寻迹小车 FOLLOWME—— 电机测速及转速控制

寻迹小车 FOLLOWME—— 之五：电机测速及转速控制

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和开环控制功能，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 http://www.robotdiy.net/index.php?option=com_content&view=article&id=264:-followme-&catid=29:the-cms&Itemid=37