飞思卡尔智能车舵机和测速的控制设计与实现.docx
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飞思卡尔智能车舵机和测速的控制设计与实现
飞思卡尔智能车舵机和测速的控制设计与实现
2．1舵机工作原理
舵机在6V电压下正常工作，而大赛组委会统一提供的标准电源输出电压为7．2V，则需一个外围电压转换电路将电源电压转换为舵机的工作电压6V。
舵机由舵盘、位置反馈电位计、减速齿轮组、直流动电机和控制电路组成，内部位置反馈减速齿轮组由直流电动机驱动，其输出轴带动一个具有线性比例特性的位置反馈电位器作为位置检测。
当电位器转角线性地转换为电压并反馈给控制电路时，控制电路将反馈信号与输入的控制脉冲信号相比较，产生纠正脉冲，控制并驱动直流电机正向或反向转动，使减速齿轮组输出的位置与期望值相符。
从而达到舵机精确控制转向角度的目的。
2．2舵机的安装与调节
舵机的控制脉宽与转角在-45°～+45°范围内线性变化。
对于对速度有一定要求的智能车，舵机的响应速度和舵机的转向传动比直接影响车模能否以最佳速度顺利通过弯道。
车模在赛道上高速行驶，特别是对于前瞻性不够远的红外光电检测智能车，舵机的响应速度及其转向传动比将直接影响车模行驶的稳定性，因此必须细心调试，逐一解决。
由于舵机从执行转动指令到响应输出需占用一定的时间，因而产生舵机实时控制的滞后。
虽然车模在进入弯道时能够检测到黑色路线的偏转方向，但由于舵机的滞后性，使得车模在转弯过程中时常偏离跑道，且速度越快，偏离越远，极大限制车模在连续弯道上行驶的最大时速，使得车模全程赛道速度很难进一步提高。
为了减小舵机响应时间，在遵守比赛规则不允许改造舵机结构的前提下，利用杠杆原理，采用加长舵机力臂的方案来弥补这一缺陷。
加长力臂后欲使前轮转动相同角度时，在舵机角速度ω相同的条件下舵机力臂加长后增大了线速度v，最终使得舵机的转向角度θ减小。
舵机输出转角θ减小，舵机的响应时间t也会变短。
同时由式
（1）可推出线速度口增大后，前轮转向所需的时间t相应也会变短，其表达式为：
t=ds／dv
（2）
此外，当舵机连杆水平且与舵机力臂垂直时，得到力矩M，可由式（3）表示：
M=FRsinα （3）
说明当舵机连杆和舵机力臂垂直时α=900°，此时sinα得到最大值。
在舵机力臂R一定和外力F相同条件下，舵机产生的力矩M最大，实现前轮转向的时间最短。
在实际调试车模时发现，这种方法对提高舵机的响应速度也具有局限性：
当在舵机输出力矩相同的条件下，力臂越长，作用力越小。
在转向遇到较大转向阻力时，会影响舵机对转向轮控制的精度，甚至使转向轮的响应速度变慢；另外，舵机机械结构精度产生的空程差也会在力臂加长中放大。
使得这一非线性环节对控制系统的不利影响增大。
因此，舵机安装的高度具有最佳范围，仍需通过试验反复测试。
3霍尔传感器的应用
由于在赛前比赛赛道的几何图形是未公开的。
赛前车模训练的路线与实际比赛的路线相差甚远，若车模自适应性调整不好，车模会在连续弯道处频繁的偏转。
赛道的变更给车模的适应性和稳定性带来了一定挑战。
为了使得车模能够平稳地沿着赛道行驶，除控制前轮转向舵机以外，还需要控制好各种路况的车速，使得车模在急转弯和下坡时不会因速度过快而冲出赛道。
因此，利用霍尔传感器检测车模瞬时速度，实现对车模速度的闭环反馈控制，小车的PC9S12控制板能够根据赛道路况变化而相应执行软件给定的加速、减速、刹车等指令，在最短的时间内由当前速度转变为期望的速度，使得车模快速平稳行驶。
基于霍尔效应，固定在转盘附近的霍尔传感器便可在每个小钢磁通过时产生一个相应的脉冲，检测出单位时间的脉冲数，便可知被测转速。
霍尔传感测速装置示意图如图5所示。
显然不是安装小钢磁越多越好，在一定的条件允许范围内，磁性转盘上小钢磁的数目越多，确定传感器测量转速的分辨率也越高，速度控制也越精确。
