尋跡小車之五電機測速及轉(zhuǎn)速控制

1、尋跡小車之五：電機測速及轉(zhuǎn)速控制此篇涉及電機的測速和轉(zhuǎn)速控制。 尋跡小車 FollowMe 之五：電機測速及轉(zhuǎn)速控制作者：Hanker前面已完成了車的主體，控制部分中的電機驅(qū)動器設(shè)計，軌跡采樣及邏輯控制部分硬件設(shè)計和開環(huán)控制功能，此篇涉及電機的測速和轉(zhuǎn)速控制。 6.1.3.3 轉(zhuǎn)速測量因為本項目的主要目的是學習單片機的應用，能夠低成本的實現(xiàn)功能是主要目標，性能的要求相對弱一些，所以測速選擇了簡易碼盤作為速度反饋信號，使用反射式采樣，由于擔心反射式采樣的分辨率有限，所以只設(shè)計10個黑印，我所選擇的反射采樣器是Sharp的GP330，其特點是反射距離遠，受自然光干涉少，作為軌跡采樣十分適合，但作為

2、碼盤采樣有些“粗”了。建議有意嘗試者改用其它的小體積、近距離的反射采樣器，這樣分辨率會高一些，可以多印一些黑印，以提高轉(zhuǎn)速測量的速度和精度。最好使用透射式碼盤，但是那樣結(jié)構(gòu)就相對復雜一些，但測量的分辨率可以大大提高。因為是反射式采樣，輸入信號不會很好，所以在硬件設(shè)計時就做了考慮，線路如下：輸入電路設(shè)計一個回差較大的比較器，以避免信號不好帶來的誤脈沖，而且回差可以通過R7（R10）來調(diào)整，還可以通過改變R12（R14）來改變輸入信號幅度，通過改變R5和R6（R8和R9）的比值來改變比較的門檻電平，這樣設(shè)計的目的是：a) 彌補反射式采樣器安裝帶來的偏差；b) 盡量使輸出的脈沖信號接近50%的占空比

3、，為倍速測量提供可能。M_Speed 信號接入單片機的PCA2 端， 使用STC12C54XX PCA模塊的捕獲模式：從圖中可以看出，在捕獲模式下，很容易實現(xiàn)對脈沖周期的測量，但是由于我們不能保證得到的脈沖周期是50%占空比的，雖然碼盤可以保證，但判斷電平的變化無法避免。所以必須在軟件上做略為復雜的運算，實現(xiàn)相同跳變之間的時間測量。設(shè)置2對時間計數(shù)器，分別記錄對應跳變的上次時間和本次時間，即可計算出相應的周期。之所以在硬件上還要通過調(diào)整使輸出盡量接近50%，是為了輸出的速度數(shù)據(jù)盡量分布均勻，便于調(diào)速功能使用。使用這種方式使一圈可以輸出20個速度值，提高了一倍。因為這種周期測速方式，速度值的輸出

4、間隔和轉(zhuǎn)速相關(guān)，不像使用測脈沖頻率的方式，可以基本保證一個等時間間隔，這對于PID方式的調(diào)速控制有些麻煩，因為數(shù)字化的PID控制算法多數(shù)是以等時間間隔為基礎(chǔ)的，為此測速部分除了要返回轉(zhuǎn)速值外，還要返回本次測速經(jīng)歷的時間（即周期），以便于PID控制部分作相應的修正。為減少中斷服務(wù)的時間，在中斷中只記錄時間，不做速度計算，建立標志后又主程序負責計算。 6.1.3.4 行走距離控制這是測速功能的一個副產(chǎn)品，利用對碼盤的脈沖計數(shù)，可以方便的實現(xiàn)對行走距離的控制，按目前的碼盤精度，可以控制到1.3 cm左右（輪子周長約 13 cm，一圈10個分割）。因為占空比不能保證，所以只能取一個邊沿信號計數(shù)。程序中

