解析先楫“硬核”解码利器 —— QEIV2

7 月 ago
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HPMicro
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引言

QEIV2是先楫高性能MCU中非常核心的外设，主要用于高精度电机控制、运动控制和位置传感，是处理编码器信号的“眼睛”。

主要功能

  • QEIV2支持数字信号输入和模拟信号输入，能解析多种编码器模式：

    • 正交编码器模式（ABZ信号）
      ABZ正转
      ABZ反转

    • 正余弦信号模式（SinCos信号）
      SinCos

    • UVW霍尔传感器模式（UVW信号）
      UVW

    • 脉冲+方向信号模式（PD信号）
      PD

    • 上/下信号模式（UD信号）
      UD

    • 单脉冲信号模式（P信号）
      P

    • 单相正弦信号模式（Sin信号）
      Sin

  • 可直接输出位置信息

    • POSITION值为0，对应0度
    • POSITION值为0xFFFFFFFF，对应360度

  • 支持M/T法测速

    • 结合M法和T法，硬件既测量脉冲数，又测量产生这些脉冲所用的精确时间，软件使用这些测量的数值可精确计算出速度。

  • 具有位置比较功能（精准触发）

    • 走到某个位置，能自动触发中断、DMA或触发输出

  • 具有信号滤波功能

    • QEIV2的信号有数字滤波器，能有效滤除信号毛刺，从而保证控制系统在强电磁干扰环境下不“飞车”

  • 具有数据锁存功能

    • 支持在读取事件发生时，把各个计数器的值保存到读取READ寄存器组里。以此保证用户读到的各种计数器值信息是严格同一时刻的
    • 读取事件可以是软件触发，用户通过软件写CR[READ]位置1
    • 读取事件也可以是硬件触发，用户通过硬件写READEN寄存器使能相应的读取事件

  • 具有数据暂停功能

    • 当PAUSE信号输入为1时，QEIV2将暂停计数

  • 具有数据复位功能

    • 当CR[RSTCNT]置1时，QEIV2将复位所有计数器

  • 具有2个HOME位置检测功能

    • HOME信号代表电机系统的零点位置，当检测到HOME信号的上升沿或下降沿时，可产生中断、DMA或触发输出。

  • 具有FAULT信号用于故障输入

    • 当电机系统发生故障时，给FAULT信号输入上升沿，QEIV2模块将停止输出Position有效信号，停止Position的内部流转。

QEIV2模块连接示意图

QEIV2 Architecture

  • 信号输入

    • QEIV2具有6个IO信号输入，A、B、Z、H(HOME)、H2(HOME2)、F(Fault)，这6个IO信号均可配置数字滤波器，可用来滤除信号“毛刺”。
    • Pause信号没有专用引脚，需从TRGMMUX中选择信号作为Pause信号。
    • Snap信号也没有专用引脚，需从TRGMMUX中选择信号作为Snap信号。
    • ADC0和ADC1用于正余弦模拟信号输入，可从TRGM ADC_MATRIX中指定ADC数值的来源，ADC_MATRIX示意图如下：
      ADC Matrix
    • SyncTime时钟，可以用来在位置信息中添加时间戳

  • 信号输出

    • TrigOut触发输出信号，连接到TRIGMUX，可给其他模块使用。
    • DMAReq输出信号，连接到DMAMUX，可给DMA使用。
    • Position位置输出，连接到POS_MAXTRIX，可给其他模块使用。

编码器应用要点

编码器数值介绍

  • 编码器主要有四个值，Position、Angle、PhCnt和ZCnt（圈数），如下COUNT寄存器中的的SPD和TMR可以通过CR[RD_SEL]位域设置将数值映射为Position和Angle。
    rd sel
  • Position为一圈中的角度，0-360°对应0x00000000至0xFFFFFFFF。
  • Angle为SinCos编码器一个信号周期内的正切角度。

