正交編碼器接口QEI

正交編碼器（又名增量式編碼器或光電式編碼器），用於檢測旋轉運動系統的位置和速度。正交編碼器可以對多種電機控制套用實現閉環控制，諸如開關磁阻（SR）電機和交流感應電機（ACIM）。

基本介紹

• 中文名：正交編碼器接口
• 外文名：Quadrature encoder
• 別名：增量式編碼器或光電式編碼器
• 用途：檢測旋轉運動系統的位置和速度
• 組成：輪子、發射器/ 檢測器模組

功能概述

典型的增量式編碼器包括一個放置在電機傳動軸上的開槽的輪子和一個用於檢測該輪上槽口的發射器/ 檢測器模組。通常，有三個輸出，分別為：A相、B相和索引（INDEX），所提供的信息可被解碼，用以提供有關電機軸的運動信息，包括距離和方向。

A相（QEA）和B相（QEB）這兩個通道間的關係是惟一的。如果A相超前B相，那么電機的旋轉方向被認為是正向的。如果A相落後B相，那么電機的旋轉方向則被認為是反向的。第三個通道稱為索引脈衝，每轉一圈產生一個脈衝，作為基準用來確定絕對位置。編碼器產生的正交信號可以有四種各不相同的狀態（01，00，10，11）。請注意，當旋轉的方向改變時，這些狀態的順序與此相反（11，10，00，01）。正交解碼器捕捉相位信號和索引脈衝，並將信息轉換為位置脈衝的數字計數值。通常，當傳動軸向某一個方向旋轉時，該計數值將遞增計數；而當傳動軸向另一個方向旋轉時，則遞減計數。選擇“x4”測量模式，QEI邏輯在A相和B相輸入信號的上升沿和下降沿都使位置計數器計數，可以為確定編碼器位置提供更高精度的數據（更多位置計數）。

正交編碼器接口（QEI）模組提供了與增量式編碼器的接口。QEI由對A相和B相信號進行解碼的正交解碼器邏輯以及用於累計計數值的遞增/ 遞減計數器組成。

QEI 模組包括：

· 三個輸入引腳，即兩個相位信號和一個索引脈衝

· 提供計數器脈衝和計數方向的正交解碼器

· 16 位遞增/遞減位置計數器

· 計數方向狀態

· X2和X4計數解析度

· 兩種位置計數器復位模式

· 通用16 位定時器/計數器模式

· 由QEI或計數器事件產生的中斷

辭彙匯總

Quadrature encoder：正交編碼器 incremental encoder：增量式編碼器

linear displacement：線性位移 position counter：位置計數器

index signal：索引信號 wheel：輪

integrate position over time：位置對時間的積分 velocity：速度

velocity-timer expiration：速度定時器發生計滿返回 gray code：格雷碼

miswiring：錯誤接線 lead：超前於 forward：正向 backward：反向

RPM=revolutions per minute 轉數/分 divisor：除數（被除數÷除數=商）

predivider：預分頻器（用來對時鐘進行分頻，以得到目標頻率的時鐘）

power of 2 = 2的n次冪（求n個相同因數a的乘積的運算叫做乘方（Power），乘方的結果叫做冪（Power），a叫做底數（base number），n叫做指數（exponent）。把an讀做a的n次方）

product：乘積 absolute position：絕對位置

相關說明

• QEI總體特性
  

QEI簡介

正交編碼器（又名雙通道增量式編碼器），用於將線性移位轉換為脈衝信號。通過監控脈衝的數目和兩個信號的相對相位，用戶可以跟蹤旋轉位置、旋轉方向和速度。另外，第三個通道稱為索引信號，可用於對位置計數器進行復位，從而確定絕對位置。

LM3S8962等型號微控制器包含2個正交編碼器接口（QEI）模組。每個正交編碼器接口模組對由正交編碼器轉輪所產生的編碼進行解碼，從而通過位置計數器累計值計算位置，並確定旋轉的方向。另外，該接口還能夠捕獲編碼器轉輪運行時的速率。