一般4～8片是最佳范围。
4结束语
为了参加第四届“飞思卡尔”杯全国大学生智能汽车竞赛，此设计方案在校级代表队资格选拔赛中表现完美，最终跑出19．7s的好成绩，成功入选。
实践证明了智能车舵机控制转向和霍尔控制测速优化方案具有可行性和实用性。
加长力臂后欲使前轮转动类似角度时，在舵机角速度ω类似的条件下舵机力臂加长后增大了线速度v，结尾使得舵机的转向角度θ减小。
舵机输出转角θ减小，舵机的照应时间t也会变短。
同时由式
（1）可推出线速度口增大后，前轮转向所需的时间t相应也会变短，其表达式为：
t=ds／dv
（2）
此外，当舵机连杆水平且与舵机力臂垂直时，得到力矩M，可由式（3）示意：
M=FRsinα （3）
标明当舵机连杆和舵机力臂垂直时α=900°，此时sinα得到最大值。
在舵机力臂R必须和外力F类似条件下，舵机发生的力矩M最大，完成前轮转向的时间最短。
在实践调试车模时发觉，这种办法对提高舵机的照应速度也具有局限性：
当在舵机输出力矩类似的条件下，力臂越长，作用力越小。
在转向遇到较大转向阻力时，会影响舵机对转向轮控制的精度，甚至使转向轮的照应速度变慢；另外，舵机机械构造精度发生的空程差也会在力臂加长中扩大。
使得这一非线性环节对控制系统的不利影响增大。
因而，舵机装置的高度具有最好范围，仍需议决实验反复测试。
3霍尔传感器的使用
由于在赛前竞赛赛道的几何图形是未公示的。
赛前车模训练的路途与实践竞赛的路途相差甚远，若车模自顺应性调整不好，车模会在延续弯道处频繁的偏转。
赛道的变卦给车模的顺应性和固定性带来了必须挑衅。
为了使得车模能够颠簸地沿着赛道行驶，除控制前轮转向舵机以外，还须要控制好各种路况的车速，使得车模在急转弯和下坡时不会因速渡过快而冲出赛道。
因而，使用霍尔传感器检测车模瞬时速度，完成对车模速度的闭环反应控制，小车的PC9S12控制板能够依据赛路途况改动而相应执行软件给定的加快、放慢、刹车等指令，在最短的时间内由现在速度转变为希冀的速度，使得车模高速颠簸行驶。
基于霍尔效应，固定在转盘附近的霍尔传感器便可在每个小钢磁议决时发生一个相应的脉冲，检测出单位时间的脉冲数，便可知被测转速。
霍尔传感测速装置示意图如图5所示。
显然不是装置小钢磁越多越好，在必须的条件准许范围内，磁性转盘上小钢磁的数目越多，确定传感器测量转速的分辨率也越高，速度控制也越精确。
普通4～8片是最好范围。
电机的位置检测在电机控制中是十分重要的，特别是需要根据精确转子位置控制电机运动状态的应用场合，如位置伺服系统。
电机控制系统中的位置检测通常有：
微电机解算元件，光电元件，磁敏元件，电磁感应元件等。
这些位置检测传感器或者与电机的非负载端同轴连接，或者直接安装在电机的特定的部位。
其中光电元件的测量精度较高，能够准确的反应电机的转子的机械位置，从而间接的反映出与电机连接的机械负载的准确的机械位置，从而达到精确控制电机位置的目的。
在本文中我将主要介绍高精度的光电编码器的内部结构、工作原理与位置检测的方法。
一、光电编码器的介绍：
光电编码器是通过读取光电编码盘上的图案或编码信息来表示与光电编码器相连的电机转子的位置信息的。
根据光电编码器的工作原理可以将光电编码器分为绝对式光电编码器与增量式光电编码器，下面我就这两种光电编码器的结构与工作原理做介绍。
（一）绝对式光电编码器
绝对式光电编码器如图所示，他是通过读取编码盘上的二进制的编码信息来表示绝对位置信息的。
编码盘是按照一定的编码形式制成的圆盘。
图1是二进制的编码盘，图中空白部分是透光的，用“0”来表示;涂黑的部分是不透光的，用“1”来表示。
通常将组成编码的圈称为码道，每个码道表示二进制数的一位，其中最外侧的是最低位，最里侧的是最高位。
