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1、飞思卡尔智能车舵机和测速的控制设计与实现时间：2010-04-14 11:53:10 来源：电子设计工程 作者：雷贞勇 谢光骥 五邑大学21 舵机工作原理 舵机在6 V电压下正常工作，而大赛组委会统一提供的标准电源输出电压为72 V，则需一个外围电压转换电路将电源电压转换为舵机的工作电压6 V。图2为舵机供电电路。 舵机由舵盘、位置反馈电位计、减速齿轮组、直流动电机和控制电路组成，内部位置反馈减速齿轮组由直流电动机驱动，其输出轴带动一个具有线性比例特性的位置反馈电位器作为位置检测。当电位器转角线性地转换为电压并反馈给控制电路时，控制电路将反馈信号与输入的控制脉冲信号相比较，产生纠正脉冲，控制并
2、驱动直流电机正向或反向转动，使减速齿轮组输出的位置与期望值相符。从而达到舵机精确控制转向角度的目的。舵机工作原理框图如图3所示。22 舵机的安装与调节 舵机的控制脉宽与转角在-45+45范围内线性变化。对于对速度有一定要求的智能车，舵机的响应速度和舵机的转向传动比直接影响车模能否以最佳速度顺利通过弯道。车模在赛道上高速行驶，特别是对于前瞻性不够远的红外光电检测智能车，舵机的响应速度及其转向传动比将直接影响车模行驶的稳定性，因此必须细心调试，逐一解决。由于舵机从执行转动指令到响应输出需占用一定的时间，因而产生舵机实时控制的滞后。虽然车模在进入弯道时能够检测到黑色路线的偏转方向，但由于舵机的滞后性
3、，使得车模在转弯过程中时常偏离跑道，且速度越快，偏离越远，极大限制车模在连续弯道上行驶的最大时速，使得车模全程赛道速度很难进一步提高。为了减小舵机响应时间，在遵守比赛规则不允许改造舵机结构的前提下，利用杠杆原理，采用加长舵机力臂的方案来弥补这一缺陷，加长舵机力臂示意图如图4所示。 图4中，R为舵机力臂；为舵机转向角度；F为转向所需外力；为外力同力臂的夹角。在舵机输出盘上增加长方形杠杆，在杠杆的末端固定转向传动连杆，其表达式为： 加长力臂后欲使前轮转动相同角度时，在舵机角速度相同的条件下舵机力臂加长后增大了线速度v，最终使得舵机的转向角度减小。舵机输出转角减小，舵机的响应时间t也会变短。同时由式
4、(1)可推出线速度口增大后，前轮转向所需的时间t相应也会变短，其表达式为：t=dsdv (2) 此外，当舵机连杆水平且与舵机力臂垂直时，得到力矩M，可由式(3)表示：M=FRsin (3) 说明当舵机连杆和舵机力臂垂直时=900，此时sin得到最大值。在舵机力臂R一定和外力F相同条件下，舵机产生的力矩M最大，实现前轮转向的时间最短。 在实际调试车模时发现，这种方法对提高舵机的响应速度也具有局限性：当在舵机输出力矩相同的条件下，力臂越长，作用力越小。在转向遇到较大转向阻力时，会影响舵机对转向轮控制的精度，甚至使转向轮的响应速度变慢；另外，舵机机械结构精度产生的空程差也会在力臂加长中放大。使得这一
5、非线性环节对控制系统的不利影响增大。因此，舵机安装的高度具有最佳范围，仍需通过试验反复测试。 3 霍尔传感器的应用 由于在赛前比赛赛道的几何图形是未公开的。赛前车模训练的路线与实际比赛的路线相差甚远，若车模自适应性调整不好，车模会在连续弯道处频繁的偏转。赛道的变更给车模的适应性和稳定性带来了一定挑战。为了使得车模能够平稳地沿着赛道行驶，除控制前轮转向舵机以外，还需要控制好各种路况的车速，使得车模在急转弯和下坡时不会因速度过快而冲出赛道。因此，利用霍尔传感器检测车模瞬时速度，实现对车模速度的闭环反馈控制，小车的PC9S12控制板能够根据赛道路况变化而相应执行软件给定的加速、减速、刹车等指令，在最