Stellaris系列ARM的QEI特性

Stellaris系列ARM含有1至2個QEI模組。

每個QEI都具有以下特性：

.. 位置積分器跟蹤編碼器的位置；

.. 使用內置定時器來捕獲速率；

.. 在出現下列情況時產生中斷：

.. 檢測到索引脈衝；

.. 速率定時器發生計滿返回事件；

.. 旋轉方向發生改變；

.. 檢測到正交錯誤。

雙通道增量式編碼器是在一個碼盤上只開出了3條碼道，由內向外分別是A、B、C，如圖1.1（a）所示。在A、B碼道的碼盤上，等距離的開有透光的縫隙，2條碼道上相鄰的縫隙互相錯開半個縫寬，其展開圖如圖1.1（b）所示。第三條碼道只開出一個縫隙，用來表示碼盤的零位。在碼盤的兩側分別安裝光源和光敏元件，當碼盤轉動時，光源經過透光和不透光區域，相應地，每條碼道將有一系列脈衝從光敏元件輸出。碼道上有多少縫隙，就會有多少個脈衝輸出。將這些脈衝整形後，輸出的脈衝信號如圖1.1（c）所示。

功能特點

QEI模組對正交編碼器轉輪所產生的兩位格雷碼進行解碼，從而通過位置計數器累計值計算位置，以及確定旋轉的方向。另外，該接口還能夠捕獲編碼轉輪運行時的速率。

位置積分器和速度捕獲功能可以單獨使用，但是在使能速度捕獲前必須先使能位置積分器才可以。phA和phB這兩個相位信號在被QEI模組解碼前可以進行交換，以改變正向和反向的意義和糾正系統的錯誤接線。

QEI模組支持兩種信號操作模式：正交相位模式和時鐘/方向模式。在正交相位模式中，編碼器產生兩個相位差為90度的時鐘信號，它們的邊沿關係被用來確定旋轉的方向。在時鐘/方向模式中，編碼器產生一個時鐘信號和一個方向信號來分別表示步長和旋轉方向。QEI模組配置為何種模式主要依賴於所選用的碼盤是何種類型。

群星系列單片機自帶的QEI模組，在控制方面提供了極大的方便，在許多電機控制領域都可以勝任其職能。

位置捕獲

當在正交模式時，phA的邊沿超前與phB的邊沿時，位置計數器在每檢測到一個邊沿就加1，phA的邊沿落後與phB的邊沿時，位置計數器在每檢測到一個邊沿就減1。當一對上升沿和下降沿出現在其中一個相位上，而在另一個相位上沒有任何邊沿時，旋轉方向已經發生了改變。

在時鐘和方式模式下，當方向信號為高電平時，位置計數器在每檢測到一個邊沿就加1；當方向信號為低電平時，位置計數器在每檢測到一個邊沿就減1。位置計數器的值在感測到索引脈衝或者達到最大位置時會復位。

速度檢測

QEI模組裡面自帶一個定時器，設定定時器的定時時間，在預設的時間周期內，獲取捕獲到的pha和phB的邊沿數目，此數目與編碼器的速率成正比例。軟體初始化QEI時，設定好捕獲的模式和捕獲的邊沿對象，並設定好定時器的時間，即可讀取在預設時間內的邊沿數，就可以換算出編碼器的速率。

中斷控制

QEI模組可以在以下4種情況下產生中斷：

􀁺 檢測到相位錯誤時

􀁺 方向改變時

􀁺 速率定時器定時時間到時

􀁺 檢測到索引脈衝時

QEI的中斷，可以靈活配置，對編碼器的狀態進行監測，實現方便的控制，也可以配合定時器外設的CCP，對編碼器進行精確的控制。也可以利用QEI去擴展其他外設的不足，比如把速率定時器當作一個普通定時器用。