如果编码盘有4个码道，则由里向外的码道分别表示为二进制的23、22、21和20，4位二进制可形成16个二进制数，因此就将圆盘划分16个扇区，每个扇区对应一个4位二进制数，如0000、0001、…、1111。
电机的位置检测在电机控制中是十分重要的，特别是需要根据精确转子位置控制电机运动状态的应用场合，如位置伺服系统。
电机控制系统中的位置检测通常有：
微电机解算元件，光电元件，磁敏元件，电磁感应元件等。
这些位置检测传感器或者与电机的非负载端同轴连接，或者直接安装在电机的特定的部位。
其中光电元件的测量精度较高，能够准确的反应电机的转子的机械位置，从而间接的反映出与电机连接的机械负载的准确的机械位置，从而达到精确控制电机位置的目的。
在本文中我将主要介绍高精度的光电编码器的内部结构、工作原理与位置检测的方法。
一、光电编码器的介绍：
光电编码器是通过读取光电编码盘上的图案或编码信息来表示与光电编码器相连的电机转子的位置信息的。
根据光电编码器的工作原理可以将光电编码器分为绝对式光电编码器与增量式光电编码器，下面我就这两种光电编码器的结构与工作原理做介绍。
（一）绝对式光电编码器
绝对式光电编码器如图所示，他是通过读取编码盘上的二进制的编码信息来表示绝对位置信息的。
编码盘是按照一定的编码形式制成的圆盘。
图1是二进制的编码盘，图中空白部分是透光的，用“0”来表示;涂黑的部分是不透光的，用“1”来表示。
通常将组成编码的圈称为码道，每个码道表示二进制数的一位，其中最外侧的是最低位，最里侧的是最高位。
如果编码盘有4个码道，则由里向外的码道分别表示为二进制的23、22、21和20，4位二进制可形成16个二进制数，因此就将圆盘划分16个扇区，每个扇区对应一个4位二进制数，如0000、0001、…、1111。
按照码盘上形成的码道配置相应的光电传感器，包括光源、透镜、码盘、光敏二极管和驱动电子线路。
当码盘转到一定的角度时，扇区中透光的码道对应的光敏二极管导通，输出低电平“0”，遮光的码道对应的光敏二极管不导通，输出高电平“1”，这样形成与编码方式一致的高、低电平输出，从而获得扇区的位置脚。
（二）增量式光电编码器
增量式光电编码器是码盘随位置的变化输出一系列的脉冲信号，然后根据位置变化的方向用计数器对脉冲进行加/减计数，以此达到位置检测的目的。
它是由光源、透镜、主光栅码盘、鉴向盘、光敏元件和电子线路组成。
增量式光电编码器的工作原理是是由旋转轴转动带动在径向有均匀窄缝的主光栅码盘旋转，在主光栅码盘的上面有与其平行的鉴向盘，在鉴向盘上有两条彼此错开90o相位的窄缝，并分别有光敏二极管接收主光栅码盘透过来的信号。
工作时，鉴向盘不动，主光栅码盘随转子旋转，光源经透镜平行射向主光栅码盘，通过主光栅码盘和鉴向盘后由光敏二极管接收相位差90o的近似正弦信号，再由逻辑电路形成转向信号和计数脉冲信号。
为了获得绝对位置角，在增量式光电编码器有零位脉冲，即主光栅每旋转一周，输出一个零位脉冲，使位置角清零。
利用增量式光电编码器可以检测电机的位置和速度。
二、光电编码器的测量方法：
光电编码器在电机控制中可以用来测量电机转子的磁场位置和机械位置以及转子的磁场和机械位置的变化速度与变化方向。
下面就我就光电编码器在这几方面的应用方法做一下介绍。
（一）使用光电编码器来测量电机的转速
可以利用定时器/计数器配合光电编码器的输出脉冲信号来测量电机的转速。
具体的测速方法有M法、T法和M/T法3种。
M法又称之为测频法，其测速原理是在规定的检测时间Tc内，对光电编码器输出的脉冲信号计数的测速方法，如图2所示，例如光电编码器是N线的，则每旋转一周可以有4N个脉冲，因为两路脉冲的上升沿与下降沿正好使编码器信号4倍频。
现在假设检测时间是Tc，计数器的记录的脉冲数是M1，则电机的每分钟的转速为
在实际的测量中，时间Tc内的脉冲个数不一定正好是整数，而且存在最大半个脉冲的误差。