6、短的时间内由当前速度转变为期望的速度，使得车模快速平稳行驶。 基于霍尔效应，固定在转盘附近的霍尔传感器便可在每个小钢磁通过时产生一个相应的脉冲，检测出单位时间的脉冲数，便可知被测转速。霍尔传感测速装置示意图如图5所示。显然不是安装小钢磁越多越好，在一定的条件允许范围内，磁性转盘上小钢磁的数目越多，确定传感器测量转速的分辨率也越高，速度控制也越精确。一般48片是最佳范围。4 结束语 为了参加第四届“飞思卡尔”杯全国大学生智能汽车竞赛，此设计方案在校级代表队资格选拔赛中表现完美，最终跑出 197 s的好成绩，成功入选。实践证明了智能车舵机控制转向和霍尔控制测速优化方案具有可行性和实用性。检查原图（
7、大图）加长力臂后欲使前轮转动类似角度时，在舵机角速度类似的条件下舵机力臂加长后增大了线速度v，结尾使得舵机的转向角度减小。舵机输出转角减小，舵机的照应时间t也会变短。同时由式(1)可推出线速度口增大后，前轮转向所需的时间t相应也会变短，其表达式为：t=dsdv (2)此外，当舵机连杆水平且与舵机力臂垂直时，得到力矩M，可由式(3)示意：M=FRsin (3)标明当舵机连杆和舵机力臂垂直时=900，此时sin得到最大值。在舵机力臂R必须和外力F类似条件下，舵机发生的力矩M最大，完成前轮转向的时间最短。在实践调试车模时发觉，这种办法对提高舵机的照应速度也具有局限性：当在舵机输出力矩类似的条件下，力
8、臂越长，作用力越小。在转向遇到较大转向阻力时，会影响舵机对转向轮控制的精度，甚至使转向轮的照应速度变慢；另外，舵机机械构造精度发生的空程差也会在力臂加长中扩大。使得这一非线性环节对控制系统的不利影响增大。因而，舵机装置的高度具有最好范围，仍需议决实验反复测试。 3 霍尔传感器的使用由于在赛前竞赛赛道的几何图形是未公示的。赛前车模训练的路途与实践竞赛的路途相差甚远，若车模自顺应性调整不好，车模会在延续弯道处频繁的偏转。赛道的变卦给车模的顺应性和固定性带来了必须挑衅。为了使得车模能够颠簸地沿着赛道行驶，除控制前轮转向舵机以外，还须要控制好各种路况的车速，使得车模在急转弯和下坡时不会因速渡过快而冲出
9、赛道。因而，使用霍尔传感器检测车模瞬时速度，完成对车模速度的闭环反应控制，小车的PC9S12控制板能够依据赛路途况改动而相应执行软件给定的加快、放慢、刹车等指令，在最短的时间内由现在速度转变为希冀的速度，使得车模高速颠簸行驶。基于霍尔效应，固定在转盘附近的霍尔传感器便可在每个小钢磁议决时发生一个相应的脉冲，检测出单位时间的脉冲数，便可知被测转速。霍尔传感测速装置示意图如图5所示。显然不是装置小钢磁越多越好，在必须的条件准许范围内，磁性转盘上小钢磁的数目越多，确定传感器测量转速的分辨率也越高，速度控制也越精确。普通48片是最好范围。电机的位置检测在电机控制中是十分重要的，特别是需要根据精确转子位
10、置控制电机运动状态的应用场合，如位置伺服系统。电机控制系统中的位置检测通常有：微电机解算元件，光电元件，磁敏元件，电磁感应元件等。这些位置检测传感器或者与电机的非负载端同轴连接，或者直接安装在电机的特定的部位。其中光电元件的测量精度较高，能够准确的反应电机的转子的机械位置，从而间接的反映出与电机连接的机械负载的准确的机械位置，从而达到精确控制电机位置的目的。在本文中我将主要介绍高精度的光电编码器的内部结构、工作原理与位置检测的方法。一、光电编码器的介绍：光电编码器是通过读取光电编码盘上的图案或编码信息来表示与光电编码器相连的电机转子的位置信息的。根据光电编码器的工作原理可以将光电编码器分为绝对
