智能车浅谈——电机控制篇

文章目录前言运动控制系统被控对象执行机构控制器反馈环节M法测速T法测速小结直流调速系统桥式可逆PWM变换器1正向运行2反向运行总结智能车系列文章汇总前言之前借用自动控制原理对智能车的方向控制做了一个简单的分析今天继续分析智能车的电机控制本文以电力拖动自动控制系统——运动控制系统第五版作为参考。运动控制系统运动控制系统是通过控制电机电压、电流、频率等输入量来满足工作机械的转矩、速度、位移等机械量使各种工作机械按照人们期望的要求运行以满足生产及应用的需要。运动控制系统由电机、功率变换装置、控制器及相应的传感器构成其框图及涉及学科领域如下图对照运动控制系统的结构框图可以推断出智能车中的运动控制系统如下由此可以分析出整个小车运动过程中的速度环所包含的功能组件。被控对象电机是门深奥的学问号称自动化专业的天书之最笔者当初被电机学折磨的有阴影故有关电机不做分析。此处所提到的电动机都是车模上指定的普通直流电机不包括十七届中的无刷电机智能车中的电机都是用于调速系统的拖动电机而舵机则是用于伺服系统的伺服电动机的一种。执行机构功率放大与变换装置在智能车系统之中指的是电机驱动能够根据主控输出的信号动态的调节被控对象直流电机的驱动电压来控制电机的转速从而达到控制车身速度的作用。控制器智能车运动控制的控制器一般采用数字PI控制关于PI控制器后面会出一篇PID的文章描述大家姑且先把PI控制器当做一个公式只用输入误差输出的就是根据内部算法计算后的结果。这里借用龙邱科技的代码片。// An highlighted blocktypedef struct{float kp;//Pfloat ki;//Ifloat kd;//Dfloat imax;//积分限幅float out_p;//KP输出float out_i;//KI输出float out_d;//KD输出float out;//pid输出float integrator;// 积分值float last_error;// 上次误差float last_derivative;// 上次误差与上上次误差之差unsigned long last_t;// 上次时间}pid_param_t;pid_param_t Speed_PID;Speed_PID.kp130;Speed_PID.ki2.5;Speed_PID.kd0.25;/************************************************************************* * 函数名称void Motor_Control(void) * 功能说明电机控制 * 参数说明 * 函数返回 * 修改时间 * 备 注这类设计PID运算的函数一定要放在定时器中断内保持控制周期稳定 *************************************************************************/voidMotor_Control(void){MotorDuty1(int)PidIncCtrl(Speed_PID,Target_Speed-ECPULSE1);if(MotorDuty18000)MotorDuty18000;elseif(MotorDuty1-8000)MotorDuty1-8000;if(Speed_PID.out8000)Speed_PID.out8000;elseif(Speed_PID.out-8000)Speed_PID.out-8000;Motor1Ctrl(MotorDuty1);// 电机闭环控制}/************************************************************************* * 函数名称float constrain_float(float amt, float low, float high) * 功能说明pid增量式控制器输出 * 参数说明 * param pid pid参数 * param error pid输入误差 * 函数返回PID输出结果 注意输出结果已经包涵了上次结果 * 修改时间2020年4月1日 * 备 注 *************************************************************************/floatPidIncCtrl(pid_param_t*pid,float error){pid-out_ppid-kp*(error-pid-last_error);pid-out_ipid-ki*error;pid-out_dpid-kd*((error-pid-last_error)-pid-last_derivative);pid-last_derivativeerror-pid-last_error;pid-last_errorerror;pid-outpid-out_ppid-out_ipid-out_d;returnpid-out;}反馈环节此处的反馈环节是使用的增量式旋转编码器常见旋转编码器分为绝对式和增量式感兴趣的小伙伴自己去了解吧T法、M法作为信号处理的方式数字测速方法有三种T法、M法、M/T法还有分辨率和测速误差率这一类的知识感兴趣的同学自己去找书研究研究关于编码器已经在硬件篇做过分析不理解的可以去我第一篇博文查看这里主要分析下M法测速和T法测速电机每转一圈编码器智能车中的电机圈和编码器圈数不是11需要根据齿数比换算共产生Z个脉冲编码器输出脉冲的频率f1 M1 / Tc。