如果要求测量的误差小于规定的范围，比如说是小于百分之一，那么M1就应该大于50。
在一定的转速下要增大检测脉冲数M1以减小误差，可以增大检测时间Tc单考虑到实际的应用检测时间很短，例如伺服系统中的测量速度用于反馈控制，一般应在0.01秒以下。
由此可见，减小测量误差的方法是采用高线数的光电编码器。
M法测速适用于测量高转速，因为对于给定的光电编码器线数N机测量时间Tc条件下，转速越高，计数脉冲M1越大，误差也就越小。
T法也称之为测周法，该测速方法是在一个脉冲周期内对时钟信号脉冲进行计数的方法，如图3所示。
例如时钟频率为fclk,计数器记录的脉冲数为M2，光电编码器是N线的，每线输出4N个脉冲，那么电机的每分钟的转速为
为了减小误差，希望尽可能记录较多的脉冲数，因此T法测速适用于低速运行的场合。
但转速太低，一个编码器输出脉冲的时间太长，时钟脉冲数会超过计数器最大计数值而产生溢出;另外，时间太长也会影响控制的快速性。
与M法测速一样，选用线数较多的光电编码器可以提高对电机转速测量的快速性与精度。
M/T法测速是将M法和T法两种方法结合在一起使用，在一定的时间范围内，同时对光电编码器输出的脉冲个数M1和M2进行计数，则电机每分钟的转速为
实际工作时，在固定的Tc时间内对光电编码器的脉冲计数，在第一个光电编码器上升沿定时器开始定时，同时开始记录光电编码器和时钟脉冲数，定时器定时Tc时间到，对光电编码器的脉冲停止计数，而在下一个光电编码器的上升沿到来时刻，时钟脉冲才停止记录。
采用M/T法既具有M法测速的高速优点，又具有T法测速的低速的优点，能够覆盖较广的转速范围，测量的精度也较高，在电机的控制中有着十分广泛的应用。
（二）使用增量式光电编码器来判别电机转速方向的原理
增量式光电编码器输出两路相位相差90o的脉冲信号A和B，当电机正转时，脉冲信号A的相位超前脉冲信号B的相位90o，此时逻辑电路处理后可形成高电平的方向信号Dir。
当电机反转时，脉冲信号A的相位滞后脉冲信号B的相位90o，此时逻辑电路处理后的方向信号Dir为低电平。
因此根据超前与滞后的关系可以确定电机的转向。
其转速辩相的原理如图4所示
（三）、增量式光电编码器的反馈脉冲的四倍频原理
在使用增量式编码器时，通过计相位相差90o的两路正交脉冲信号A和B的上升沿与下降沿已达到将增量式编码器的反馈脉冲四倍频的目的。
这样在不增加增量式光电编码器的线数的情况下，就可以获得更精度高的位置脉冲信息，以实现对电机位置的精确控制。
其工作原理与脉冲的相位关系如图5所示
结束语：
光电式编码器有着良好的抗干扰特性与应用的可靠性，在电机控制这种有着极高电磁感染的应用环境下有着广阔的应用前景。
相信在不久的将来光电式编码器一定会在电机控制领域发挥更为重要的作用。
而我们对于光电式编码器的研究也就显得格外的重要。
实验一增量式码盘原理及应用
一、实验目的：
1、 掌握光电编码器的工作原理与使用方法。
2、 掌握T法测速的基本原理。
二、实验设备：
1、 EM400教学设备一台。
2、 计算机一台。
3、 双踪示波器一台。
三、实验原理：
（一） 光电编码器的工作原理
以最常用的增量式光电编码器说明其原理（如图1-1）：
图1-1增量式光电编码器的工作原理
1发光二极管2光电圆盘3转盘缝隙4遮光板ABC光敏元件
光电圆盘与被测轴连接，光线通过光电圆盘和遮光板的缝隙，在光电元件上形成明暗交替变化的条纹，在A、B光敏元件上产生近似于正弦波的电流信号，经放大整形电路变成相位相差90°的方波信号，如图1-2所示。
轴每转动一圈，只产生一个C相脉冲，用做参考零位的标志脉冲，在数控机床的进给控制中，C相脉冲用来产生机床的基准点。
A相和B相的相位差可用作电机的旋转方向判别，若A相超前于B相，对应电机作正向运动；反之，对应电机作反向运动。
