calculate_Speeds( void )函数，调用的时间间隔为1s。实现代码如下：

void HAL_TIM_PeriodElapsedCallback(TIM_HandleTypeDef *htim)
{
  /* USER CODE BEGIN Callback 0 */

  /* USER CODE END Callback 0 */
  if (htim->Instance == TIM6) {
    HAL_IncTick();
  }
  /* USER CODE BEGIN Callback 1 */
  // each count is 10 us 
  if (htim->Instance == TIM7) {
      if( (count % 50000) == 0) // 500 ms 
      {
           HAL_GPIO_TogglePin( STATUS_LED_GPIO_Port, STATUS_LED_Pin);
      }

      // calculate the mator speed
      if( (count % 100000) == 0)  // 1000 ms
      {
        Calculate_Speeds();
      }
      
      
      count++;
  }
  /* USER CODE END Callback 1 */
}