11、式光电编码器与增量式光电编码器，下面我就这两种光电编码器的结构与工作原理做介绍。（一）、绝对式光电编码器绝对式光电编码器如图所示，他是通过读取编码盘上的二进制的编码信息来表示绝对位置信息的。编码盘是按照一定的编码形式制成的圆盘。图1是二进制的编码盘，图中空白部分是透光的，用“0”来表示;涂黑的部分是不透光的，用“1”来表示。通常将组成编码的圈称为码道，每个码道表示二进制数的一位，其中最外侧的是最低位，最里侧的是最高位。如果编码盘有4个码道，则由里向外的码道分别表示为二进制的23、22、21和20，4位二进制可形成16个二进制数，因此就将圆盘划分16个扇区，每个扇区对应一个4位二进制数，如000
12、0、0001、1111。电机的位置检测在电机控制中是十分重要的，特别是需要根据精确转子位置控制电机运动状态的应用场合，如位置伺服系统。电机控制系统中的位置检测通常有：微电机解算元件，光电元件，磁敏元件，电磁感应元件等。这些位置检测传感器或者与电机的非负载端同轴连接，或者直接安装在电机的特定的部位。其中光电元件的测量精度较高，能够准确的反应电机的转子的机械位置，从而间接的反映出与电机连接的机械负载的准确的机械位置，从而达到精确控制电机位置的目的。在本文中我将主要介绍高精度的光电编码器的内部结构、工作原理与位置检测的方法。一、光电编码器的介绍：光电编码器是通过读取光电编码盘上的图案或编码信息来表示
13、与光电编码器相连的电机转子的位置信息的。根据光电编码器的工作原理可以将光电编码器分为绝对式光电编码器与增量式光电编码器，下面我就这两种光电编码器的结构与工作原理做介绍。（一）、绝对式光电编码器绝对式光电编码器如图所示，他是通过读取编码盘上的二进制的编码信息来表示绝对位置信息的。编码盘是按照一定的编码形式制成的圆盘。图1是二进制的编码盘，图中空白部分是透光的，用“0”来表示;涂黑的部分是不透光的，用“1”来表示。通常将组成编码的圈称为码道，每个码道表示二进制数的一位，其中最外侧的是最低位，最里侧的是最高位。如果编码盘有4个码道，则由里向外的码道分别表示为二进制的23、22、21和20，4位二进制
14、可形成16个二进制数，因此就将圆盘划分16个扇区，每个扇区对应一个4位二进制数，如0000、0001、1111。按照码盘上形成的码道配置相应的光电传感器，包括光源、透镜、码盘、光敏二极管和驱动电子线路。当码盘转到一定的角度时，扇区中透光的码道对应的光敏二极管导通，输出低电平“0”，遮光的码道对应的光敏二极管不导通，输出高电平“1”，这样形成与编码方式一致的高、低电平输出，从而获得扇区的位置脚。（二）、增量式光电编码器增量式光电编码器是码盘随位置的变化输出一系列的脉冲信号，然后根据位置变化的方向用计数器对脉冲进行加/减计数，以此达到位置检测的目的。它是由光源、透镜、主光栅码盘、鉴向盘、光敏元件和
15、电子线路组成。增量式光电编码器的工作原理是是由旋转轴转动带动在径向有均匀窄缝的主光栅码盘旋转，在主光栅码盘的上面有与其平行的鉴向盘，在鉴向盘上有两条彼此错开90o相位的窄缝，并分别有光敏二极管接收主光栅码盘透过来的信号。工作时，鉴向盘不动，主光栅码盘随转子旋转，光源经透镜平行射向主光栅码盘，通过主光栅码盘和鉴向盘后由光敏二极管接收相位差90o的近似正弦信号，再由逻辑电路形成转向信号和计数脉冲信号。为了获得绝对位置角，在增量式光电编码器有零位脉冲，即主光栅每旋转一周，输出一个零位脉冲，使位置角清零。利用增量式光电编码器可以检测电机的位置和速度。二、光电编码器的测量方法：光电编码器在电机控制中可以用来测量电机转子的磁场位置和机械位置以及转子的磁场和机械位置的变化速度与变化方向。下面就我就光电编码器在这几方面的应用方法做一下介绍。（一）、使用光电编码器来测量电机的转速可以利用定时器/计数器配合光电编码器的输出脉冲信号来测量电机的转速。具体的测速方法有M法、T法和M/T法3种。M法又称之为测频法，其测速原理是在规定的检测时间Tc内，对光电编码器输出的脉冲信号计数的测速方法，如图2所示，例如光电编码器是N线的，则每旋转一周可以有4N