M法测速M法测速在一定的时间Tc内测取旋转编码器输出的脉冲个数M1用以计算这段时间内的转速称为M法测速。由系统的定时器按照采样周期的时间定时一段时间这里我们假设为Tc1s,利用单片机的计数器捕获编码器在此段时间内产生的上升沿或者下降沿个数M1这里假设为1024设电机旋转一圈编码器产生512个脉冲则此时转速为n M1 / Z*Tc 1024 / 512×1单位r/sn1 2 r/sM法总结定时一段时间Tc记录下此段时间内产生的脉冲数M1再用电机运动一圈的脉冲数Z联立可以得到nM1 / Z*Tc。T法测速T法测速是测出旋转编码器两个输出脉冲之间的间隔时间来计算转速也被称为周期法测速。T法测速其实就是采集编码器两个相邻上升沿或者下降沿所用时间TtM2 / f0 ;M2可以理解成在编码器第一个上升沿开始计数到第二个上升沿到来时停止计数的时钟周期个数f0可以理解为单片机的时钟脉冲频率此处为方便理解假设1s时间单片机时钟可以产生65536个时钟脉冲而编码器此时两个上升沿之间的时钟脉冲个数为M265个则此时编码器一个脉冲的时间Tt 65/(65536/1)0.001s则此时的转速满足n f0 / Z*M2所以n2 65536 / 512 * 65 1.97 r/s小结T法M法计算的都是转速如果想要得到实际速度还需要知道车轮旋转一周小车的前进距离。但是对于智能车而言实际速度的参考价值和单位时间内的脉冲数的参考价值一样都能反映出车身速度这两者之间也仅仅相差一个机械结构决定的比例所以怕麻烦的同学可以直接选取脉冲数作为速度量进行控制。数字测速方式还有一种M/T法测速它可以很好地弥补T法和M发的缺点无论在高速或者低速都具有较好的分辨率和检测精度感兴趣的同学自行了解笔者在此不再介绍。直流调速系统直流电动机的稳态转速方程可以表示为根据上式从数学的角度可以得知直流电机有三种调节转速的方法1调节电枢供电电压 U。2减弱励磁磁通 φ。3改变电枢回路电阻 R。由于智能车比赛中的电机已经指定了那么方法23显然不可取剩下的就是方法1了所以智能车的速度控制都是采取的变压调速。桥式可逆PWM变换器这个直流调速系统知识点很多因为智能车中几乎都是运用的PWM加全桥因此此处仅解析桥式可逆PWM变换器。可逆PWM变换器主电路有多种形式最常用的是桥式亦称H形电路如下图所示电动机M两端电压的极性随开关器件栅极驱动电压极性的变化而改变其控制方式有双极式、单极式、受限单极式等多种这里分析双极式控制的可逆PWM变换器需要注意的是智能车中多使用的是单极性控制大致过程与双极性相似。1正向运行第1阶段在 0 ≤ t ≤ ton 期间 Ug1 、 Ug4为正 VT1 、 VT4导通 Ug2 、 Ug3为负VT2 、 VT3截止电流 id 沿回路1流通电动机M两端电压UAB Us 第2阶段在ton ≤ t ≤ T期间 Ug1 、 Ug4为负 VT1 、 VT4截止 VD2 、 VD3续流 并钳位使VT2 、 VT3保持截止电流 id 沿回路2流通电动机M两端电压UAB –Us 2反向运行第1阶段在 0 ≤ t ≤ ton 期间 Ug2 、 Ug3为负VT2 、 VT3截止 VD1 、 VD4 续流并钳位使 VT1 、 VT4截止电流 –id 沿回路4流通电动机M两端电压UAB Us 第2阶段在ton ≤ t ≤ T 期间 Ug2 、 Ug3 为正 VT2 、 VT3导通 Ug1 、 Ug4为负使VT1 、 VT4保持截止电流 – id 沿回路3流通电动机M两端电压UAB – Us 整个电机控制的流程图如下所示此处与硬件篇的电机驱动联系可以按照硬件篇的去参考大佬们的有关博文。总结智能车的电机控制介绍就到这里由于运动控制这门课知识太多无法全面展示给大家笔者也是就这自己的所学所悟写了这篇文章仅供参考。做这个系列的初心是希望大家对一辆智能车所覆盖的学科领域有所了解诚然现在市面上有很多很多的现成方案上手难度相对降低了但是大家面对现成的方案不是应该先去深挖一下方案的原理和理论吗智能车不是调参比赛也不是拼模块大赛希望大家好好利用参赛的时间去把自己的理论知识与实际结合笔者认为比赛的真实目的也是为了大家更好的掌握理论知识而不是一味地追求名次。行文至此略有所感予以记之望诸君共勉。智能车系列文章汇总智能车浅谈——硬件篇智能车浅谈——方向控制篇智能车浅谈——电机控制篇智能车浅谈——图像篇智能车浅谈——控制规律篇智能车浅谈——过程通道篇智能车浅谈——抗干扰技术硬件篇智能车浅谈——抗干扰技术软件篇