外文翻译译文-较宽的调速范围、高精度的位置和带有串行外设接口的速度测量芯片

中北大学外文文献译文第 1 页 共 20 页较宽的调速范围、高精度的位置和带 有串行外设接口的速度测量芯片恩杜布伊西艾基克韦 拉尔夫卡明斯传记 彼得 kazanzides美国 MD 21218部巴尔的摩约翰霍普金斯大学电气和计算机工程部门美国 MD 21218部巴尔的摩约翰霍普金斯大学计算机科学系2007年2月13号收到，2007年7月25号已修订的形式收到，2007年7月26号接受摘要：本文提出了一种具有串行外设接口（SPI）的 VLSI 芯片，通过增量式光电编码器反馈可以获得位置和速度的测量。在很宽的速度范围（10赫兹50兆赫）内它结合了时间和频率计数以提供具有良好的动态性能的速度的估计。通过检测编码器的速度，它保留了一个监控单片机的计算能力，提高了整个系统的执行性能。与传统的 FPGA 的应用相比它更为紧密且拥有较低的能耗。虽然设计用于具有34轴紧空间和功率的限制医用机器的控制单元，但它可以很容易地使用在其他应用中。它是在一个拥有0.45平方毫米的活动区域中的0.5毫米的2p3 m CMOS 工艺中实现，该工艺消耗 4.82 mW 的功率。2007爱思唯尔 B.V.保留所有权利。关键词：增量编码器；穿行外设接口；速度测量；位置测量；速度控制1、引言大多数现代电机控制系统应用在机器人技术，制造业，汽车和医疗行业时需要瞬时速度信息。增量型编码器，它已被用于此目的，具有高精度，高分辨 中北大学外文文献译文第 2 页 共 20 页率和高噪声免疫力等特点。由于具有高噪声免疫力，低维修，成本低的优点，他们是获得电机速度信息的首选方法，通常被认为是优于直流转速表 1。通常情况下，增量编码器是由一个圆形的玻璃盘印有 M 个均匀分布的狭槽。光通过狭槽发光激活两个传感器，产生两个90相位（正交）的脉冲，如图1和2 所示 2。图1.正交编码器图2.正交波形根据旋转方向，其中一个脉冲将超前或滞后的另一个脉冲。脉冲周期和频率的数量，分别与旋转的角度和角度变化率成比例。3-8报告了基于速度测量编码器 FPGA 的实现。在 1 中，VHDL 合成的逻辑通常用来获得一个速度估计。市售的正交解码器和接口芯片（例如， 中北大学外文文献译文第 3 页 共 20 页hctl2000家庭）只能测量位置，通过在监督控制器(uc ）内分化来计算速度。对于空间受限的应用，这些技术的使用可能不是最优的因为他们体型上大。此外，离散差异化往往产生一个嘈杂的速度估计。为了紧凑和节省功耗，超大规模集成电路的方法提供了一个更好的选择。诱发应用这项工作是为微创手术喉（喉咙）设计的一个医疗机器人系统 7 。这个机器人将由三个小（4.2毫米）的蛇形机器人组成，每个蛇形机器人由七个低功率（0.75 W）的直流电动机驱动。正确的控制这些机器人需要电机组的协调运动，受到转矩限制约束以避免变形。这意味着需要精确的速度（电压）控制，转矩（电流）的限制，和电流反馈。此外，完整的机器人系统包含34个马达（21个驱动蛇形机器人和13个用于他们在空间中的位置和方向） ，这个系统需要同时处理来自34增量编码器的反馈。图3显示系统描述在 9 中，是为直流电机自适应速度控制的低功耗的机器人系统而设计。微处理器采用源于数字化的位置和速度（DPS）模型的位置和速度估计的，除了电枢电流反馈，以实现自适应的电机速度控制。为了容纳其他的片上模块在同一芯片上，在一个紧凑的形式上实现 DPS 是需要的。相比 FPGA 的实现，该控制系统在该芯片上的的实现与执行能够节省空间。这将使一个紧凑的强大的机器人不晦涩外科医生在手术室的观点。本文中，我们提出了 DPS 模块，位置和时间测量的 VLSI 芯片，该芯片拥有微控制器串行外设接口（SPI） 。该芯片是简洁的和以一个标准的读出架构来实现，使得它很容易与任何计算机或单片机连接。