星空综合体育app下载 飞思卡尔智能车舵机与测速控制设计.docx

飞思卡尔智能车舵机和测速的掌握设计与实现

舵机工作原理

舵机在六伏电压下可以正常运行，而大赛组委会统一提供的标准电源输出电压为七点二伏，因此需要设计一个外部电压调节装置，将电源电压调整为舵机所需的六伏工作电压。图2展示了舵机的供电线路。

舵机由多个部件构成，包括舵盘、位置反馈电位计、减速齿轮组、直流电机以及控制电路，减速齿轮组内部由直流电机驱动，其输出轴连接一个具有线性比例特性的位置反馈电位器，用于位置检测。电位器角度变化会等比变成电压，这个电压被反馈给控制电路，控制电路会将反馈的电压信号和输入的控制脉冲信号进行对比，从而生成修正脉冲，控制电路接着驱动直流电机正转或反转，这样减速齿轮组输出的位置就能和目标值对齐，最终实现舵机精确控制转向角度的目标，舵机的工作原理示意图参见图3。

舵机的安装与调整

舵机的控制信号宽度和其转动角度在负四十五度到正四十五度区间呈现正比关系。对于需要控制行驶速度的智能车辆，舵器的快速反应能力和转向系统的传动效率，决定了车体能否以理想速率平稳地绕过弯道。车模在赛道上快速移动，尤其是那些红外光电探测智能车，它们的舵机反应能力及其转向传动比，会直接关系到车模行进的平稳性，所以必须认真调整，逐个处理问题。因为舵机从接收转动指令到实际输出需要一定的时间，因此会造成舵机控制上的延迟现象。车模在拐弯时能识别出黑色轨迹的转弯方向，不过因为舵机反应迟缓，导致车模在转弯时经常跑离赛道，而且速度越快，跑偏越严重，这很大程度限制了车模在连续弯道上的最高速度，使得车模跑完全程的速度难以再提升。为了缩短舵机的反应速度，依据竞赛规则不允许更改舵机构造的限制，借助杠杆效应，采用增加舵机臂长的办法来纠正这一不足，加长舵机臂长的图解参见图4。

图四里，R代表舵机的力臂长度，θ指舵机转向的角度值，F是完成转向需要施加的外力大小，α是外力方向和力臂之间的夹角角度。在舵机的输出圆盘部位加装一个长条形杠杆构件，把转向用的传动连杆固定在杠杆的最末梢位置，其计算公式如下：

增加力臂长度后，若前轮转动相同幅度，在舵机角速度保持不变的情况下，力臂加长导致线速度提升，最终造成舵机转向角度变小。舵机输出角度减小，其反应时间也会缩短。此外，根据公式(1)可知，线速度提高后，前轮转向所需时间相应缩短，其计算公式为：t=ds／dv(2)

另外，舵机连杆处于水平位置，并且其方向垂直于舵机力臂，此时会产生一个力矩M，这个力矩可以用公式(3)来描述。

M=FRsinα (3)

当舵机连杆与舵机力臂正交，角度α为900度，sinα达到峰值。在此情形下，若舵机力臂R与外力F大小相等，则舵机产生的力矩M会达到顶点，前轮转向过程所需时间最短。

调试车模时发现，此法增强舵机反应效能存在局限：若输出力矩恒定，力臂增长则受力减弱。转向遭遇较大阻力时，会降低舵机控制转向轮的精准度，甚至减慢转向轮的反馈速率；此外，舵机机械结构精度形成的间隙偏差星空体育平台官网入口，在力臂延长的情形下会加剧。导致该非线性因素对控制系统产生的不良效应更为显著。因此，舵机安装的高度具有最正确范围，仍需通过试验反复测试。

霍尔传感器的应用

赛前竞赛赛道的具体形态并未提前公布,车模在赛前训练时走的路线和正式比赛时的路线差别很大,如果车模自身的适应能力不够强,它会在接连不断的弯道区域经常性地发生方向偏离,这种路线上的变动导致车模

应对环境变化和保持运行可靠存在显著难度。确保车辆模型沿着预定路线稳定运行，不仅要求精确控制前轮转向装置，还要求根据不同路面状况调整行驶速度，避免在弯道和坡道时因速度过高而偏离轨道。因此，借助霍尔元件测量车模即时速率，达成对车模速率的闭环控制，小车的PC9S12控制板能随赛道环境改变而执行预设的提速、减速、制动等操作，在最短时间内将当前速率调整至目标速率，让车模迅速稳定运行。

依靠霍尔效应原理，安装在旋转圆盘边缘的霍尔感应器，当每个小磁铁经过时，就能生成对应的

脉冲数量反映单位时间内的脉冲次数，由此可以推算出被测物体的旋转速度。霍尔传感器测速装置的结构如图5所示。显然，增加小钢磁的数量并非总是有利，在条件允许的情况下，磁性转盘上小钢磁的数量越多，传感器测量转速的分辨率就越高，速度控制也越精确。通常4到8片是最适宜的数量范围。

