1、圆梦小车第三代平台圆梦小车第三代 轮式驱动单元来源:嵌入之梦 时间:2010-01-11 评论 0 条(访问论坛)RobotSky恭候您的投稿在“轮式驱动单元诞生记”一文中,介绍了本设计的缘由、所期望达到的目标,并初步构想了一些应用方案。 本文将着重介绍“轮式驱动单元”的原理、性能以及使用方法,为用户选择提供必要的信息。 一、构成 “轮式驱动单元”是个新概念,但构思并非“发明创造”,它和一个成熟的产品十分相似,这就是模型中离不开的“舵机”。 车模、船模、航模都需要转向,为了方便、可靠地实现这一功能,一种接口简单,驱动方便的部件应运而生,这就是“舵机”,一个由大量相近需求催生的产品。 “舵机”由
2、以下部分构成: 直流电机、减速机构、电机驱动电路、位置检测器件、闭环控制电路,以及方便的安装结构和灵活的力矩输出方式。 这样实现的舵机控制接口简单、统一,用三根线即可,除电源线外,只需一根控制线。控制信号简化为不需要驱动能力的 PWM信号,极其容易产生。 目前智能小车在学习上应用十分广泛,但作为小车主要部件的电机、车轮安装及相应驱动电路实现却较为麻烦,成为学生们制作的主要障碍。 当然,如果从车模角度考虑,由于对性能的不同需求,可能难以统一。但作为控制对象的智能小车,需求相对一致:控制方便、操控灵活即可。 因为智能小车在学习过程中,“车”只是一个载体,不是重点,控制部分才是主要的学习内容。所以,
3、选择智能小车作为学习平台的学生通常不愿在车体上耗费过多精力。 但按目前的实现方式,只有两种选择: 一、考虑车的性能,选择没有个性的成品车体; 二、考虑自身需求,耗时费力自制个性化的车体。 第一种方式常常由于受车体限制,控制部分难以安装;为迁就车体做出的小车不伦不类。我开始也想过这样实现,买了很多模型,但做出的东西看相太差,只得放弃,下决心自己开模,这才有了圆梦小车。 但学习的需求千变万化,圆梦小车同样满足不了所有的需求,只能说略有改善。 第二种方式可以根据自己的需求和控制器设计车体,做出的东西会比较协调、美观。 问题是此方式常常由于学生、学校的制作手段制约,性能得不到保证,导致控制意图无法实现
4、,甚至根本完不成。 “轮式驱动单元”正是为解决此问题而设计。与“舵机”类似,也是由以下部分构成: 电机、减速机构、驱动电路、检测电路。 车轮也是小车制作过程中一大头痛问题,所以设计中将车轮也集成了。 因目的是学习,所以“轮式驱动单元”没有在内部构成闭环控制,而是将必要的检测信号调理后输出,控制系统(单片机)可直接使用,既顾及了使用的便利性,又不影响学习内涵。 “轮式驱动单元”针对智能小车的需求,设计了灵活的安装方式,使得小车的驱动形式可以有丰富的变化,这点在“圆梦小车进化为变形金刚了”一文中有详细描述。 这样构成的“轮式驱动单元”相当于目前小车的以下部分: 1)直流减速电机 2)带电流检测的
5、H 桥驱动电路 3)车轮 4)码盘及其信号采集电路 5)安装结构件 实际上,类似的产品已有,市场上的“连续转动舵机”就是,差别只是它只在舵机的基础上略作改动,以迎合小车驱动的需求,但由于未从设计上改变,难免有些“勉强”,而且基本上没有考虑安装和转动检测。 而本设计针对小车的各种需求,提供了目前小车上很少见到的、和“舵机”组合的安装机构,大大丰富了小车的驱动形式。 二、结构详述 设计时,吸取了圆梦小车的“教训”,不再自己设计、制作减速机构(由于太业余,无法保证性能),而是选择成熟的直流减速电机。 因是以学习为目的,车的性能不是主要追求,故选择了这款性价比较好的直流减速电机:它配置的是最常用的13
6、0电机。此电机规格丰富,很容易找到满足自己需求的产品,用户可以方便的根据需要替换。 实在选择不到,还可以自己动手改制,四驱车玩具为此提供了丰富的资源。 而对应的减速机构,同样的外形中有五 六种减速比可供选择,配合电机的改变,用户可以方便的得到所需的速度和力矩。 本设计中就提供了2种规格供用户选择:1:48 和 1:120。 但这种减速机构由于是非金属材料制作,其输出轴的钢性不如金属减速电机,如直接以悬臂方式安装车轮,随着载荷变化,轮轴会有些变形,导致在车轮上实现转动采样困难。 为弥补此缺陷,在结构上设计了第二支点,实现轮轴的两点支撑,大大改善了车轮的运转平稳性。和圆梦小车一样,在车轮上设计了简
7、易码盘,可以用遮断式光电采样器可靠地采集码盘信号:设计齿数 100 个,采用正负沿采样,可得到200脉冲/圈,对应直径 80 mm 的车轮,相当于行走距离控制精度 1.256mm/脉冲。 安装结构上,首先为了兼容流行的差分驱动模式,设计了类似法兰边的结构:上有 7 个安装孔,既作为壳体装配孔,又可作为驱动单元固定在底盘上的安装孔。但结构上真正有新意的不是这个,而是后面所描述的。 为了让车轮既能行走,又能灵活转向,从而实现小车控制方式的多样性和运动方式的全向性,设计上做了如下努力: 首先,利用开模的优势将电机和车轮集成,构成了整体性较好的“轮式驱动单元”:其次,设计了下图所示的转盘:转盘上设计了