这种原型芯片的目的是作为一个更大芯片的一部分，这个大芯片整合了所有的功能如图3所示使微处理器基于低功耗医疗机器人的控制。此外，它可以用在许多其他的应用中，这些应用需要精确估计一个直流电机的速度和位置。本文的组织如下：速度，位置，加速度估计技术在第部分介绍。芯片的体系结构和实现在第3部分讨论；第4部分提出并讨论了测试和实验结果，而第5节给出最终结论。2、速度、位置、加速度估计技术从增量式编码器获取速度的两个主要技术是周期计数和频率计数 1,4,5,9,10 ：（a）周期计数：这包括从编码器的连续脉冲之间的时钟计数脉冲。如果编 中北大学外文文献译文第 4 页 共 20 页码器每转脉冲，时钟频率和计数器最终值分别是 M，p 和 Np，然后速度由 10 给出：相对误差&x 等于绝对误差除以真实价值：其中 x 是真实值和 Xo 是测量或推断值。对于周期计算的相对误差使用（1） ，是因此，相对误差由计数误差（Np）而给出相对误差与速度成正比，这表明周期计数技术在较低的速度时更准确。请注意，量化误差是通过设置（5）式中的Np 为1 得到的。（b）频率计数：这是数在一个已知的时间 Tf 内来自编码器脉冲的个数。高值意味着高速度而小计数表示较低的速度。如果 Nf 是最终的计数值，则编码器的速度由 9，10 给出 中北大学外文文献译文第 5 页 共 20 页图3.机器控制单元微处理器的结构注：（6）假定 Nf 的获得不需要编码器脉冲的正交解码。如果用正交解码，Nf 应该由 NFf/ 4替换。用（2）可以得到系统的相对误差在这里，相对误差与速度成反比，这表明频率计数技术在高速度时更准确。在这种情况下，量化误差结果来自编码器脉冲和时间观测窗口之间缺乏同步。这量化误差造成了在测量计数值 Nfde 一位不确定性因子，引起了一个粗粮速度误差，由11，12 给出：频率计对于中、高速度是有用的，但在低速时降低了性能，因为在低速时相对误差增大。图4表明在高脉冲每转（M）时，误差明显的低了。此外，增加固定的时间窗口减小相对误差。在本设计中，周期计数和频率计数技术相结合是为了高、低速电机转动的精确测量，最好的技术是在芯片外选择。一个片上的选择器需要一个16位的数字比较器，这将需要大量的硅空间。为适应不同的 中北大学外文文献译文第 6 页 共 20 页应用，改变 Fp 和 Tf 的值改变系统，这俩个都是重要的参数，分别决定着周期和频率计数的计数输出。图4.相对固定时间和脉冲或转速数的模拟频率计数量化误差另一种流行的技术已经提出，是持续的流逝时间（CET）技术，该技术是在可变的脉冲数（说 K）之间测量流逝时间，为每个速度区间选择最优 K 值 10 。速度估计和相对误差分别给出如下 1:2.1、设计约束在设计上存在三大约束：最大可能计数值，编码器的最大频率和最小可测量速度。计数值转化为计数器内的位数，如（1）和（3）所示受 m,P 和 Ts的影响。编码器的最大频率取决于编码器类型；这影响 m 的值（在编码器中的时隙的数目） 。最小可测量速度考虑到在频率计数时，至少需要一个完整的编码器的脉冲。这很重要，因为编码器的脉冲和采样周期，Tf，在（8）中不是同时创造一个不确定性的建模。为了尽量减少这种不确定性，后者周期必须至少是 中北大学外文文献译文第 7 页 共 20 页前者的两倍以保持奈奎斯特准则从而减小相对误差。这意味着，频率计数的最小可测速度由下式给出对于周期计数，最小可测速度由最大可能计数限制，通常是低于（11）中给定的速度。如果（1）和（6）组合并等同起来，我们得到的速度在期数和频率计数上是相同的。这是系统的临界速度， thr，给出了周期（Error p）和频率(Error f)技术的百分比误差，分别由（13）和（14）给出 7 ，其中 enc 是编码器的频率确保量化误差保持小于1%和 N 位计数器溢出，编码器的频率范围（enc）是由（15）和（16）的周期和频率计数分别给出 4,7。