旋转编码器绝对位置测量方法

一般的旋转编码器本身只能提供相对位置信息，不过配合零点信号（即Z相信号）即可确定绝对位置，下面结合TI C2000系列单片机来讨论具体实现方法。

基本原理

在C2000系列单片机中，使用QEQP模块对旋转编码器输入信号进行处理，先根据输入的A、B、Z三相信号生成QCLK内部时钟信号、QDIR方向信号及QI同步信号，这部分工作是由QDU（Quadrature Decoder Unit）子模块完成的。输入信号的极性，输出的来源等均可配置，具体详见数据手册。

生成的QCLK信号来源于A、B两相信号跳变沿，此信号与QDIR方向信号一起确定QPOSCNT寄存器的计数增减，具体时序图如下：

从理论上说，只要确定了一点的绝对位置，就可以通过读取QPOSCNT寄存器获取任意时刻的绝对位置，以两对极电机为例，示例性代码如下：

theta = _IQmpyI32(_IQ(PI / QEP_LINE), EQep1Regs.QPOSCNT);

此处的theta是电角度而不是机械角度，QEP_LINE为编码器线数。对于两对极电机来说，假设QPOSCNT的初值是0，电机完整的顺时针转过一圈后QPOSCNT中的值应该是4 * QEP_LINE，使用上式计算得到的对应电角度就是4PI rad。

再考虑到电机的对称性及角度的周期性，theta的范围在[0, 2PI)内即可，对应的QPOSCNT的范围就是[0, 2 * QEP_LINE)。在C2000单片机中，可以通过QPOSMAX寄存器来设置这个最大值，示例代码如下：

EQep1Regs.QEPCTL.bit.PCRM = 1;         // 0 : QPOSCNT reset on an index event
                                       // 1 : QPOSCNT reset on the maximum position
EQep1Regs.QPOSMAX = 2 * QEP_LINE - 1;  // Set the maximum position

然而，这有两个问题，首先是初始时刻的绝对位置如何确定；其次是如何消除累积误差。解决方法是：初始时刻的绝对位置通过霍尔信号进行估测，累积误差通过Z相同步信号来消除。下面分别来讨论这两个问题。

初始时刻定位

初始时刻的位置确定比较简单，只要预先测定出Ha、Hb、Hc三个霍尔信号输出与绝对角度间的关系，在启动时通过查表的方法即可大致估算出初始角度。因为这一估算过程本来就不要求也不可能精确，故也无需测定霍尔信号跳变沿的准确位置，粗略的使用示波器观察信号估计一下即可。
示例性代码如下：

EQep1Regs.QPOSCNT = GetHall();

这句代码在初始化EQEP模块的时候调用一次，GetHall()函数可返回根据Hall信号猜测出的QPOSCNT寄存器的初值：

// Hall signal delt
#define HALL_DELT  (QEP_LINE / 3)
// Hall signal offset
#define HALLOFFSET (HALL_DELT / 2)

Uint32 GetHall(void)
{
  Uint16 Ha, Hb, Hc;
  Uint16 HallSignal;

  // 输入斯密特触发器处进行了取反
  // 此处再次取反获取原信号
  Ha = ~GpioDataRegs.GPADAT.bit.GPIO9  & 0x01;
  Hb = ~GpioDataRegs.GPADAT.bit.GPIO23 & 0x01;
  Hc = ~GpioDataRegs.GPADAT.bit.GPIO10 & 0x01;

  HallSignal = (Ha << 2) + (Hb << 1) + Hc;

  switch (HallSignal)
  {
  case 0x00:  // 000
    return HALLOFFSET + 0;

  case 0x01:  // 001
    return HALLOFFSET + HALL_DELT;

  case 0x03:  // 011
    return HALLOFFSET + 2 * HALL_DELT;

  case 0x07:  // 111
    return HALLOFFSET + 3 * HALL_DELT;

  case 0x06:  // 110
    return HALLOFFSET + 4 * HALL_DELT;

  case 0x04:  // 100
    return HALLOFFSET + 5 * HALL_DELT;

  default:
    __asm ("      ESTOP0");
  }

  return 0;
}

Z相同步信号

Z相信号用于对QPOSCNT寄存器进行同步定位，这个信号需要仔细考虑下，否则会造成之后得到的绝对位置存在误差。首先需要考虑的是，Z相信号本身是一个存在一定宽度的脉冲信号，从旋转编码器的原理上来看，正转和反转时Z相信号的上升沿和下降沿对应的绝对位置是不同的，正转时的上升沿对应反转时的下降沿，反之亦然。这就需要在正转和反转时使用不同的边沿触发同步事件，C2000单片机中可以很方便的实现这一功能，只需要设置IEI寄存器即可：

EQep1Regs.QEPCTL.bit.IEI = 3;  // 0 : Does nothing
                               // 2 : Initializes QPOSCNT on rising edge of QEPI
                               // 3 : Initializes QPOSCNT on rising or falling edge of QEPI depends on direction

同步事件发生时写入QPOSCNT中的值由QPOSINIT寄存器确定：

EQep1Regs.QPOSINIT = INDEX_OFFSET;    // eQEP Position Counter Initialization Value

这里就涉及到INDEX_OFFSET这个值怎么确定的问题，因为Z相脉冲并不是严格的出现于绝对零点位置处，故需要进行角度校正。

角度校正

角度校正的基本思想是，记录下Z相信号对应的绝对角度值，将其写入QPOSINIT寄存器即可，即上述代码中的INDEX_OFFSET宏定义的值。要确定绝对角度，必须要有一个基准，在进行角度校正时，使用预定位的方式确定绝对角度的零点。

具体做法是， 使能三相逆变器，使用SVPWM算法生成一个Ualpha > 0；Ubeta = 0的矢量，Ualpha不宜设置得过大，以免电流过大，此时电机会旋转至绝对零点处。之后使能EQEP模块，将QPOSCNT的值设为0，SEI设为0，以禁用QI信号信号的自动同步复位功能；与此同时，使能IEL，以便在QI信号发生时自动锁存QPOSCNT寄存器的值。以上初始化过程用代码表示如下：

EQep1Regs.QPOSCNT = 0;
EQep1Regs.QEPCTL.bit.IEI = 0;  // Does nothing on rising or falling edge of QEPI
EQep1Regs.QEPCTL.bit.IEL = 3;  // Latch QPOSCNT on rising or falling edge of QEPS depends on direction

按照以上步骤初始化EQEP模块后，禁用三相逆变器，此时电机可以自由旋转。用手旋转电机以产生QI信号，此时QPOSCNT寄存器中的值会被自动锁存在QPOSILAT寄存器中，可以正反多旋转几次电机，记录下若干次QPOSILAT寄存器中的值取平均值即可。读取寄存器的值可以通过使用仿真器进入调试模式实现。

计算得到的平均值即QI信号对应的绝对角度值，将此值定义为INDEX_OFFSET宏写入QPOSINIT寄存器中即可。

注：上述叙述假设编码器Z相信号连接至了QEPI输入端上，若连接至了QEPS输入端处，只需将QI相关部分改为QS即可，二者的功能基本相同。