8、方便的安装孔位,并设计了滚珠槽,可构成平面轴承,使得转向灵活,同时避免了晃动;加之模具保证了舵机轴和车轮着地点同心,大大减小了对舵机驱动力矩的要求。 用两个转盘将驱动单元安装在底盘上(下面的转盘固定于轮式驱动单元):借用上转盘的安装孔,用M3x8螺丝形成与舵机相连的接口:选择带有如下输出圆盘的舵机(如辉盛的5010),按上图螺丝位置打三个直径 3mm 的孔:舵机安装如下图所示:至此,一个“可操纵驱动轮”完成了:上述机构中,除舵机和底盘外,其它零件都将随“轮式驱动单元”配套提供。 之所以将“舵机”分开,是因为市场上种类很多,用户可以根据自己的需求和经济能力挑选。 而底盘是用户发挥的空间,也是“轮
9、式驱动单元”的设计初衷,所以自然留给用户完成。 建议使用4.5mm厚的有机玻璃板,既有强度,又兼顾了美观,用雕刻机可方便做出。现在雕刻机十分普及,很多卖有机玻璃的店都配备。 除使用上图所推荐的4.5mm有机玻璃(当然也可以使用其它材质,如聚氯乙烯板,美观性差些,但便宜,强度好),也可以直接使用1.6mm 的PCB构成底盘,只需将上面的转盘反过来安装即可:这样可以将电路和底盘合一,对于那些无法找到合适材料的用户或许有些帮助。三、电路详述 上面机械结构只解决了安装问题,还不能方便的驱动之,使轮子动起来。 将驱动和检测电路配套后,“轮式驱动单元”才真正具有实用性、易用性。 我认为将驱动电路和电机集成
10、在一起比单独设计更合理。 因为直流电机规格众多,不同电压和电流的组合变化无穷,很难设计出通用的驱动模块,不是大马拉小车,就是电机无法正常工作。 而针对特定的电机设计驱动就容易多了,在合理性、经济性和效率上都能达到较好的平衡。 同样,转动检测也和车轮和传动机构强相关,很难设计出通用、易安装的码盘检测装置。因此,高档的码盘检测通常和电机集成在一起。 所以,本设计将转动检测也集成在驱动单元内。 这种构思和目前软件设计中面向对象的设计理念类似,将属于同一对象的变量和方法汇总,封装成“类”,从而在使用、维护上都带来方便。 “轮式驱动单元”也相当于一个“类”,完成与车轮驱动行走相关的所有功能。 前面所介绍
11、的只是这个“类”的结构部分。下面将逐一介绍这个“类”中的电路部分。 3.1直流电机 H 桥驱动电路 经过圆梦小车的验证,第二代驱动电路效果不错,效率高、简单,驱动电流也达到了 2A,和 L298 相当,但损耗小了许多,所以不需要散热片,小小的 SOT23 封装即可应付。 除正、反转 PWM 控制外,还具有刹车和惰行模式,增加了控制的灵活性。 所以,本设计中还是采用同样电路,只是做了一些细节改进,以提高可靠性。 驱动电路如下:供桥电压为5V。这也是用MOS管带来的好处,因为桥臂压降小,所以用 4 节充电电池即可驱动,这样既便于充电,又减轻了小车的自重。 控制逻辑电路电压(橙色线)接控制单片机的工
12、作电压,可选择3.3V 或 5V。 电机控制信号共三根: Ctrl1(绿色线)为 PWM 控制信号。 Ctrl2(蓝色线)和 Ctrl3(黄色线)组合,得到电机的四个工作状态:正转 反转 刹车 惰行。 控制逻辑如下:3.2 电机电流、电压检测 一般驱动电路中,电流检测通常是为了保护,避免过流损坏器件。由于此处的驱动电路是根据电机参数设计的,所选电机的堵转电流约 1A,不可能损坏驱动电路。 那设计电流检测的目的是什么呢? 用意有二: 其一:电机电流随负载而变,检测电流的变化可以间接知道车轮的转动是否顺畅,在很多情况下可以作为小车“碰撞检测”。 这种检测有时比“轻触开关”构成的碰撞检测可靠,因为开
13、关常常碰不到,而只要小车运动受到阻碍,电流一定有所反映。 其二:根据直流电机的等效模型:(摘自直流电动机实际应用技巧P19) 反电动势Ec正比于转速,则电机工作电流就反比于转速,通过测量电流,可以推算出转速和转矩,所以设计了电流检测。 为了增加准确性,配套设计了电压检测电路,因为电源内阻将导致实际的供电电压Eb变化(应该将测点设计在电机端子上,但由于正、反转需要两个测点,比较麻烦,所以放弃了,这里只是学习目的,不是做产品,能达到“写意”即可,不必为此耗费过多精力和资源)。 关于这部分原理,有兴趣者可以自己查阅直流电动机实际应用技巧一书,书中有比较详细的分析。 电流检测电路:电流的取样电阻为0.
