Алгоритм измерения скорости для инкрементального датчика положения на основе измерения периода импульсов с использованием цифрового фильтра

  • Алексей [Aleksey] Сергеевич [S.] Анучин [Anuchin]
  • Валентина [Valentina] Сергеевна [S.] Подзорова [Podzorova]
  • Юлия [Yuliya] Константиновна [K.] Каземирова [Kazemirova]
  • Дмитрий [Dmitriy] Игоревич [I.] Савкин [Savkin]
  • Максим [Maksim] Михайлович [M.] Лашкевич [Lashkevich]
  • Чен [Chen] Хао [Хао]
  • Галина [Galina] Львовна [L.] Демидова [Demidova]
DOI: https://doi.org/10.24160/1993-6982-2024-2-11-26
Ключевые слова: инкрементальный датчик положения, микроконтроллер, метод измерения периода, измерение скорости, sinc3-фильтр

Аннотация

Точное измерение скорости вращения ротора необходимо для приводов шпинделя и других приводов с высокими требованиями к точности стабилизации скорости. Чаще всего в них используются инкрементальные датчики положения, где скорость рассчитывается как производная по времени от перемещения. В настоящее время лучшим решением для определения скорости является метод постоянного времени измерения, точность которого ограничена точностью датчика положения и дискретностью измерения времени. Однако следует заметить, что метод постоянного времени измерения игнорирует все промежуточные данные о приходящих с датчика импульсах и использует только те, которые необходимы для измерения скорости в текущий момент. Проведенный анализ измеренных периодов (интервалов) времени между импульсами от датчика положения показал, что эти периоды обладают свойствами дельта-сигма модулированных сигналов, поэтому было предложено обрабатывать результаты метода измерения скорости по периоду между импульсами с помощью цифрового sinc-фильтра высокого порядка для получения дополнительной информации от входных данных. Предлагаемый метод на основе измерения периода использует sinc-фильтр третьего порядка, как наиболее распространенный тип фильтрации, применяемый в измерительном оборудовании.

Для демонстрации эффективности предложенного метода разработана имитационная модель, показывающая распределение ошибки для предлагаемого и классического методов, рассмотренных в настоящей работе. Экспериментальные результаты получены как в установившемся режиме, так и при разгоне привода. Сравнение методов выполнено с использованием одинаковых входных данных и времени измерения. Результаты моделирования и эксперимента показали, что на высоких скоростях предложенный метод измерения периода с sinc3-фильтрацией обеспечивает гораздо меньшее среднеквадратическое отклонение от фактического значения, чем другие методы.

Проанализирована вычислительная сложность предложенного метода, что позволяет сделать вывод о возможности его реализации с использованием современных микроконтроллеров.

Сведения об авторах

Алексей [Aleksey] Сергеевич [S.] Анучин [Anuchin]

доктор технических наук, профессор, заведующий кафедрой автоматизированного электропривода НИУ «МЭИ», Генеральный директор ООО «МИП Вектор», e-mail: anuchin.alecksey@gmail.com

Валентина [Valentina] Сергеевна [S.] Подзорова [Podzorova]

кандидат технических наук, инженер кафедры автоматизированного электропривода НИУ «МЭИ», ведущий инженер-конструктор ООО «НПФ Вектор», e-mail: astakhovavalentina94@gmail.com

Юлия [Yuliya] Константиновна [K.] Каземирова [Kazemirova]

кандидат технических наук, инженер кафедры автоматизированного электропривода НИУ «МЭИ», инженер-программист 1-й категории  ООО «НПФ Вектор», e-mail: KazemirovaYK@mpei.ru

Дмитрий [Dmitriy] Игоревич [I.] Савкин [Savkin]

старший преподаватель кафедры автоматизированного электропривода НИУ «МЭИ», ведущий инженер-программист 1-й категории, координатор проектов ООО «НПФ Вектор», e-mail: SavkinDmI@mpei.ru

