【原创】【MCU实战经验】+汽车电子行业利用STM32的DMA捕获功能测量电机的转速

wjandsq 提问时间：2014-4-15 19:16 /

背景
众所周知，混合动力汽车及纯电动汽车是汽车电子行业未来的发展方向。汽车具有发动机，离合控制，
变速机构，执行电机等动力组件。其中变速机构的电控技术实现最为复杂，其中涵盖了动力结构设计，
实时电气电子控制，自动换挡及节能发电策略的实现等等。输入轴和输出轴的实时速度检测在变速器
换挡时尤为重要，在汽车电子行业，可利用STM32的DMA捕获功能测量输入输出轴电机的转速。
这点非常重要，而DSP的PWM捕获由于仅有2级FIFO，只能以中断方式捕获转速输入脉冲，对于高线数
的转速脉冲检测，则无能为力。

1 电机转速
电机转速是一个跟时间相关的物理量，在传动比确定的情况下，电机转速和车速成正比。
电机转速的单位为转/分，可以用这个物理量计算某一时间内车辆的行驶里程。

2 车辆速度
车辆速度单位为千米/小时，这个速度可以由电机转速和车辆传动比计算得到。
车辆仪表显示的车辆速度不需要实时更新，但电机转速则不同，它作为运那个动系统
实时反馈的一个物理量，对于电机控制器MCU，整车控制器VCU,或TCU都非常重要。

3 伺服电机光电编码器
在高速精密的数控系统中，采用伺服电机作为执行机构，伺服电机一般内置相对或绝对
光电编码器，光电编码器通过高速脉冲输出，反馈电机转过的行程。
一般的伺服电机有2500线，5000线或10000线，表示电机转一圈，发出2500、5000或
10000个脉冲。

4 脉冲频率脉冲周期
比如一个10000线的安川伺服电机，转速为3000转/分，这表示1分钟内，电机的光电
编码器反馈10000*3000个脉冲。单位时间内转速越高，发的脉冲数越多(好像是废话)。

3000 (转/分) = 3000/60 (转/秒) = 50 (转/秒)
即脉冲频率 = 50 * 10000 (Hz)   = 500 (KHz)
  脉冲周期 = 1 / 5 * 10^5 (秒) = 2  (微秒)

5 脉冲周期的捕获旋转编码器

硬件电路至少需要检测到两个脉冲(上升沿或下降沿)，根据这两个脉冲间隔的时间
才可以算出电机的转速。如果高速脉冲输出的占空比为50%，也可以检测一个上升沿
和随后的下降沿，根据两个信号之间的间隔时间算出电机转速。

由于高速脉冲的周期太短，比如这个2us，通用MCU算出来也发不出来，一般的数控系统，
利用CPLD或FPGA进行高速脉冲捕获和转速计算，而且这个转速只是一个参考，实际用来
进行精密位置控制的参数是脉冲数量，而不是转速。

客车用80KW的大功率电机，采用旋转编码器，2048线(每转2048个脉冲)
在3000(转/分) 即 50 (转/秒) 的速度下，
脉冲频率 =  50 * 2048 (Hz) = 102400 (Hz)
脉冲周期 = 1 / 102400 (秒) = 9.765625 (微秒)

这意味着，两个上升沿或下降沿之间的间隔时间 = 9.765625 (微秒)

综上所述，不到10us就可以算出电机的转速，当然为了得到更平稳的数据，也可以连续检测11个脉冲，
就能得到10个时间样本，求平均值就能得到可靠的电机速度。
11个脉冲检测总时间 = 9.765625 (微秒) * 10 = 97.65625 (微秒)

至于轴端转速，由于轴端的旋转编码器为900线，脉冲频率不到电机旋变脉冲频率的1/2，
在3000(转/分)时，直接挡的脉冲周期 = 9.765625 * 2048 /900 (微秒) = 22.222 (微秒)

