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寻迹小车 FollowMe―― 之五:电机测速及转速控制

工程师
2011-03-15 14:34:06    评分
寻迹小车 FollowMe―― 之五:电机测速及转速控制
写于: 星期一 14 八月 @ 16:45:34
 
智能机器人开发此篇涉及电机的测速和转速控制。

寻迹小车 FollowMe ―― 之五:电机测速及转速控制

作者:Hanker

前面已完成了车的主体控制部分中的电机驱动器设计轨迹采样及逻辑控制部分硬件设计开环控制功能,此篇涉及电机的测速和转速控制。

6.1.3.3 转速测量

因为本项目的主要目的是学习单片机的应用,能够低成本的实现功能是主要目标,性能的要求相对弱一些,所以测速选择了简易码盘作为速度反馈信号,使用反射式采样,由于担心反射式采样的分辨率有限,所以只设计10个黑印,我所选择的反射采样器是Sharp的GP330,其特点是反射距离远,受自然光干涉少,作为轨迹采样十分适合,但作为码盘采样有些“粗”了。建议有意尝试者改用其它的小体积、近距离的反射采样器,这样分辨率会高一些,可以多印一些黑印,以提高转速测量的速度和精度。

最好使用透射式码盘,但是那样结构就相对复杂一些,但测量的分辨率可以大大提高。
因为是反射式采样,输入信号不会很好,所以在硬件设计时就做了考虑,线路如下:


输入电路设计一个回差较大的比较器,以避免信号不好带来的误脉冲,而且回差可以通过R7(R10)来调整,还可以通过改变R12(R14)来改变输入信号幅度,通过改变R5和R6(R8和R9)的比值来改变比较的门槛电平,这样设计的目的是:
a) 弥补反射式采样器安装带来的偏差;
b) 尽量使输出的脉冲信号接近50%的占空比,为倍速测量提供可能。
M_Speed 信号接入单片机的PCA2 端, 使用STC12C54XX PCA模块的捕获模式:


从图中可以看出,在捕获模式下,很容易实现对脉冲周期的测量,但是由于我们不能保证得到的脉冲周期是50%占空比的,虽然码盘可以保证,但判断电平的变化无法避免。所以必须在软件上做略为复杂的运算,实现相同跳变之间的时间测量。

设置2对时间计数器,分别记录对应跳变的上次时间和本次时间,即可计算出相应的周期。之所以在硬件上还要通过调整使输出尽量接近50%,是为了输出的速度数据尽量分布均匀,便于调速功能使用。

使用这种方式使一圈可以输出20个速度值,提高了一倍。

因为这种周期测速方式,速度值的输出间隔和转速相关,不像使用测脉冲频率的方式,可以基本保证一个等时间间隔,这对于PID方式的调速控制有些麻烦,因为数字化的PID控制算法多数是以等时间间隔为基础的,为此测速部分除了要返回转速值外,还要返回本次测速经历的时间(即周期),以便于PID控制部分作相应的修正。

为减少中断服务的时间,在中断中只记录时间,不做速度计算,建立标志后又主程序负责计算。

6.1.3.4 行走距离控制

这是测速功能的一个副产品,利用对码盘的脉冲计数,可以方便的实现对行走距离的控制,按目前的码盘精度,可以控制到1.3 cm左右(轮子周长约 13 cm,一圈10个分割)。因为占空比不能保证,所以只能取一个边沿信号计数。

程序中设计为正跳沿处理脉冲计数。因为是控制行走距离,所以应当在结束时采用“刹车”控制,使轮子尽快停下。

这个功能还是有些作用的,比如预先知道轨迹的情况下,提前在转弯处减速,以保证寻迹的可靠。
因为算法比较简单,不再赘述,详见程序。

6.1.3.5 电机PID调速控制

PID控制算法源于模拟控制方式,其控制的结果和反馈是连续不断的,可以用一个数学模型来表示。而数字式的PID控制算法如果要接近模拟的效果,采样的间隔必须足够小,也就是要求有足够快的采样速度,否则会由于数据反馈的滞后带来较大的偏差,导致系统不稳定。

由于目前所用的简易码盘方式不可能有快速的采样,而且还会由于速度的变化使采样间隔发生变化,相当于在控制回路中增加了一个较大的滞后环节,所以系统的特性不会很好,只是能够借此学习一下PID控制的算法,体会一下PID控制的感觉。由于控制对象的不确定、不理想,倒是增加了学习的挑战性。

从这里分析可以看出,要想得到好的电机控制效果,良好的速度采样机构是必须的,所以在FIRA足球机器人中,所用的电机多为Fanhaimer的空心杯电机,且带有512线(直接连在电机输出轴上,一圈512个脉冲)的码盘,由于它的电机转速较高,其减速比也较大,综合后相当于我们这个的1000倍,这样的采样分辨率就可以采用定间隔频率采样方式了。

基于学习的目的,这里还是参照《电动机的单片机控制》书中所介绍的算法对PID控制做一个尝试,至少可以让转速作相应变化,不至于出现以下现象:

因为电机的负载太轻(尤其是经过减速的电机),即使供给最小的PWM值,电机还是以全速转动,但是负载加大一点,电机又不转了,失去了调速的功能。

书中介绍了两种数字PID算法,对于直流电机的控制,应当采用位置式PID控制。从便于实现的角度考虑,采用通过增量式控制算法递推得到,详见书中描述:


如上所示,书中对两种算法作了清晰的描述,在设计阶段,完全按照上述的算法编写程序,在调试阶段,再考虑利用书中所介绍的各种改进的算法结合具体的情况修改。(因为书中的描述已十分全面,所以采用了直接引用的方式,以免耽误了读者,因为我这方面也没有深入的研究。)

书中所提供的程序是汇编语言实现的,此处采用C语言实现,原理一样,只是可读性会好一些。

程序的基础是上面文中的 (4-7)式和(4-9)式,作为原始数据,保存最近三次的速度值和最近两次的时间间隔,通过计算可以得到: Ek、Ek-1、Ek-2 以及对应的变化量,取两次时间间隔的平均值作为T,此处也可以看出,必须要调整硬件参数,以尽量保证输出脉冲的占空比为50%,因为测量的时间间隔就是脉冲的高、低电平时间(见程序中的速度计算函数)。

而算式中的Kp、Td、Ti将作为待调整参数,可以通过参数设置命令设置。在调试时确定。

目前的程序先从PWM初值“10%”开始,调试时如果感觉效果不好,考虑通过测量PWM值和转速之间的关系,得到一个根据命令转速值确定一个对应PWM初值的关系式,在收到速度命令后设定一个PWM初值,尤其在启动以及转速变化较大时。

具体实现过程见程序。

至此,一个完整的电机控制程序已完成,期望可以实现“调功”和“调速”两种功能,但实际的效果有待调试后才能知道,下次将描述电机控制部分调试中遇到的问题及效果。
(未完待续)

附件:

1、电机驱动模块程序压缩包
含:MotorDrv.c C51程序
STC12C5410AD.H STC12C54XX的C语言头文件,内有所有SFR的定义
Port_Def.H 对应硬件设计的I/O口变量定义
constant.H 程序中硬件初始化参数、符号化常量的定义
Motor_Var.H 程序中全局变量的定义
注:程序只通过了编译,还未调试,所以会有不妥之处,仅供参考。

参考资料:

1、 STC12C54XX 数据手册
2、 《电动机的单片机控制》王晓明编著 北京航空航天大学出版社

提示:

由于文章是分开多节上传到网站上,为了方便大家讨论,请把相关的问题集中在这个帖子上,这样可以方便作者回答大家的问题,谢谢!




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