该方波的前沿或后沿产生的计数脉冲，可以形成代表正向和反向位置的脉冲序列。
此外，在实际应用中，为了提高编码器信号的传输能力和抗干扰能力，每一相都以差分形式输出，如A相有A和A/一起差动输出。
图1-2光电编码器输出波形
（二） 编码器测速原理：
在闭环伺服系统中，根据脉冲计数来测量转速的方法有以下三种：
（1）在规定时间内测量所产生的脉冲个数来获得被测速度，称为M法测速；
（2）测量相邻两个脉冲的时间来测量速度，称为T法测速；（3）同时测量检测时间和在此时间内脉冲发生器发出的脉冲个数来测量速度，称为M/T法测速。
以上三中测速方法中，M法适合于测量较高的速度，能获得较高分辨率；T法适合于测量较低的速度，这时能获得较高的分辨率；而M/T法则无论高速低速都适合测量。
由于PMAC控制器采用的是T法测速，所以以下只对T法测速进行介绍。
T法测速的原理是用一已知频率fc（此频率一般都比较高）的时钟脉冲向一计数器发送脉冲，计数器的起停由码盘反馈的相邻两个脉冲来控制，原理图见图1-3。
若计数器读数为m1，则电机每分钟转速为
nM=60fc/Pm1（r/min）
（1）
图1-3T法测速原理
其中P为码盘一圈发出的脉冲个数即码盘线数。
m1=M106->Y:
$C000,0,24,U为脉冲个数
fc=10MHz（注意：
此时需设置PMAC卡上的跳线E34A=OFF，E34=ON，E35，E36，E37=OFF）
测速分辨率：
当对应转速由n1变为n2时则分辨率Q的定义为Q=n2-n1，Q值越小说明测量装置对转速变化越敏感即分辨率越高。
因此可以得到T法测速的分辨率为
Q=60fc/Pm1-60fc/P（m1+1）=n2MP/（60fc+nMP）
（2）
由上式可见随着转速nM的降低，Q值越小，即T法测速在低速时有较高的分辨率。
四、注意事项：
1、 按要求正确接线。
2、 正确使用双踪示波器。
3、 编码器是精密的光电元件，应避免强烈振动。
五、实验内容与步骤：
内容一：
编码器辨向及T法测速实验
1、 将EM400控制柜的所有电缆同X-Y平台连接好（包括电机动力线、码盘反馈线、限位回零线、光栅反馈线），将EM400控制柜的串口与计算机的串口连接好，确定无误后打开控制箱电源和计算机电源。
2、 调整好示波器，将其中一路连接到X轴的A+和GND上，将另一路连接到B+和GND上准备观察。
3、 运行PEWIN32PRO32pro软件，分别点击VIEW菜单下的position、Watchwindow、JogRibbon子菜单，打开位置窗口、监视窗口和手动（Jog）控制窗口。
4、 在Terminal窗口中定义M106->Y:
$C000,0,24,U，用鼠标点击监视窗口，按INSERT键，加入M106变量对它进行监视，m1=M106存放的即相邻两个脉冲之间计数器的读数。
5、 在JogRibbon窗口选择1号电机（对应X轴）。
6、 分别按“Jogminus”、“Jogplus”按钮让X轴电机来回运动起来，在运动的同时注意查看以下几个地方：
M106的数值，示波器中双路波形之间的相位关系，并在数值稳定后做相应记录，填写表1-1（注意为了不让工作台超出行程范围，可以先让工作台处在中间位置，然后交替按“Jogminus”、“Jogplus”按钮）。
7、 X轴电机停转后，在Terminal窗口键入“I122=10”并回车，（I122为X轴手动速度，单位cts/ms，I122*1000*60/P后单位变为转/分，其中P为码盘反馈线数），重复步骤6。
然后将I122的数值逐步增大，幅度为5~10。
再次重复步骤6两次后填写表1-2。
8、 总结观测到的数据得出相应的结论。
内容二：
编码器倍频译码
1、 接上一实验，将X方向平台运行到中间位置。