ABZ编码器应用要点

Z相的介绍

  • 正交编码器，有些带有Z相信号，它通常用来定位编码器的零点位置。
  • 为了保证电机无论正向还是反向旋转，总是定位到Z相信号的同一边沿，正交解码器默认的内部逻辑会将Z相信号与A/B相信号同步，具体做法为：
    • 当电机正向旋转时，Z相信号捕捉总是同步于A相的上升沿，即当Z相信号为高电平，A相信号捕捉到上升沿，Z相计数器+1。
    • 当电机反向旋转时，Z相信号捕捉总是同步于A相的下降沿，即当Z相信号为高电平，A信信号捕捉到下降沿，Z相计数器-1。
  • 通过设置CR[Z_ONLY_EN]位域，使得Z相信号忽略A/B相信号同步
    • 当电机正向旋转时，Z相信号捕捉到上升沿，Z相计数器+1
    • 当电机反向旋转时，Z相信号捕捉到下降沿，Z相计数器-1
  • 当没有Z相信号时，可以通过设置CR[ZCNTCFG]位域，使得Z相计数通过Phcnt计数到达Phmax时+1，或则phcnt递降过0时-1。
  • 需要主要的是：当没有Z相信号时，Z相引脚不能够配置，只能配置AB相信号引脚。否则，ZCNT可能会异常增大或减小。

测速模块介绍

  • 测速模块的原理是M/T法，既测量脉冲数，又测量产生这些脉冲所用的精确时间。

  • 硬件有2种方式来实现上述M/T法

    • 基于脉冲数PULSE的测速方法
      alt text
      [1] 预先设置PULSE脉冲数，QEIV2会记录达到该PULSE脉冲数所需的时钟周期，在cycle_snap寄存器中可以读取到。
      [2] 软件使用预设的PULSE脉冲数和cycle_snap数据，可以计算出实际的转速。
      [3] 上图中的周期快照0为当前记录的周期快照，周期快照1为上一周期记录的周期快照。
    • 基于周期数CYCLE的测速方法
      alt text
      [1] 预先设置CYCLE周期数，当周期数到达时，QEIV2会记录这段时间内的脉冲数和这些脉冲数对应的时钟周期，即pulse_snap和pulse_cylce_snap。
      [2] 软件使用pulse_snap和pulse_cylce_snap数据，可以计算出实际的转速。
      [3] 上图中的脉冲快照0和周期快照0为当前记录的脉冲快照和周期快照，脉冲快照1和周期快照1为上一周期记录的脉冲快照和周期快照。

  • ABZ编码器软件典型配置

    qeiv2_mode_config_t mode_config = { 0 };

mode_config.work_mode = qeiv2_work_mode_abz;                            /* 工作模式 */
mode_config.spd_tmr_content_sel = qeiv2_spd_tmr_as_spd_tm;              /* 计数值选择（测速计数值可用于位置值、定时器计数值可用于角度值） */
mode_config.z_count_inc_mode = qeiv2_z_count_inc_on_z_input_assert;     /* Z相计数器递增模式选择 */
mode_config.phcnt_max = APP_ENCODER_PHASE_COUNT_PER_REV;                /* 一圈有多少个脉冲 */
mode_config.z_cali_enable = true;                                       /* Z相信号校准Phcnt使能 */
mode_config.z_cali_ignore_ab = false;                                   /* Z相信号忽略A/B相信号同步 */
mode_config.phcnt_idx = 0;                                              /* Z相信号有效时，将Phcnt校准到该数值 */
qeiv2_config_mode(APP_QEI_BASE, &mode_config);

  • 之后，可通过API qeiv2_set_phase_cnt()和qeiv2_set_z_phase()来分别设置PhaseCnt和ZPhaseCnt初值。

Sin/Cos编码器应用要点

  • 需要配置ADC，为了数据同步性，建议使用2个ADC instance，一个用于正弦，一个用于余弦。若是Sin和Cos使用同一个ADC去采样，则两路的信号延迟会使得计算出的角度偏差较大。

  • 需要配置ADC Matrix，将ADC信号连接到QEIV2的ADC0/ADC1输入。

  • 需要配置QEIV2的ADC相关的参数，主要有offset、param0和param1，典型的配置代码如下：

    adc_config.adc_select = 0;
adc_config.adc_channel = qeiv2_adc_channel_convert(BOARD_APP_QEI_ADC_COS_CHN, 0);
adc_config.offset = 0x80000000;    /* middle point */
adc_config.param0 = 0x4000;
adc_config.param1 = 0;
qeiv2_config_adcx(APP_QEI_BASE, &adc_config, true);
adc_config.adc_select = 1;
adc_config.adc_channel = qeiv2_adc_channel_convert(BOARD_APP_QEI_ADC_SIN_CHN, 0);
adc_config.offset = 0x80000000;    /* middle point */
adc_config.param0 = 0;
adc_config.param1 = 0x4000;
qeiv2_config_adcy(APP_QEI_BASE, &adc_config, true);