对于（15） ，上限由（13）计算得来。同样的，对于（16） ，下限由（14）计算得出从（15）和（16）可知，在计数器达到饱和之前增加 n 将增加编码器的频率范围。预测的不同编码器的频率计数值如图5所示。对于一个16位的计数器，最大可能的计数器值为65535，相应的值是由这个上限限制以避免超出。 中北大学外文文献译文第 8 页 共 20 页图5.对于周期（左）和频率计数（右）以及不同的时钟频率和时间窗所预测的计数器值和 编码器频率2.2、位置测量位置测量是计数编码器脉冲来估计编码器的位置。在这里，标准正交技术被用来获得每个编码器四期数。确定编码器旋转方向，渠道 RST 解码成向上或向下的信号以确定哪些信道（A 或 B）使对方。2.3、加速度测量加速度，即速度变化率，在单片机里可以使用速度值和和时间标记来计算（即，离散分化） 。 中北大学外文文献译文第 9 页 共 20 页3、芯片的体系结构和实现6显示芯片的简化框图。它包括数字电路，用于实现位置和速度的测量。每个实现都是在接下来的章节中讨论的。3.1、位置测量对于位置测量，编码器的输出被解码成一个向上或向下的信号（编码器的方向信号）通过 QDECODER 模块块（部分）如图7所示，包含许多 DFFS（D触发器）和一个异或。一个16位的上/下同步计数器（ UP/ DN 特征）用来计算的正交脉冲，计数，在图7中产生的。单片机使用的方向信号来确定电机的旋转方向。一个 PISO（并行输入串行输出）寄存器用来将计数器的并行输出转换成串行格式。转移是在 SPI 时钟提供的16个时钟周期内完成（未显示） 。SPI 控制块（图6）保证每个测量的结果（位置，速度，时间和频率计数）同步控制器。由于位置的测量没有锁存，结果在一段时间内是可用的。这意味着转移至微控制器的结果在周期更新之间是可用的。通过这种瞬时位置的操作，系统的整体精度提高。图6.VLSI 芯片结构图8显示了 PISO 设计。为了简单化只展示了 3位设计；实现设计包含16位。当 load0_shift1信号变低时，在时钟的下降沿 AC 位被并行加载到 D 触发器的输出（DFF） 。当 load0_shift1变高，该位在每个时钟的下降沿右移。在内部产生 中北大学外文文献译文第 10 页 共 20 页的锁存信号完成数据从计数器向锁存器的转移后该 load0_shift1信号被立刻拉低。系统的完整性是通过右移位操作来保持 load0_shift1高电平来保护的。3.2、速度测量上面描述的速度测量由两个技术实现：周期和频率计数。图6的上部分显示的是频率计数速度测量。在这里，一个固定的时间的脉冲（定时器）应用于一个计数型触发器，该触发器与一个计数器的使能输入（EN）相连接。这确保了当 EN 有效时计数才有可能。编码器的 A 通道， ChA 被用于时钟输入。当EN 有效时，计数器的计数窗口内 A 通道的脉冲数。最终的计数器值被锁存，并通过 PISO 转移到单片机内。周期计测量速度技术的实现与频率的方法类似，除了输入到触发器的是 A 通道（CHA）和一个脉冲（Clkp ）被用于计数器的时钟输入。计数器计数来自 ClkP 的时钟脉冲，ClkP 出现在编码器的连续脉冲之间。在每个计算周期结束时，内部产生的信号锁存计数器的值到LATCH&PISO。这是由内部产生的重置计数器的复位信号（RF 或 RP）来跟踪，从而为其下一个计数序列做准备。对于下一个序列的 EN 信号被拉高之前数据锁存和计数器复位应当完成。请注意，对于周期计数，只使用一个编码器通道很重要（在我们的情况下，CHA） ；如果使用两个通道，如果相位差不是90测得的速度会失去准确性，这在实践中是很少见的。 中北大学外文文献译文第 11 页 共 20 页图7.正交编码器图8.3位 PISO 设计3.3、加速度测量加速度，即速度变化率，可以在单片机内使用（17）来计算 13。