Максим [Maksim] Михайлович [M.] Лашкевич [Lashkevich]

кандидат технических наук, инженер кафедры автоматизированного электропривода НИУ «МЭИ», заместитель руководителя отдела разработки программного обеспечения, ведущий инженер-программист ООО «НПФ Вектор»

Чен [Chen] Хао [Хао]

доктор технических наук, профессор Китайского горно-технологического университета, Сюйчжоу, Китай, e-mail: hchen@cumt.edu.cn

Галина [Galina] Львовна [L.] Демидова [Demidova]

кандидат технических наук, доцент, главный инженер кафедры электротехники и прецизионных электромеханических систем Национального исследовательского университета ИТМО, научный сотрудник международной научной лаборатории силовой электроники и автоматизированного электропривода Национального исследовательского университета ИТМО, Санкт-Петербург, e-mail: demidova@itmo.ru

Литература

1. Soshi M., Ishii S., Yamazaki K. A Study on the Effect of Rotational Dynamic Characteristics of a Machine Tool Spindle Drive on Milling Processes // Proc. CIRP. 2012. V. 1. Pp. 319—324. DOI: 10.1016/j.procir.2012.04.057.
2. Guo E. e. a. Research on the Cutting Mechanisms of Cylindrical Gear Power Skiving // J. Advanced Manufacturing Technol. 2015. V. 79. Pp. 541—550. DOI: 10.1007/s00170-015-6816-9.
3. Aksonov Y. e. a. The Motion Differential Characteristics Estimation Using Incremental Encoders in the CNC Feedback Loop // Proc. IEEE III KhPI Week on Advanced Technol. 2022. Pp. 1—6. DOI: 10.1109/KhPIWeek57572.2022.9916428.
4. Дадаян Г.Л., Чигвинцев С.В. Датчики положения вала электродвигателя // Электропривод, электротехнологии и электрооборудование предприятий: Сб. науч. тр. IV Междунар. науч.-техн. конф. Уфа: Уфимский гос. нефтяной техн. ун-т, 2019. С. 174—177.
5. Briz F., Cancelas J.A., Diez A. Speed Measurement Using Rotary Encoders for High Performance AC Drives // Proc. XX Annual Conf. IEEE Industrial Electronics. 1994. V. 1. Pp. 538—542. DOI: 10.1109/IECON.1994.397844.
6. Petrella R., Tursini M., Peretti L., Zigliotto M. Speed Measurement Algorithms for Low-resolution Incremental Encoder Equipped Drives: a Comparative Analysis // Proc. Intern. Aegean Conf. Electrical Machines and Power Electronics. 2007. Pp. 780—787. DOI: 10.1109/ACEMP.2007.4510607.
7. V'azquez-Guti'errez Y., O'Sullivan D.L., Kavanagh R.C. Small-signal Modeling of the Incremental Optical Encoder for Motor Control // IEEE Trans. Industrial Electronics. 2020. V. 67(5). Pp. 3452—3461. DOI: 10.1109/TIE.2019.2916307.
8. Yi-Fan Zhao, Yan F., Chang-Qing Du. Fast Start-up Control Method of PMSM Based on Incremental Photoelectric Encoder // Proc. IET Intern. Conf. Information Sci. and Control Eng. 2012. Pp. 1—4. DOI: 10.1049/cp.2012.2342.
9. Kavanagh R.C. Improved Digital Tachometer with Reduced Sensitivity to Sensor Nonideality // IEEE Trans. Industrial Electronics. 2000. V. 47(4). Pp. 890—897. DOI: 10.1109/41.857969.
10. Anuchin A., Dianov A., Briz F. Synchronous Constant Elapsed Time Speed Estimation Using Incremental Encoders // IEEE/ASME Trans. Mechatronics. 2019. V. 24(4). Pp. 1893—1901. DOI: 10.1109/TMECH.2019.2928950.