  • x通道对应cos信号，y通道对应sin信号；offset为sin/cos信号的中间电压值，例如为0x80000000；param0和param1是对sin/cos分量进行微调，以处理sin/cos信号不是完全正交或者幅值不同的情况，具体计算推理如下：

    • 例如Sin信号相位偏差B角度，即Y0=sin(A+B)，X0=cos(A)，那么可通过配置param0和param1来消除Sin信号偏差的角度B，推到据图如下：
      alt text
    • param0和param1的硬件逻辑图如下所示：
      alt text
      处理后的x1和y1为：

      x1 = (x0-x_offset)*x_param0 + (y0-y_offset)*y_param0
y1 = (x0-x_offset)*x_param1 + (y0-y_offset)*y_param1
    • 当x_param0 = 1，y_param0 = 0时，x1为保持不变的cos(A)信号。
    • 当x_param1 = -tan(B)，y_param1 = 1/cos(B)时，y1为消除偏差角度B后的sin(A)信号。
    • x_param0 和 y_param0 乘以一个系数，可以缩放 X1 的值，x_param1 和 y_param1 乘以一个系数，可以缩放 y1 的值。
    • 上述调整参数的，也可通过如下API进行设置: 
      void qeiv2_config_adcx_adcy_param(QEIV2_Type *qeiv2_x, float tan_delta, float cos_delta, float x_magnification, float y_magnification);

  • 配置好ADC参数后，将QEIV2配置为Sin/Cos编码器模式，软件的典型配置为

    /* mode config */
mode_config.work_mode = qeiv2_work_mode_sincos;
mode_config.spd_tmr_content_sel = qeiv2_spd_tmr_as_pos_angle;
mode_config.z_count_inc_mode = qeiv2_z_count_inc_on_phase_count_max;
mode_config.phcnt_max = 128;
mode_config.z_cali_enable = false;
mode_config.z_cali_ignore_ab = false;
mode_config.phcnt_idx = 0;
qeiv2_config_mode(APP_QEI_BASE, &mode_config);

  • 之后，可通过API qeiv2_set_phase_cnt()和qeiv2_set_z_phase()来分别设置PhaseCnt和ZPhaseCnt初值。

UVW编码器应用要点

  • UVW编码器有三个相差120°相位的信号，按照这三个信号，可以将其分为6个相位，需配置每个相位对应的Position。
  • 位置输出模式有2种，在信号边沿输出当前周期的位置，或者在信号边沿输出下一个位置周期的位置，配置的API如下： 
    static inline void qeiv2_set_uvw_position_opt(QEIV2_Type *qeiv2_x, qeiv2_uvw_pos_opt_t opt)
  • 总共有6个相位，配置UVW信号对应位置的API如下： 
    static inline void qeiv2_set_uvw_position_sel(QEIV2_Type *qeiv2_x, qeiv2_uvw_pos_idx_t idx, uint8_t u_pos_sel, uint8_t v_pos_sel,
                                         uint8_t w_pos_sel, bool enable)
  • 最后，配置这6个相位对应的Position，API如下： 
    static inline void qeiv2_set_uvw_position(QEIV2_Type *qeiv2_x, qeiv2_uvw_pos_idx_t idx, uint32_t pos)

TOGI应用要点

  • TOGI指的是三阶广义积分器（Third-Order Generalized Integrator），它是一个带直流消除功能的正交信号发生器，把输入的单相sin信号变成一对 sin/cos信号，从而能像处理旋转矢量一样精确地算出角度θ。
  • 它的典型应用为单相并网逆变器：用于实时跟踪电网的电压相位。
  • 在QEIV2中，只需知道单相sin信号频率和ADC采样频率，即可配置TOGI的参数，API如下： 
    /**
 * @brief configures the TOGI w parameter
 *
 * This function calculates and sets the TOGI w parameter for the QEIV2 module based on the input signal frequency and ADC sample   rate.
 * The parameter here primarily refers to the frequency control parameter used for waveform generation.
 *
 * @param[in] qeiv2_x QEIV2 base address, HPM_QEIV2x(x=0...n)
 * @param[in] signal_hz Frequency of the input signal
 * @param[in] adc_sample_rate Sample rate of the ADC
 */
void qeiv2_config_togi_w_param(QEIV2_Type *qeiv2_x, uint32_t signal_hz, uint32_t adc_sample_rate);

备注

  • 更加详细的技术细节，请参考芯片用户手册的QEIV2章节或HPM_SDK官方示例。
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