完毕语

为了加入第四届“飞思卡尔”杯全国大学生智能汽车大赛，该方案在校级队伍选拔中表现优异，最后取得了19.7秒的佳绩，得以入选。实际操作表明，智能车辆舵机控制方向以及霍尔传感器进行速度测量的改进措施具备实用价值和可操作性。

检查原图〔大图〕

增加力臂长度后，若要前轮转动相近幅度，在舵机角速率相近情形下，力臂加长导致线速率提升，结果造成舵机偏转量变小。舵机偏转量变小，舵机作用时长也会缩短。此外依据公式一，线速率提升后，前轮转向所需时长相应也会压缩，其公式表述为：时长等于位移除以速率（2）。

另外，舵机连杆处于水平状态，同时与舵机力臂成直角，这时会产生力矩M，可以用公式(3)表示：M等于力F乘以力臂R，再乘以正弦值α

(3)

标明当舵机连杆与舵机力臂正交时α等于九百度，此刻sinα取得峰值。在舵机力臂R必须同外力F相仿

条件下，舵机发生的力矩M最大，完成前轮转向的时间最短。

调试车模过程中发现，这种办法在提升舵机响应速率方面存在不足之处：若舵机输出扭矩相近的情况下

此方案下，力臂加长，驱动力减小。当转向遭遇较大阻力，会干扰舵机对转向轮的控制准确度，甚至导致转向轮的响应迟缓；此外，舵机机械结构的误差空隙也会在力臂延长的过程中加剧。这一非线性因素对控制系统的不良效应随之增强。因此，舵机装置的安装高度存在适宜区间，必须通过实验不断验证。

3霍尔传感器的使用

赛前竞赛赛道的具体形状并未提前公布。车模在训练时跑的路线和实际比赛时的路线差别很大，如果车模的自我适应能力调整不到位，它会在连续的弯道区域频繁地跑偏。赛道的变化对车模的适应能力和稳定性提出了严峻的考验。为了让模型车能颠簸地沿赛道行进，除了要控制好前轮转向装置，还必须熟悉各种地形的速度控制，确保模型车在急弯和下坡时不会因速度过快而跑出路线。因此，借助霍尔元件测量小车即时速率，达成对小车型速的闭环控制，微型电脑控制板会根据赛道环境变化，依照预设程序发出加速、减速、制动等操作，在最短时间内将当前速率调整至目标速率，让小车高速稳定行驶。

根据霍尔效应原理，安装在旋转体边缘的霍尔元件会在每个小磁体经过时产生一个相应信号，统计单位时间内的信号次数即可确定被测的转动速度，霍尔式测速装置的结构如图5所示。然而，装置中磁体的数量并非越多越好，在满足基本要求的前提下，磁性旋转体上磁体的数量增加，传感器测量转速的分辨率会随之提升，速度控制也会变得更加精确。一般4～8片是最好范围。

电机定位非常关键，尤其对于依赖精确转子位置控制运动的应用，比如位置伺服系统。电机控制系统中的定位方式包括：微型电机计算部件，光学部件，磁性部件，电磁感应部件等。这些定位传感器要么与电机无负载端共轴对接，要么直接安装在电机特定位置上。该光电元件的测量精度很高，可以精确显示电机转子的机械所在，进而间接呈现与电机相接的机械负载的机械所在，这样就能精确把握电机的所在位置。本文将重点阐述高精度光电编码器的内部构造、运作机制以及位置探测的方式。

一、光电编码器的介绍：

光电编码器借助读取编码盘上的图案或编码数据来反映与它连接的电机转子所处的具体位置。根据其运作方式，光电编码器可以分为两种类型，一种是确定式编码器，另一种是增量式编码器。接下来，我将分别阐述这两种类型编码器的结构特点以及它们的工作机制。

〔一〕、确定式光电编码器

这种确定式光电编码器在图中展示，它借助读取编码盘上二进制编码数据，以此来明确位置信息。

编码盘由肯定编码构造而成，为圆形构造。图1展示的是二进制编码盘，图中未着色部分可以穿透光线，以“0”记录；着色部分无法穿透光线，以“1”记录。构成编码的圆环称作码道

每条轨道代表二进制数的一个位置，最外圈的是最小那个位置，最内圈的是最大那个位置。假如这个编码装置包含

四条轨道，从内到外依次对应二进制的八、四、二和一，每四位二进制可组成一个数

六个二进制位，由此把圆盘分隔成十六个区域，每个区域都关联一个四位的二进制数，比如0000

0001、…、1111。

电机的位置检测在电机掌握中是格外重要的，特别是需要依据准确转子位置掌握电机运动状态的应用场合，如位置伺服系统。电机掌握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，能够准确的反响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，从而达到准确掌握电机位置的目的。在本文中我将主要介绍高精度的光电编码器的内部构造、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。依据光电编码器的工作原理可以将光电编码器分为确定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构造与工作原理做介绍。