11. Анучин А.С. и др. Оптимизированный синхронный метод измерения частоты вращения с помощью инкрементального датчика положения // Промышленная энергетика. 2018. № 7. С. 11—22.
12. Ostkotte S., Peters C., Hüning F., Bragard M. Design, Implementation and Verification of an Rotational Incremental Position Encoder based on the Magnetic Wiegand Effect // Proc. Elektro Conf. Krakow, 2022. Pp. 1—6. DOI: 10.1109/ELEKTRO53996.2022.9803477.
13. Ilmiawan A.F. e. a. An Easy Speed Measurement for Incremental Rotary Encoder Using Multi Stage Moving Average Method // Proc. Intern. Conf. Electrical Engineering and Computer Sci. Kuta, 2014. Pp. 363—368. DOI: 10.1109/ICEECS.2014.7045279.
14. Buhai S., Shipeng T. A Transmission Algorithm Applicable to Incremental and Absolute Encoder and Its Implementation // Proc. II Intern. Conf. Advanced Robotics and Mechatronics. Hefei and Tai'an, 2017. Pp. 299—304. DOI: 10.1109/ICARM.2017.8273178.
15. Ohmae T., Matsuda T., Kamiyama K., Tachikawa M. A Microprocessor-controlled High-accuracy Wide-range Speed Regulator for Motor Drives // IEEE Trans. Ind. Electron. 1982. V. IE-29. No. 3. Pp. 207—211.
16. Bonert R. Digital Tachometer with Fast Dynamic Response Implemented by a Microprocessor // IEEE Trans. Ind. Appl. 1983. V. IA-19. No. 6. Pp. 1052—1056.
17. Lygouras J.N., Pachidis T.P., Tarchanidis K.N., Kodogiannis V.S. Adaptive High-performance Velocity Evaluation Based on a High-resolution Time-to-digital Converter // IEEE Trans. Instrumentation and Measurement. 2008. V. 57(9). Pp. 2035—2043. DOI: 10.1109/TIM.2008.919039.
18. Hace A., Čurkovič M. Accurate FPGA-based Velocity Measurement with an Incremental Encoder by a Fast Generalized Divisionless MT-type Algorithm // Sensors. 2018. V. 18(10). P. 3250. DOI: 10.3390/s18103250.
19. Negrea AC., Imecs M., Incze I.L., Pop A., Szabo C. Error Compensation Methods in Speed Identification Using Incremental Encoder // Proc. Intern. Conf. and Exposition Electrical and Power Eng. Iaşi, 2012. Pp. 441—445. DOI: 10.1109/ICEPE.2012.6463857.
20. Lee Y., Kim S.H., Lee S.-H., Chung C.C. Encoder Calibration Method for High Precision Servo Systems with a Sinusoidal Encoder // IEEE Trans. Industrial Electronics. 2022. V. 69(1). Pp. 752—762. DOI: 10.1109/TIE.2021.3051599.
21. Bertoni R., Andre H. Comparison of Incremental Encoders in Order to Improve IAS Based Diagnosis // Proc. Prognostics and Health Management Conf. 2020. Pp. 157—162. DOI: 10.1109/PHM-Besancon49106.2020.00033.
22. Emura T., Wang L. A High-resolution Interpolator for Incremental Encoders Based on the Quadrature PLL Method // IEEE Trans. Industrial Electronics. 2000. V. 47(1). Pp. 84—90. DOI: 10.1109/41.824129.
23. Lee C.-H., Huang H.-J., Chang J.-P., Chen Y.-C. Incremental Optical Encoder Based on a Sinusoidal Transmissive Pattern // IEEE Photonics J. 2022. V. 14(1). Pp. 1—6. DOI: 10.1109/JPHOT.2021.3129820.
24. Kazemirova Yu. e. a. Speed Estimation Applying Sinc-filter to a Period-based Method for Incremental Position Encoder // Proc. 54th Intern. Universities Power Eng. Conf. 2019. Pp. 1—4. DOI: 10.1109/UPEC.2019.8893535.