使用通过频率计数测量的速度给出加速度如Nfk 和 Nfk-1在时间分别为 k 和 k-1时的两个连续的计数结果。4、测量和实验结果所制作的芯片，如图9所示。图10显示的实验装置是带有芯片和提供的编码器信号的主板处理器（测试板包含测试芯片的无关成分） 。图11和12显示的是该芯片对于周期和频率计数在逻辑分析仪（休利特帕卡德54620a）上捕获的测量值。对于位置测量结果呈现在图13。这些都是代表性的结果拥有小计数值以便于观察。在图11中，计数器计数一个外部时钟，ClkP 的脉冲数，出现在编码器脉冲（ChA）的半周期内。在 PISO 内 shift 变高时该计数器的结果被锁存并随后序列化（根据来自单片机的一个读请求？） 。通过 SPI fastclk 时钟的16个周期，最终结果（so_per ）传送给单片机。图12给出了频率计数结果。描述是类似的，除了在由脉冲确定的一段时间内,定时器计数器计数编码器脉冲（ChA）数。结果通过 SPI 时钟（fastclk）转移到 so_freq。位置测量是直接的由于没有锁，如第3节中的解释。在位置更新之际，位置计数结果被转移到了 so_pos。inc_dec 中北大学外文文献译文第 12 页 共 20 页给出了电机旋转方向（高为顺时针，低为逆针方向） 。请注意，一个向上/向下计数器用于定位模块。当 shift 信号变高时 SPI 的时钟（ fastclk）也用于数据传输到单片机内。图9.芯片微型图图10.试验检测装置 中北大学外文文献译文第 13 页 共 20 页图11.周期计数测量值。当 shift 变高时，在16个 fastclk 周期内锁存的计数器输出被转换。 结果出现在 So_per 上图12.频率计数测量结果。当 shift 变高时，在16个 fastclk 周期内锁存的计数器输出被转换。 结果出现在 So_Freq 上 中北大学外文文献译文第 14 页 共 20 页图13.位置测量结果。Inc_dec 是高表明 ChA 导致 ChB。当 shift 变低时，计数器位以并行方式 载入，当它是高时，结果在16个 fastclk 周期内被转移到 So_Pos在实验装置中（图10） ，微控制器提供了 fastclk 和作为主要服务，而速度和周期模块是 SPI 的从属装置。在机器人控制中，高层次的闭环控制算法用于速度和位置估计，拥有电机电枢电流反馈，在单片机上实现。在本实验装置，微控制器还用于生成编码器脉冲（ChA 和 ChB） 。fastclk 频率的确定取决于控制更新率。如果一个控制系统使用该芯片的更新周期为 Y（ms） ，从三个模块（频率计数，周期计数和位置）的每一个传输数据的时间应不大于 Y3（ms） 。将 Y3（ms）除以16得到的 fastclk 周期，必须在16个周期内转移16位。这意味着对于 Y（ms ）的更新周期，fastclk 周期是：对于这种设计（对于速度和位置估计拥有1毫秒更新的应用程序） ，fastclk周期必须小于或等于148 ms，这对应于一个大于或等于48KHz 的频率。这是一个低端的束缚；在实践中，频率要高得多（例如，在 MHz 范围）因为微处理器还需要时间来完成控制计算并输出结果。4.1、测量误差分析如上所述误差的主要来源为有计数器引入的量化误差和编码器通道与时钟信号之间的同步误差。图14和15分别显示了预测和测量的相对于周期和频率计 中北大学外文文献译文第 15 页 共 20 页数的计数器结果的细节。该图表表明，对于周期和频率计数，分别在较高和较低的编码器频率精度降低。在低编码器频率下的周期计数和高编码器频率下的频率计数，测量值渐近达到预测值。对于两种技术这些机制是以百分比输出误差的形式如图16所示。该图表明分别在高和低编码器频率下的频率和周期计数的误差是主要的，表1给出了芯片的特点。5、结论在本文中，基于位置和速度测量的增量编码器 VLSI 芯片具有已被描述的SPI 接口。