深入浅出解析智能车测速部分

深入浅出解剖智能车测速部分作者：IT民工在打滚作者简介：笔者大一、二参加第三、四届智能车竞赛，大三担任校区实验中心助理引导学校同学参加第五届智能车竞赛，荣获全国智能车竞赛电磁组竞赛特等奖。

自从大三开始到此刻一直从事运动控制系统开发，对运动控制了解还算比较透切。

在此，跟学弟们分享下他熟识的，望能对学弟们参加竞赛有所帮助，让大家少走些弯路尽早走上自控的正轨，让咱们一起努力将咱们祖国自控技术推向更高的台阶。

当然更希望此文能抛砖引玉。

文中有错漏地方还望各位多多包涵。

智能车运动控制系统包含：运算处理器（MCU）、执行机构（有刷直流电机）、反馈机构（编码器或旋转变压器）。

自动化行业里完成的运动控制系统包含三环控制，三环控制分别为：电流环（转矩环），属于三环中的内环；转速环，属三环中的中间环；位置环，属三环中的最外环。

这三环运动控制算法在不同系统有所取舍，有些系统只需用其中的一环或两环，例如：张力控制系统只需用到电流环足以；智能车则需要电流环+速度环。

据我了解几乎没有同学上两环控制算法的，都是单单一个速度环（速度环PID）。

要控制好电机应该上两环控制，只有这样才能最好的发挥电机的驱动能力。

这里稍微解析下吧，我们都知道当电机的力矩小于负载时，电机旋转速度将降低；电机输出的力矩大于负载时，电机带动负载做加速运动；只有当电机输出力矩等于负载大小时，运动系统才进入匀速运行状态。

当我们给小车一个速度值时，如比当前值大，咱们得加大电机力矩，让车速尽快到达设定速度；如比当前速度小，则减少力矩或者给反向力矩（刹车）。

总言之，电流环是让车速尽快到达设定值。

电流环控制算法建议使用PI控制，信号处理频率10KHZ为宜（差点忘了提醒，上电流环记得上电流取样电路哦，取样电路有霍尔取样或电阻取样两种方法，对于智能竞赛上电阻取样法足以，此方法节约成本、电路简单）。

速度环建议使用PID控制算法、处理频率1KHZ就可以了。

上段讲解控制算法，接下来重点跟大家聊聊速度反馈部分。

在工业自动化上速度反馈传感器有编码器、旋转变压器两大类。

旋转变压器输出模拟信号适用于模拟量控制系统，其体积比较大，随着微处理器的发展其被选用得越来越少；编码器输出数字量抗扰性能较好、制造工艺简单、能很好与微处理器衔接，因此现代运动控制系统基本选用此传感器作为反馈单元。

纵观各届竞赛同学们选用的反馈元器件颇多的，有用光栅+光电管搭建的、有用霍尔+磁铁搭建的、有用鬼子的二手货+外部转换模块的、有用山寨欧姆龙的、有用广州展昌自动化Mini系列编码器的。

对以上产品每位同学都持有各自的想法，咱们先不论好坏，先给大家讲讲编码器种类吧。

编码器可分为：增量式编码器（多为输出脉冲信号，但随技术的发展及工业自动化的需求不断提高，演变产生了RS-232、RS-485、电压信号、电流信号等智能型编码器，也有直接输出转速信号、角度信号、角加速度信号的编码器）、绝对式编码器（有单圈和多圈两种）两类。

好，咱们一类一类解说。

增量式编码器有单相脉冲信号、双相脉冲信号、三相脉冲信号，这不难理解单相就是只有单路脉冲信号，双相脉冲信号的有AB相两相脉冲相位差是90°，这可以用以判别编码器旋转方向，A相比B相前置90°时编码器为顺时针旋转，反则为逆时针旋转，这两相脉冲除了可以判断旋转方向外还可以做四倍频，四倍频后可以将精度提高4倍，这部分应用很简单，现在很多处理器都具有四倍频功能也就是正交编码器信号模块，咱们使用的K60MCU就具有这个功能，不知是否有同学使用，没使用的同学尽快应用上这个好东西啦，三相脉冲输出型编码器有ABZ三相脉冲信号，AB相跟两相的一个用法，Z相信号是零位信号，用于校验AB相脉冲的或者特殊系统对机械零位的，这个信号可用可不用，今后出来工作了设计的产品就最好用上咯。

是啦，编码器信号输出有电压信号、有集电极开路输出（这种得加上拉电阻）。

接下来说说增量式编码器使用过程中需注意的地方，增量式输出的是脉冲信号，由它的工作机理我们知道编码器在一个地方往复运动也会输出脉冲（抖动就是往复运动），如只用单相脉冲测试的话很容易测到错误脉冲，以至速度偏差大，最终系统不稳定，因此建议大家使用双相信号测试。