25. Schreier R., Second and Higher-order Delta-sigma Modulators [Электрон. ресурс] https://classes.engr.oregonstate.edu/eecs/spring2021/ece627/Lecture%20Notes/2nd%20&%20Higher-Order2.pdf (дата обращения 08.10.2023).
26. Подзорова В.С. Исследование и обработка дельта-сигма модулированных сигналов в системах управления электроприводов: дисс. … канд. техн. наук. М.: НИУ «МЭИ», 2022.
27. Gerosa A., Neviani A. A Low-power Decimation Filter for a Sigma-delta Converter Based on a Power-optimized Sinc Filter // Proc. IEEE Intern. Symp. Circuits and Systems. Vancouver, 2004. P. II-245. DOI: 10.1109/ISCAS.2004.1329254.
28. Anuchin A. Surnin, D., Lashkevich M. Accuracy Analysis of Shunt Current Sensing by Means of Delta-sigma Modulation in Electric Drives // Proc. XVII Intern. Ural Con. on AC Electric Drives. Ekaterinburg, 2018. Pp. 1—5. DOI: 10.1109/ACED.2018.8341706.
29. Ilmiawan A.F. e. a. An Easy Speed Measurement for Incremental Rotary Encoder Using Multi Stage Moving Average Method // Proc. Intern. Conf. Electrical Eng. and Computer Sci. 2014. Pp. 363—368. DOI: 10.1109/ICEECS.2014.7045279.
30. Briz F., Cancelas J.A., Diez A. Speed Measurement Using Rotary Encoders for High Performance AC Drives // Proc. XX Annual Conf. IEEE Industrial Electronics. 1994. V. 1. Pp. 538—542. DOI: 10.1109/IECON.1994.397844.
---
Для цитирования: Анучин А.С, Подзорова В.С, Каземирова Ю.К., Савкин Д.И., Лашкевич М.М, Чен Х., Демидова Г.Л. Алгоритм измерения скорости для инкрементального датчика положения на основе измерения периода импульсов с использованием цифрового фильтра // Вестник МЭИ. 2024. № 2. С. 11—26. DOI: 10.24160/1993-6982-2024-2-11-26
---
Работа выполнена при поддержке Министерства науки и высшего образования Российской Федерации в рамках Государственного задания № FSWF-2023-0017 (Соглашение № 075-03-2023-383 от 18 января 2023 г.) в сфере научной деятельности на 2023 — 2025 гг.
#
1. Soshi M., Ishii S., Yamazaki K. A Study on the Effect of Rotational Dynamic Characteristics of a Machine Tool Spindle Drive on Milling Processes. Proc. CIRP. 2012;1:319—324. DOI: 10.1016/j.procir.2012.04.057.
2. Guo E. e. a. Research on the Cutting Mechanisms of Cylindrical Gear Power Skiving. J. Advanced Manufacturing Technol. 2015;79:541—550. DOI: 10.1007/s00170-015-6816-9.
3. Aksonov Y. e. a. The Motion Differential Characteristics Estimation Using Incremental Encoders in the CNC Feedback Loop. Proc. IEEE III KhPI Week on Advanced Technol. 2022:1—6. DOI: 10.1109/KhPIWeek57572.2022.9916428.
4. Dadayan G.L., Chigvintsev S.V. Datchiki Polozheniya Vala Elektrodvigatelya. Elektroprivod, Elektrotekhnologii i Elektrooborudovanie Predpriyatiy: Sb. Nauch. Tr. IV Mezhdunar. Nauch.-tekhn. Konf. Ufa: Ufimskiy Gos. Neftyanoy Tekhn. Un-t, 2019:174—177. (in Russian).
5. Briz F., Cancelas J.A., Diez A. Speed Measurement Using Rotary Encoders for High Performance AC Drives. Proc. XX Annual Conf. IEEE Industrial Electronics. 1994;1:538—542. DOI: 10.1109/IECON.1994.397844.
