[实践编] 直流电机的单片机控制与编码器信号处理 |
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小时候玩过四驱车的都知道,玩具里面的小马达长什么样。这次BLOG就是说小马达的事。现在小马达都升级了,安装了减速器和编码器。我在网上找到这个图片。见图1 图1 直流电机 这种小直流电机 ,6V电压就能正常驱动,3V也能动,就是慢,12V就很猛了。总之转速与扭力与电压成正比。 前面带齿轮部分就是减速器,它有一个固定的减速比值。 后面转盘与两个传感器组成编码器。 这次要谈的是电器部分。 一、编码器 编码器不是什么神奇的东西,它不能返回速度值,也不能返回转动角,也不返回正转反转的信号。我们要从它能够返回的信号中,设法解析得到我们需要的值。 编码器有光电的,有磁感的。我这个是磁感的。 这电机上的编码器与手摇编码器不同。 手遥的比较灵敏,这是因为两个传感器比较靠近,即它们到圆心的夹角比较小。例如30度。 本文的这个电机,两个传感器到图心的夹角是90度。见图2 图2 电机的编码器分析 C1和C2是传感器(霍尔元件的集成电路)。它输出的是一个开关量,假设感应到磁极时会输出高电平,否则输出低电平。(就像我们假设从正电到负电流向就是电流方向,实际上电子是从负电出发流向正电,但不影响我们研究。)单个的电路图见图3,PCB见图4。 图3 单个霍尔传感器的电路原理图 图4 电机的编码器的PCB 我没有磁极检测仪器,我就用万用表测其中一个输出的电压,手动转动磁盘。磁盘就是那黑色个圆盘。转到一周,得到7个高电位的点。那么,我认为有7个磁极,而且磁极对应高电压。具体,磁极是N还是S,实际哪个位置点,这些我就不管了。 下面进行分析: 主轴(先不管减速器,主轴指电机本身的轴)转一周,单个传感器出现N=7次脉冲,而正转到反转的两个输出脉冲波有相位差,如图5
图5 正转与反转的相位图 可以买一个“逻辑分析仪”(很便宜)接上ch1和ch2,电机通电5V,编码器也通电5V,就可以看到类似图5的脉冲波。(你可以在逻辑分析仪应用软件上测得波的时间,用作验证。这就不多说。) 我们还是从几何和数学角度分析。如图2。C1和C2是传感器,它们成90度夹角。k1,k2,k3...是磁极点。我们定义从减速器正面看顺时针为正转。那么编码器后面看逆时针就是正转。 我们认为磁极的夹角是A角=360/N=360/7。(约等于51度,记N=7)当k1正对着C1时,k3与C2的夹角是B角。 注意,C1与C2夹角约90度,那就是4等分圆(记M=4)。除本文以外的电机编码器,必定存在N与M,而且N与M互质。所以角B不等于0。两个传感器电位不可能同时上升(沿)或下降(沿)。 相位差,这种原理我就不谈了,不拿微积分来说事。只要知道,两个波会有时间差。 (1)当C1对上k1,正向转动 t1 时间后,k3就对上C2。那么记角速度v,那么t1 = B/v (2)当C1对上k1,反向转动 t2 时间后,k2就对上C2。那么记角速度v,那么t2 =(A-B)/v ; A=360/N 通过C1与C2夹角,当360/M>A>(360/M-A)也得到 t1 = (A-(360/M-A))/v t2 = (360/M-A)/v 噢,{N,M}={7,4}则可以按上述公式,如果是别的值,需要画出几何图形,再作分析。 那就是说: 1.1 正反转的检测: 正转时,我得到一个常数A/(t1*v) = A/B = (360/N)/(360/N-(360/M-360/N)) = 1/(2 - N/M) = 4 ; 反转时也得到一个常数 A/(t2*v) = A/(A-B) = (360/N)/(360/M-360/N) = 1/(N/M - 1) = 4/3 =1.3333 ; 上述这两个值,测量时是同一个变量。下面用算法说明。 算法: 我们设一个10us的定时器,当C1得到上升沿(外部中断)清零累加变量a,以后每10us让a++,当C2得到上升沿(外部中断),保存Y=a,当第二次C1得到上升沿(外部中断),记下X=a,然后重复。一段时候后,停下来。 取X/Y的值,如果X/Y>3 ,则为正转,否则为反转。 实验: 经过我的不,实测,得到两组数据: (Data1:电压3.2V) 正转:X=318, Y=62, 则 X/Y=5.129;反转:X=289, Y=228, 则 X/Y=1.267 (Data2:电压3.2V) 正转:X=323, Y=64, 则 X/Y=5.047;反转:X=290, Y=238, 则 X/Y=1.218 精算与修订: 我认为两个传感器的角度不是标准直角,我用手机量角器app,测了,约92度。我设M=3.877 得到正转的常数=5.142,反转的常数=1.241,很接近上面的结果。反算得到 夹角角度=360/M=92.85 1.2 主轴的行程: 我们让电机转到s秒,记行程C(单位,圈), 算法: 每次启动电机,清零累加器Ints,C1每得到一次上升沿中断,让Ints++,那么主轴转动的圈数C, 公式: 得到 C = Ints/N = Ints/7 1.3 主轴转速检测: 我们让电机转到s秒,记转速W(单位,rpm,即:圈/分钟),转速与电压成正比。 算法: 利用上面算法中的10us定时器,每中断让time++,( 或者在C1的中断,time += a;) 那么得到的runTime_ms = time/100; 主轴转速:W = C / runTime_ms * 60000 (rpm) 后面结合减速比,得到输出的转速。 因为单片机内的计时有误差,所以放弃自动测速。 二、直流电机 网上的Blog都在说要注意死区,那是因为他们都在用2003,而ULN2003就是达林顿放大器。现在都是用电机驱动芯片,不用管死区。我们只用1个PWM就可以了。 例如我现在用的MX1616H,它有两点转入,一个正向PWM,一个反向PWM,需要正转时,给正向PWM,反向接地;需要反转时,正向接地,给反向PWM。我们不用管死区,芯片里面自己处理。 三、减速器 商家会给出减速比的值;大部分商家只给减速后的转速,没有减速比。 3.1 输出杆转动角 公式: 记 减速比 P 记 输出轴终点与起点夹角 R = (int)(C/P*360) % 360 ( 在360度内 C = (R/360)*P, 逆转则是:R = 360*C/P ) 算法: 限制C1的中断次数,记max_ints,达到后立即停机。(与下面的算法相同) 公式: max_ints = N*C = N*P*(R/360) 3.2 (验证)减速比 我买的店,只给我额定电压(6V)下的转速 15rpm 我们可以限制每次的行程定义在N的倍数,并观察减速后的转动角。 实验: 我先让电机转动800ms,然后设定do{ Delay(30); } white(Ints |
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