〔一〕、确定式光电编码器

确定式光电编码器如下图，他是通过读取编码盘上的二进制的编码信息来表示确定位置信息的。

编码盘采用正面的编码方式制造而成，是圆形的装置。图1展示的是二进制的编码盘，其中未着色的部分能够穿透光线，以“0”记录，而着色的部分则阻挡光线，以“1”记录。一般将构成编码的圆环称作码道，每条码道代表二进制数的一位，最外层的码道对应最低位，最内层的码道对应最高位。若编码盘设有四个轨道，从中心至边缘的轨道依次对应二进制的八、四、二和一，每四位二进制可生成一个

6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。

根据码盘上的码道分布，安装相应的光电感应装置，该装置由光源、透镜、码盘、光敏二极管以及驱动电子线路构成。当码盘旋转到特定角度时，透光的码道会使对应的光敏二极管导通，并输出低电平信号“0”；而遮光的码道则导致对应的光敏二极管截止，输出高电平信号“1”。通过这种方式，能够得到与编码规则完全一致的高低电平序列，进而确定扇区的具体位置信息。

〔二〕、增量式光电编码器

增量式光电编码器通过码盘随位置改变而发出一连串脉冲信号，再根据位置移动的趋向，用计数器对脉冲进行增加或减少统计，从而实现位置测量功能。这种设备包含光源、透镜、主光栅码盘、鉴向盘、光敏元件以及电子线路等部件。

增量式光电编码器运作方式如下，旋转轴转动会带动主光栅码盘旋转，该码盘径向分布着均匀的窄缝，上面平行安装有鉴向盘，鉴向盘上设有两条相位相差九十度且相互错开的窄缝，这两条窄缝各自配备光敏二极管，用以接收主光栅码盘透过的信号。工作期间，鉴向盘保持静止，主光栅码盘随转子一起转动，光源通过透镜形成平行光束照射到主光栅码盘上，穿过主光栅码盘和鉴向盘后，由光敏二极管接收两个相位相差90度的近似正弦波形信号，然后由控制电路分别处理形成方向指示信号和脉冲计数信号。为了精确确定位置角度，增量式光电编码器设计了零点脉冲功能，即主光栅每完成一整圈旋转，系统就会输出一个零点脉冲，以此实现位置角的归零操作。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领域具备测量功能,能够确定电机转子的磁极位置和机械位置,同时也能监测转子磁极位置和机械位置的变化速率以及变化趋势。接下来将具体阐述光电编码器在这些方面的具体应用方式。

〔一〕、使用光电编码器来测量电机的转速

借助定时器与计数器配合光电编码器的脉冲信号，能够测算出电机的运行速度，常见的测速技术包括三种，即M法，T法以及M/T法。

M法别称频率测量法，其速度测量机制为在特定时段Tc内，统计光电编码器输出脉冲数量，如图2所示星空体育app下载入口，比如光电编码器具备N根线路，那么每完成一次旋转就能产生4N个脉冲信号，两个脉冲通道的上升沿和下降沿恰好使编码器信号频率提升至四倍，现在设检测时长为Tc星空综合体育app下载，计数器记录的脉冲数量为M1，那么电机的每分钟转速为

实际测量时，时间Tc内的脉冲数量往往并非整数，且存在最大半脉冲的偏差，这种情况必须考虑进去。如果希望测量误差控制在特定限度内，比如低于百分之一，那么M1的数值就必须超过五十。在肯定转速条件下，需增加检测脉冲数量M1以降低偏差，可以延长检测时长Tc，但实际应用中检测时长非常短，例如伺服系统中的测量速度用于响应控制，通常应低于0.01秒，由此可见，减小测量误差的有效途径是选用高分辨率的光电编码器。

T法亦称周期测量法，此测速方式通过统计时钟信号在一个脉冲周期内的脉冲数来实现，参见图3所示。假设时钟频率为fclk，计数器所记录的脉冲数量为M2，而光电编码器具有N条输出线，每条线可产生4N个脉冲信号，那么可计算出电机的每分钟转动次数为

T法又称为周长测量法，这种测量速度的方式，是在一个时间单位内，对时钟脉冲进行累加计数的过程

方法，参照图3。比如时钟频率为fclk，计数器记下的脉冲量是M2，光电编码器具备N个触点，

每线输出4N个脉冲，那么电机的每分钟的转速为

为了降低偏差，需要尽可能多地统计脉冲数量，所以T法测速适合于速度较慢的环境。不过当转速非常低时，一个编码器发出脉冲的间隔会非常长，导致时钟脉冲的总数会超出计数器能够记录的最大数值

超出了限度，而且耗时过多会降低掌握的迅捷程度。采用拥有更多线束的光电编码器，如同M法测速，能够增强对电机转速的即时测量水准，并提升其准确性。

M/T法测速是将M法和T法两种方法结合在一起使用，在肯定