6. Petrella R., Tursini M., Peretti L., Zigliotto M. Speed Measurement Algorithms for Low-resolution Incremental Encoder Equipped Drives: a Comparative Analysis. Proc. Intern. Aegean Conf. Electrical Machines and Power Electronics. 2007:780—787. DOI: 10.1109/ACEMP.2007.4510607.
7. V'azquez-Guti'errez Y., O'Sullivan D.L., Kavanagh R.C. Small-signal Modeling of the Incremental Optical Encoder for Motor Control. IEEE Trans. Industrial Electronics. 2020;67(5):3452—3461. DOI: 10.1109/TIE.2019.2916307.
8. Yi-Fan Zhao, Yan F., Chang-Qing Du. Fast Start-up Control Method of PMSM Based on Incremental Photoelectric Encoder. Proc. IET Intern. Conf. Information Sci. and Control Eng. 2012:1—4. DOI: 10.1049/cp.2012.2342.
9. Kavanagh R.C. Improved Digital Tachometer with Reduced Sensitivity to Sensor Nonideality. IEEE Trans. Industrial Electronics. 2000;47(4):890—897. DOI: 10.1109/41.857969.
10. Anuchin A., Dianov A., Briz F. Synchronous Constant Elapsed Time Speed Estimation Using Incremental Encoders. IEEE/ASME Trans. Mechatronics. 2019;24(4):1893—1901. DOI: 10.1109/TMECH.2019.2928950.
11. Anuchin A.S. i dr. Optimizirovannyy Sinkhronnyy Metod Izmereniya Chastoty Vrashcheniya s Pomoshch'yu Inkremental'nogo Datchika Polozheniya. Promyshlennaya Energetika. 2018;7:11—22. (in Russian).
12. Ostkotte S., Peters C., Hüning F., Bragard M. Design, Implementation and Verification of an Rotational Incremental Position Encoder based on the Magnetic Wiegand Effect. Proc. Elektro Conf. Krakow, 2022:1—6. DOI: 10.1109/ELEKTRO53996.2022.9803477.
13. Ilmiawan A.F. e. a. An Easy Speed Measurement for Incremental Rotary Encoder Using Multi Stage Moving Average Method. Proc. Intern. Conf. Electrical Engineering and Computer Sci. Kuta, 2014:363—368. DOI: 10.1109/ICEECS.2014.7045279.
14. Buhai S., Shipeng T. A Transmission Algorithm Applicable to Incremental and Absolute Encoder and Its Implementation. Proc. II Intern. Conf. Advanced Robotics and Mechatronics. Hefei and Tai'an, 2017:299—304. DOI: 10.1109/ICARM.2017.8273178.
15. Ohmae T., Matsuda T., Kamiyama K., Tachikawa M. A Microprocessor-controlled High-accuracy Wide-range Speed Regulator for Motor Drives. IEEE Trans. Ind. Electron. 1982;IE-29;3:207—211.
16. Bonert R. Digital Tachometer with Fast Dynamic Response Implemented by a Microprocessor. IEEE Trans. Ind. Appl. 1983;IA-19;6:1052—1056.
17. Lygouras J.N., Pachidis T.P., Tarchanidis K.N., Kodogiannis V.S. Adaptive High-performance Velocity Evaluation Based on a High-resolution Time-to-digital Converter. IEEE Trans. Instrumentation and Measurement. 2008;57(9):2035—2043. DOI: 10.1109/TIM.2008.919039.
18. Hace A., Čurkovič M. Accurate FPGA-based Velocity Measurement with an Incremental Encoder by a Fast Generalized Divisionless MT-type Algorithm. Sensors. 2018;18(10):3250. DOI: 10.3390/s18103250.
19. Negrea AC., Imecs M., Incze I.L., Pop A., Szabo C. Error Compensation Methods in Speed Identification Using Incremental Encoder. Proc. Intern. Conf. and Exposition Electrical and Power Eng. Iaşi, 2012:441—445. DOI: 10.1109/ICEPE.2012.6463857.