14、22欧姆(见H桥驱动电路的R5),按上图参数,放大倍数11倍,电机电流最大1.1A左右,所以实际的输出信号应在 0 2.66V ,如使用3.3V供电的单片机,其AD输入范围为 0 - 3.3V,考虑电机的电流偏差和器件的偏差,留些余量。 电路中C2作用是减小电机电流波动的影响,是针对125Hz 的PWM频率设计的,如提高PWM的频率,此参数应该相应修改。 电压检测电路:电压采用简单的分压处理,设计了一个跟随器以减少AD输入阻抗对分压的影响。 电池的电压应在 4.5 6V ,分压后为 2.25 3V,符合AD输入3.3V的要求。 由于器件有偏差,如用户想尝试用电流检测转速,最好自己先通过测量,标
15、定采样值和实际电流、电压的关系,之后再根据标定值编写计算程序。 3.3 码盘采样电路 利用开模的优势,在车轮上设计了100个齿,可以用透射式光电采样器方便的得到脉冲信号,比反射式采样更加可靠。 但为了避免在变换状态时产生“毛刺”,还是利用运放设计了“施密特”电路,用回差消除之。 之所以用运放,而不是直接使用施密特触发器,是因为这样可以方便的改变回差大小。 码盘采样电路:因为LM358是双运放,故设计的两路码盘采样,在PCB上错开布置,希望能得到相位相差90度的脉冲,一是可以增加精度,二是可以判断转动方向。 由于码盘齿只有1mm宽,采样器焊接要求很高,不适合于批量生产,故留给有此需求的客户自己“
16、精雕细琢”吧! 关于码盘采样电路的分析,有兴趣者可以看看“圆梦小车 StepByStep -4” 一文,此处就不再赘述了。 四、结语 “轮式驱动单元”介绍完了,有未尽之处将会随时补上。但愿能对大家学习单片机、嵌入式应用有所帮助。 最后,将“轮式驱动单元”的主要使用信息汇总如下: 连接线: 共10根,用杜邦插头引出, 长度约 30cm;可以方便的插入2.54间距的插针。 连接线分成2组: 一组为控制线,共 6 根,其中: 红色 电机驱动 H 桥供桥电压 5V(正极),包括检测电路LM358的供电; 黑色 电源地线; 橙色 H 桥驱动逻辑电路74HC08的供电电压(正极); 绿色 电机控制线 CT
17、RL1,电机控制 PWM 信号; 蓝色 电机控制线 CTRL2,电机运行状态控制,与 CTRL3配合; 黄色 电机控制线 CTRL3,电机运行状态控制,与 CTRL2配合; (虽然比L298 多了一根控制线,但能实现刹车,还是值得的) 另一组为检测信号输出线,共 4 根,其中: 白色 码盘采样脉冲输出线(另一路没有安装,留给用户自己根据需要处置); 褐色 电机电流检测信号输出线; 紫色 电机工作电压检测信号输出线; 黑色 信号地线,和电源地线内部相连,只是为了方便使用而增加。 电机参数: 额定电压 4.5V 空载电流 85 95 mA 空载转速 9800 rpm +/- 10% 堵转电流 11
18、00mA 堵转力矩 50g/cm (最大) 减速箱: 1:48 或 1:120 ,客户可根据需要选择。 结构参数 车轮直径 80mm 垂直安装高度(舵机组合方式) 100mm 转盘直径 52 mm 转盘转轴直径 26 mm 舵机接口螺丝分布圆直径 16 mm 配套滚珠直径 3 mm 需要滚珠数量 46 x 2 (一个转盘中需要46个) 码盘齿数 100 个 码盘等效直径 62.5 mm 外形尺寸 约105x 80 x 60 mm 重量 约130g 根据上述参数可以计算出: 运动速度: 选用 1:48减速箱 约 850mm/s 选用 1:120减速箱 约 340mm/s 最大力矩: 选用 1:48减速箱 约 2.4kg/cm 选用 1:120减速箱 约 6 kg/cm 上述计算值仅供参考。 最大载荷影响因素较多,未测试过,暂时无法提供,望谅解! 南京嵌入之梦工作室 2009年12月16日 参考资料: 1、直流电动机实际应用技巧 科学出版社 ISBN7-03-017498-4
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