它基于两种技术：从对于低速应用的编码器的连续脉冲之间的时钟计数脉冲和对于中高速在一个已知的时间内计数脉冲数。联合技术能够使芯片在较宽的速度范围内传递高精度无需降解动态行为。相比基于方法和减少强加在监控单片机上的计算复杂度芯片上的速度估计提供了更高的精度。与 FPGA版本相比该芯片紧凑且低功耗。它是在一个0.5毫米的2p3 m CMOS 工艺上实现的。虽然设计为了用于外科医疗机器人的控制单元，它也可以用于各种需要精确的运动估计和控制的应用中。图14.相对于编码器频率的周期计数的预测和测量输出（10KHz 的时钟频率） 。当编码器频 率降低时，测量输出逐渐与预测输出相吻合 中北大学外文文献译文第 16 页 共 20 页图15.相对于编码器频率的频率计数的预测和测量输出（100ms 的定时周期） 。当编码器频 率升高时，测量输出逐渐与预测输出相吻合 中北大学外文文献译文第 17 页 共 20 页图16.相对于编码器频率的百分误差（p=10KHz，Tf=10ms） 。对于周期计数，误差随 着编码器频率的上升而增加，对于频率计数，误差随着编码器频率的升高而降低表1芯片特征技术 0.5um COMS所需电压 5V能耗 4.82mW活动范围 0.45mm2计数器规格 16位接口 SPI编码器频率范围 10Hz50MHz认证书在 ERC 合作协议 EEC-9731748下美国国家科学基金会为这项工作提供资金和基础设施。 中北大学外文文献译文第 18 页 共 20 页参考文献1 E. sisinni 等.一个基于具有准确的位置和速度估计的编码器接口 PLD.IEEE 国际研讨会,工业电子,2002,2:6066112在线3J.N.Lygouras,K.A.Lalakos,P.G.Tsalides.对于闭环位置控制的高执行力的位置检测和速度自适应测量.IEEE 反式,国际米兰,1998,4:474 P.Bhatti,B.Hannafo rd.增量式光电编码器的单片机速度测量系统.IEEE 反式,控制系统技术,1997,6:55J.Rull,A.Sudria,J.Bergas,S.Galceran.在 DSP 控制运动系统中对于一个基于速度传感器的可编程逻辑设计.IEEE 国际会议的新兴技术,工厂自动化,1999,2:124312476M.-F.Tsai,C.-P.Chen.对于电机的控制使用 CPLD 一个正交解码器/ 计数器接口IC 的设计.IEEE 工业电子,SOC 会议,2002,3（58):193619447A.Kapoo r,N.Simaan,P.Kazanzides.可用于小的蛇型机器人的速度和转矩的控制系统.IEEE / APS 机甲和机器人技术,德国:亚琛,2004年9月8X.Shao,D.Sun.一个基于机器人的运动控制的 ASIC 的 FPGA 的开发.智能控制汽车 WCICA,2006:21-239N.Ekekwe,R.Etienne-C ummings, P.Kazanzides.对于紧密的低电流的机器人系统的直流电机控制的可配置 VLSI 芯片.在 IEEE ISCAS,希腊:科斯岛,200610G.Eduar do 等.一个在很宽的转速范围内拥有高精度的数字转速表的 ASIC 的实现.IEEE 反式工业电子,1996,6:4311N.Ekekwe,R.Etienne-Cu mmings,P.Kazanzides.对有刷直流电机的自适应速度控制的 VLSI 芯片的建模仿真,IASTED CAS,2006:242612M.Faccio 等.一个对于采用增量式编码器的位置和速度测量的嵌入式系统.IEEE 工业应用会议,2004,2:1192119913国家法规文件 .拥有 CompactRIO 和 LabVIEW FPGA 的正交编码器的速度和加速度估计.在线 中北大学外文文献译文第 1