2、 在JogRibbon窗口中选中JogIncrementally,在increment后的文本框中输入10000，按“Jogminus”或“Jogplus”向X轴电机发送10000个计数，让电机转动，并查看工作台移动的距离或电机转动圈数。
3、 在Terminal窗口中键入“I900”查看X轴电机码盘译码方式及倍频关系，当I900为3或7时，编码器经过了4倍频译码（假设电机编码器反馈到PMAC的线数为2500线，则电机转一圈需要2500*4=10000个指令脉冲）。
4、 将I900号参数改为2或6（注意如果原来为3就改成2，原来为7就改为6，切不可搞错，否则电机将因为编码器译码方向错误而开环失去控制），使X轴码盘的译码方式变成2倍频正交译码。
5、 重复步骤2，让电机转动并记录工作台移动距离或电机转动圈数。
6、 将I900号参数改为1或5（注意如果原来为2就改成1，原来为6就改为5，切不可搞错，理由同步骤7），使X轴码盘的译码方式变成1倍频正交译码。
7、 重复步骤2，让电机转动并记录工作台移动距离或电机转动圈数，填写表1-3。
内容三：
编码器C信号作用
1、 在PEWIN32PROTerminal窗口键入“I902=1”，选择编码器C信号上升沿进行回原点（此时，I903的值被忽略）。
2、 将X轴平台运行到中央，按JogRibbon窗口中的home按钮，将X轴回到原点，观察工作台是否能在行程中间停止。
若工作台能自行停止，则表示其能回到原点，此时请记录原点位置。
在PEWIN32PROTerminal窗口键入“I123”（回原点的速度），查看X轴回原点的速度并记录。
3、 只更改I123的符号，重复步骤2。
4、 更改I123的值和符号，再次重复步骤，并观察回原点的结果与I123的值和符号有何关系？
实验二半闭环系统PID调整
一、 实验目的：
1、 理解PID调整对系统的意义。
2、 理解P、I、D参数的含义。
3、 掌握控制环调整的方法和步骤。
4、 掌握控制环特性的评估方法。
二、 实验设备：
1、 EM400教学设备一台。
2、 计算机一台。
3、 Pewin32Pro软件。
三、 实验原理：
一旦机电模型确定后，为了达到稳定、快速、准确的控制效果，所有的闭环控制系统都要对系统进行校正，如果不对系统进行任何校正是很难达到满意的控制效果的。
现在校正的方式方法很多，但使用的最普遍的还是PID反馈控制+前馈控制，PID校正用于反馈通道上，而前馈控制用于前向通道上。
增大比例系数P将加快系统的响应，它的作用于输出值较快，能有效的克服扰动的影响，但不能消除误差，且过大的比例系数会使系统有比较大的超调，并产生振荡，使稳定性变坏。
积分能在比例的基础上消除误差。
微分具有超前作用，它可以使系统超调量减小，稳定性增加，对于提高系统的动态性能指标，有着显著效果。
PMAC卡为用户提供了PID+速度/加速度前馈+NOTCH滤波的控制环算法，能够满足大部分应用场合的要求，用户可以根据自己系统的要求来调整其中的相关参数。
PMAC控制算法的原理如图2-1所示。
图2-1PMAC控制算法的原理
图中的Kp、Kd、Kvff、KI、IM、Kaff是PMAC控制器的PID+速度/加速度前馈调节器的参数，通过调节这些参数能够解决大部分的系统特性问题，这些参数的含义、作用及调整范围如表2-1和表2-2所示。
表2-1PID参数
变量
参数
作用
调整值域
数值影响
IX30
P参数，比例增益
提供系统所需的刚性
（快速性）
-8388608~8388607
缺省为2000
数值越大，系统刚性越好，但太大会产生振荡。
太小系统会反应迟缓。
IX33
I参数，积分增益
用于消除稳态误差
（准确性）
0~8388607
缺省为1280
与IX63时间积分误差有关；如果输出饱满，IX33无效。
IX34
积分模式
决定积分增益是全程有效还是只在速度为0时才有效
0
缺省为1
I
升级会员 