综上所述，不到23us就可以算出轴端的转速，当然为了得到更平稳的数据，也可以连续检测11个脉冲，
就能得到10个时间样本，求平均值就能得到可靠的轴端速度。
11个脉冲检测总时间 = 22.222 (微秒) * 10 = 222.22 (微秒)

6 利用STM32连续捕获脉冲

由于STM32在硬件上具备脉冲的连续捕获能力，不需要启用中断，就可以通过DMA通道直接将上述10个
脉冲的间隔时间捕获到某一固定内存区域(第一个脉冲捕获到的时间不算)，这样就为CPU节约了大量的
时间开销。对于2048线的电机，97.65625 (微秒)内完成捕获，然后在CPU空闲时进行转速计算，1000(微秒)
也就是1(毫秒)后把这个转速数据通过CAN或485通讯接口发出去，就可以绘制电机的加减速转速曲线了。

经实测发现，以1(毫秒)的周期发送的转速数据绘制成的曲线，要比电机内部检测到的转速数据
(通过CAN发送出来)绘制的曲线更为平滑。

电机内部检测到的转速数据(通过CAN发送出来)绘制的曲线，存在10毫秒的时间延迟，曲线成台阶状，
这时由于电机向外发送的转速，只能10毫秒更新一次，所以就是台阶状(10毫秒不变)。

7 利用霍尔传感器代替旋转编码器

对于车辆控制系统，每隔1毫秒甚至10毫秒获取一个转速，即可满足要求，因此汽车行业多采用霍尔传感器
获取电机转速。汽车行业在电机上安装的霍尔传感器，一般是每转发36-60个脉冲。

经计算得知，以3000 转/分的速度运行的电机，如果霍尔传感器每转发60个脉冲，
脉冲频率 = 50 * 60 (Hz) = 3000 (Hz)
脉冲周期 = 1 / 3000 (秒) = 333.33 (微秒)

如果连续捕获11个脉冲(10个数据样本)，即捕获11个脉冲后再计算转速，那么需要3333.3 (微秒)
也就是3.333(毫秒) 才可以得到一个稳定的数据，而且是在3000 转/分的情况下。
如果连续捕获6个脉冲(5个数据样本)，需要1.6665 (毫秒)，转速数据才可以更新。
如果连续捕获4个脉冲(3个数据样本)，需要1(毫秒)，转速数据才可以更新。
如果连续捕获2个脉冲(1个数据样本)，需要0.333(毫秒)，转速数据才可以更新。

一般我们不需要300(转/分)以下的数据，这样数据更新的频率如下:
如果连续捕获6个脉冲(5个数据样本)，需要16.665(毫秒)，转速数据才可以更新。
如果连续捕获4个脉冲(3个数据样本)，需要10.000(毫秒)，转速数据才可以更新。
如果连续捕获2个脉冲(1个数据样本)，需要 3.333(毫秒)，转速数据才可以更新。

综上所述，采用霍尔传感器代替旋转编码器，使得转速数据采集的实时性降低，但由于脉冲周期大于250(微秒)，
可以用中断的方式捕获，并进行实时计算，因此能用廉价的芯片(例如10元以内MCU)实现电机转速采集。
同样也可以用STM32F1xx/STM32F2xx系列的芯片连续捕获脉冲并通过DMA通道传输数据，由于霍尔传感器的
每转脉冲数较少，只有在300转以上的情况下，才可保证转速数据的实时性。在300转/分时，数据实时更新
周期为3.333毫秒，若需要更快的更新频率，需采用软件插补的办法算出不存在的转速。

备注:
CAN_Motor_Speed  表示电机控制器通过CAN总线发过来的电机转速(10毫秒周期发送)，作为基本参考
Motor_Speed      表示STM32F1实测电机转速
S_Speed          表示轴端转速，有传动比，所以数值小

以上三个速度通过RS485发送到上位机，如图所示，波特率是230400bps

【图片】5个样本滑动平均值滤波.jpg