增量式编码器测速就介绍到这，以下介绍绝对式测速法。

绝对式编码器测速法我引用广州展昌自动化科技有限公司的Mini1024J 10bit精度的编码来解说吧，这样比较好讲解，大家也好理解。

绝对编码器光码盘上有许多道光通道刻线，每道刻线依次以2线、4线、8线、16 线。

编排，这样，在编码器的每一个位置，通过读取每道刻线的通、暗，获得一组从2的零次方到2的n-1次方的唯一的2进制编码（格雷码），这就称为n位绝对编码器。

这样的编码器是由光电码盘的机械位置决定的，它不受停电、干扰的影响。

如下图Mini1024J绝对式编码器的转盘被均匀分成1024格，并每格依次标上0、1、2、3……1023，无论转盘处在哪个位置，读取到位移数据都在0~1023之间。

绝对编码器在每个位置上读取数值都是唯一的，断电数据不会丢失。

因此，此类编码器的抗干扰特性、数据的可靠性远远高于增量式编码器。

绝对式编码器测速原理由绝对式编码器工作原理可知，如10位精度的绝对式编码器在其转轴上均匀的标上1024个独立的标志位，外部每次读取的位置都是唯一的，单位时间内转轴的角度变化量就是轴的角速度W =2∏*（N_NUM–L_NUM）/1024*T式中：W为角速度；N_NUM为本次读取的位置值；L_NUM为上次读取的位置值；T为读取周期；执行机构线速度V = W*K*R式中：V为线速度；K为齿轮传动比；R执行机构转动轮半径；以上介绍了测速原理及计算公式，接下来介绍判断旋转方向的原理。

首先假设在读取周期内旋转角度小于180°，则可分成四个区域，如下图所示：由上图可分析得N_NUM-L_NUM 在0 ～ 512 或 -1023 ～ -512区间内为顺时针；在512 ～ 1023或-512 ～ 0区间内为逆时针。

当假设条件成立时，如果没过零点，则|N_NUM-L_NUM|﹤512；如果过了零点，则|N_NUM-L_NUM|＞512；顺时针越过零点时，可理解为编码器开始走下一圈，此时应加1023（也就是当N_NUM-L_NUM ＜-512时，则N_NUM-L_NUM+1023）；逆时针越过零点时，可理解为编码器退回上一圈，此时应减1023（也就是当N_NUM-L_NUM＞512时，则N_NUM-L_NUM-1023）；经运算后数值大于0为顺时针，小于零位逆时针。

硬件接线框图单个传感器与单片机连接结构框图（适用于A、B车测速）双传感器与单片机连接结构框图（适用于C D E车测速,没记错的话3.3V~5V都是可以的）绝对式编码器测速流程图代码也跟大家分享下吧SSI读取函数/********************************************************************* 编码器SSI程序函数功能：读取传感器位移数据注：延时时间不能偏差太大，根据MCU实际工作频率做相应的修改**********************************************************************/unsigned int SSI(unsigned char add) { uchar k;uint dat1=0;if(add==0){CSn_L=0;delay_us(1); //t_clkFE>=500nsfor(k=0;k<10;k++){ CLK=0;delay_us(1);CLK=1;delay_us(1);dat1=(dat1<<1)+DAT;//C5}for(k=0;k<6;k++){ CLK=0;delay_us(1);CLK=1;delay_us(1);}CSn_L=1;}else{ CSn_R=0;delay_us(1); //t_clkFE>=500ns for(k=0;k<10;k++){ CLK=0;delay_us(1);CLK=1;delay_us(1);dat1=(dat1<<1)+DAT;//C5 }for(k=0;k<6;k++){ CLK=0;delay_us(1);CLK=1;delay_us(1);}CSn_R=1;}return dat1;}引脚定义&变量定义//引脚定义#define CSn_L PORTB_BIT0 //左轮编码器片选#define CSn_R PORTB_BIT1 //右轮编码器片选#define CLK PORTB_BIT2 //读取时钟#define DAT PORTB_BIT3 //数据输出uint N_num[2];//本次位移值uint L_num[2];//上次位移值int VL; //左轮转速int VR; //右轮转速定时中断服务函数/*************************************************************************** ************定时计数器|N_num[x]-L_num[x]|<512 ; N_num[x]> L_num[x] 顺时针旋转N_num[x]< L_num[x] 逆时针旋转|N_num[x]-L_num[x]|>512 ; N_num[x]> L_num[x] 逆时针旋转N_num[x]< L_num[x] 顺时针旋转**************************************************************************** ***************/#pragma CODE_SEG __NEAR_SEG NON_BANKEDvoid interrupt 26 MDC_ISR(void){L_num[0]=N_num[0]; //上传上次位移数据N_num[0]=SSI(0); //读取当前位移数据L_num[1]=N_num[1];N_num[1]=SSI(1);VL = (N_num[0]-L_num[0]);//求差VR = (N_num[1]-L_num[1]);if(VL>512) //逆时针越过零点，退回上一圈VL = VL-1023;if(VL<-512)//顺时针越过零点，开始下一圈 VL = VL+1023;if(VL<0)//逆时针旋转VL = 0x8000|(-VL);Sci0Write((uchar)(VL>>8));Sci0Write((uchar)(VL&0x00ff)); MCFLG_MCZF=1; //清除中断标志asm cli;}。