20. Lee Y., Kim S.H., Lee S.-H., Chung C.C. Encoder Calibration Method for High Precision Servo Systems with a Sinusoidal Encoder. IEEE Trans. Industrial Electronics. 2022;69(1):752—762. DOI: 10.1109/TIE.2021.3051599.
21. Bertoni R., Andre H. Comparison of Incremental Encoders in Order to Improve IAS Based Diagnosis. Proc. Prognostics and Health Management Conf. 2020:157—162. DOI: 10.1109/PHM-Besancon49106.2020.00033.
22. Emura T., Wang L. A High-resolution Interpolator for Incremental Encoders Based on the Quadrature PLL Method. IEEE Trans. Industrial Electronics. 2000;47(1):84—90. DOI: 10.1109/41.824129.
23. Lee C.-H., Huang H.-J., Chang J.-P., Chen Y.-C. Incremental Optical Encoder Based on a Sinusoidal Transmissive Pattern. IEEE Photonics J. 2022;14(1):1—6. DOI: 10.1109/JPHOT.2021.3129820.
24. Kazemirova Yu. e. a. Speed Estimation Applying Sinc-filter to a Period-based Method for Incremental Position Encoder. Proc. 54th Intern. Universities Power Eng. Conf. 2019:1—4. DOI: 10.1109/UPEC.2019.8893535.
25. Schreier R., Second and Higher-order Delta-sigma Modulators [Elektron. Resurs] https://classes.engr.oregonstate.edu/eecs/spring2021/ece627/Lecture%20Notes/2nd%20&%20Higher-Order2.pdf (Data Obrashcheniya 08.10.2023).
26. Podzorova V.S. Issledovanie i Obrabotka Del'ta-sigma Modulirovannykh Signalov v Sistemakh Upravleniya Elektroprivodov: Diss. … Kand. Tekhn. Nauk. M.: NIU «MEI», 2022 (in Russian).
27. Gerosa A., Neviani A. A Low-power Decimation Filter for a Sigma-delta Converter Based on a Power-optimized Sinc Filter. Proc. IEEE Intern. Symp. Circuits and Systems. Vancouver, 2004:II-245. DOI: 10.1109/ISCAS.2004.1329254.
28. Anuchin A. Surnin, D., Lashkevich M. Accuracy Analysis of Shunt Current Sensing by Means of Delta-sigma Modulation in Electric Drives. Proc. XVII Intern. Ural Con. on AC Electric Drives. Ekaterinburg, 2018:1—5. DOI: 10.1109/ACED.2018.8341706.
29. Ilmiawan A.F. e. a. An Easy Speed Measurement for Incremental Rotary Encoder Using Multi Stage Moving Average Method. Proc. Intern. Conf. Electrical Eng. and Computer Sci. 2014:363—368. DOI: 10.1109/ICEECS.2014.7045279.
30. Briz F., Cancelas J.A., Diez A. Speed Measurement Using Rotary Encoders for High Performance AC Drives. Proc. XX Annual Conf. IEEE Industrial Electronics. 1994;1:538—542. DOI: 10.1109/IECON.1994.397844
---
For citation: Anuchin A.S., Podzorova V.S., Kazemirova Yu.K., Savkin D.I., Lashkevich M.M., Chen H., Demidova G.L. A Speed Measurement Algorithm for an Incremental Encoder Based on Pulse Period Measurement Using a Digital Filter. Bulletin of MPEI. 2024;2:11—26. (in Russian). DOI: 10.24160/1993-6982-2024-2-11-26
---
The work is executed with the Support of the Ministry of Science and Higher Education of the Russian Federation within the Framework of State Assignment No. FSWF-2023-0017 (Agreement No. 075-03-2023-383, January 18, 2023) in the Field of Scientific Activity for 2023 — 2025
Опубликован
2023-12-21
Выпуск
№ 2 (2024): Выпуск № 2
Раздел
Электротехнические комплексы и системы (технические науки) (2.4.2)