5、設(shè)計為正跳沿處理脈沖計數(shù)。因為是控制行走距離，所以應當在結(jié)束時采用“剎車”控制，使輪子盡快停下。這個功能還是有些作用的，比如預先知道軌跡的情況下，提前在轉(zhuǎn)彎處減速，以保證尋跡的可靠。因為算法比較簡單，不再贅述，詳見程序。6.1.3.5 電機PID調(diào)速控制PID控制算法源于模擬控制方式，其控制的結(jié)果和反饋是連續(xù)不斷的，可以用一個數(shù)學模型來表示。而數(shù)字式的PID控制算法如果要接近模擬的效果，采樣的間隔必須足夠小，也就是要求有足夠快的采樣速度，否則會由于數(shù)據(jù)反饋的滯后帶來較大的偏差，導致系統(tǒng)不穩(wěn)定。由于目前所用的簡易碼盤方式不可能有快速的采樣，而且還會由于速度的變化使采樣間隔發(fā)生變化，相當于在控制回

6、路中增加了一個較大的滯后環(huán)節(jié)，所以系統(tǒng)的特性不會很好，只是能夠借此學習一下PID控制的算法，體會一下PID控制的感覺。由于控制對象的不確定、不理想，倒是增加了學習的挑戰(zhàn)性。從這里分析可以看出，要想得到好的電機控制效果，良好的速度采樣機構(gòu)是必須的，所以在FIRA足球機器人中，所用的電機多為Fanhaimer的空心杯電機，且?guī)в?12線（直接連在電機輸出軸上，一圈512個脈沖）的碼盤，由于它的電機轉(zhuǎn)速較高，其減速比也較大，綜合后相當于我們這個的1000倍，這樣的采樣分辨率就可以采用定間隔頻率采樣方式了?；趯W習的目的，這里還是參照電動機的單片機控制書中所介紹的算法對PID控制做一個嘗試，至少可以讓

7、轉(zhuǎn)速作相應變化，不至于出現(xiàn)以下現(xiàn)象：因為電機的負載太輕（尤其是經(jīng)過減速的電機），即使供給最小的PWM值，電機還是以全速轉(zhuǎn)動，但是負載加大一點，電機又不轉(zhuǎn)了，失去了調(diào)速的功能。書中介紹了兩種數(shù)字PID算法，對于直流電機的控制，應當采用位置式PID控制。從便于實現(xiàn)的角度考慮，采用通過增量式控制算法遞推得到，詳見書中描述：如上所示，書中對兩種算法作了清晰的描述，在設(shè)計階段，完全按照上述的算法編寫程序，在調(diào)試階段，再考慮利用書中所介紹的各種改進的算法結(jié)合具體的情況修改。（因為書中的描述已十分全面，所以采用了直接引用的方式，以免耽誤了讀者，因為我這方面也沒有深入的研究。）書中所提供的程序是匯編語言實現(xiàn)的

8、，此處采用C語言實現(xiàn)，原理一樣，只是可讀性會好一些。程序的基礎(chǔ)是上面文中的 （4-7）式和（4-9）式，作為原始數(shù)據(jù)，保存最近三次的速度值和最近兩次的時間間隔，通過計算可以得到: Ek、Ek-1、Ek-2 以及對應的變化量，取兩次時間間隔的平均值作為T，此處也可以看出，必須要調(diào)整硬件參數(shù)，以盡量保證輸出脈沖的占空比為50%，因為測量的時間間隔就是脈沖的高、低電平時間（見程序中的速度計算函數(shù)）。而算式中的Kp、Td、Ti將作為待調(diào)整參數(shù)，可以通過參數(shù)設(shè)置命令設(shè)置。在調(diào)試時確定。目前的程序先從PWM初值“10%”開始，調(diào)試時如果感覺效果不好，考慮通過測量PWM值和轉(zhuǎn)速之間的關(guān)系，得到一個根據(jù)命令轉(zhuǎn)速值確定一個對應PWM初值的關(guān)系式