深入浅出解析智能车测速部分

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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;

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