玩转电机驱动——A4950闭环驱动直流减速电机（Arduino）

文章目录

玩转电机驱动——A4950闭环驱动直流减速电机（Arduino）
前言
一、PWM信号
二、PID控制简介
三、增量式（速度）PID控制流程
四、PI控制器
五、Arduino实现
- 1. 硬件
- 2. 电路图
- 3. 编码器相关知识
- 4. 定时内部中断
总结

前言

本文所讲闭环控制是通过编码器获取电机转速，再利用PI控制电机转速维持在设定值的一种控制方法。速度闭环不使用D微分项。
提示：本篇文章参考平衡小车之家、https://blog.csdn.net/chrnhao/article/details/112639533的部分内容

一、PWM信号

PWM（Pulse Width Modulation）脉冲宽度调制，PWM波形是一个数字输出信号，也是由高低电平组成。在具有惯性的系统中，可以通过对一系列脉冲的宽度进行调制，来等效地获得所需要的模拟参量，常应用于电机控速等领域。

使用PWM波形是为了等效地实现一个模拟信号地输出。PWM的秘诀就是天下武功唯快不破，只要闪的快，就发现不了是闪着187亮的，还是一个正常、平稳的亮度。PWM应用需要在惯性的系统，LED熄灭的时候，由于余晖和人眼视觉暂留现象，LED不会立马熄灭，而是有一定的惯性，过一小段时间才会熄灭；电机断电时，电机不会立马停止，而是有一定的惯性，过一会才停。

从下图可看出高低电平跳变的数字信号，可以等效为中间虚线所表示的模拟量。当上电平时间长，下电平时间短时，等效的模拟量就偏上，反之亦然。

PWM重要参数：

频率 = 1 / TS
占空比 = TON / TS
分辨率 = 占空比变化步距（占空比变化1%2%3%，以1%的步距跳变，分辨率1%，分辨率就是占空比变化的精细程度）

二、PID控制简介

控制直流减速电机的PID一般分为两种，一种叫位置式PID，一种叫增量式（速度）PID。

位置式PID一般用于倒立摆,平衡小车等,使一个参数准确的到达某一个指定的静止状态,比如让一个电机准确的转90度。

增量式PID用于让一个动态变量，尽可能稳定的维持在某一个设定目标值，若想让小车准确的匀速行驶，就是让每一个轮子的转速稳定在一个所设定目标值。

对于直流减速电机，想要启动电机并且对电机调速，就需要让单片机产生PWM脉冲，将脉冲输入到电机驱动器（L298N、DRV8848、TB6612、A4950等）。而PWM有一个极为重要的参数就是占空比，不同占空比对应电机的不同转速，占空比为100%，电机全速转动，占空比为0%，电机停止。比如我们的电机满转速为333 RPM（转每分），我们希望电机以半速运动即166.5 RPM，我们的PWM占空比就要设置为50%，但实际操做，转速很难达到并保持166.5 RPM，有可能为150、170 RPM，反正就不会保持166.5 RPM，此时就需要用到一个闭环的算法（增量式PID）。

三、增量式（速度）PID控制流程

带编码器的直流减速电机，电机转速不同，编码器就会输出不同的脉冲，单片机通过读取编码器输出的脉冲的边沿（上升沿、下降沿、上升沿和下降沿）来获取转速。

循环过程：
（1）单片机通过直流减速电机的编码器获得电机的实际转速，计算实际转速与设定的目标转速之间的误差；
（2）根据误差，PI控制器会算出一个用于将直流减速电机调整到目标转速的PWM值；
（3）将算出的PWM值输出给直流电机，对直流电机转速进行调整；
（4）再次读取直流电机转速传给单片机。

四、PI控制器

所讲的PI控制器是一个函数，输入的是当前转速与目标转速的误差，输出的是调整转速需要用到的PWM值。

PID公式如下：

PWM+=Kp×[e(k)-e(k-1)]+Ki×e(k)+Kd×[e(k)-2e(k-1)+e(k-2)]

PWM： 输出增量，即输出值；
Kp、Ki、Kd： 这三个参数是我们要来调节的，根据不断的测试调整得出一组最佳值；
e(k) ：本次误差
e(k-1)：上次误差
e(k-2)：上上次误差

前文讲过在增量式（速度）PID中，我们仅需要Kp、Ki两个参数，所以公式可简化为：

PWM +=Kp×[e(k)-e(k-1)]+Ki×e(k)

Arduino中PI控制器代码实现：

//定义一个返回值为整形的函Incremental_PI，输入的是两个整形变量 Encoder，Target (Encoder代表编码器所测的当前速度，Target代表目标速度)int Incremental_PI (int Encoder, int Target)
{ float Bias;                       //浮点型变量Bias (本次偏差)static float PWM, Last_bias;               // 两个全局浮点型静态变量：PWM(输出增量)、Last_bias(上次误差)Bias = Encoder - Target;                              //计算偏差，当前值-目标值PWM += Velocity_KP * (Bias - Last_bias) + Velocity_KI * Bias; //增量式PI控制器if (PWM > 155)PWM = 155;                             //限幅，给小车限速if (PWM < -155)PWM = -155;                            //限幅，给小车限速Last_bias = Bias;                                     //保存上一次偏差return PWM;                                           //增量输出
}

五、Arduino实现

1. 硬件

（1）Arduino mega 2560
（2）12V航模电源
（3）直流电机驱动A4950T
（4）带编码器的直流减速电机

2. 电路图

电机驱动电路图：

接线电路图：

3. 编码器相关知识

如下图所示，编码器直接附在电机后面，这种是霍尔传感器形式的编码器，中间是一个圆形磁铁，边上有两个位置错开的霍尔传感器，当磁铁旋转时，通过霍尔传感器，就可以输出正交的方波信号。

编码器的A相和B相输出给单片机的是有相位差的两个脉冲（正交的方波信号）。如果设置计数器是通过A相输出方波的上升沿计数，当检测到A相输出方波的上升沿时，B相输出的是高电平则判断电机正转，B相输出的是低电平则判断电机反转。

通过计算确定时间内的脉冲个数得到转速的为M测速法。针对A、B相上升沿和下降沿都进行检测，检测精度可达四倍精度（四倍频测速）。本文只对A相的上升沿和下降沿进行检测并计数。

4. 定时内部中断

我们做四轮驱动车，需使用四个中断IO口，每一个中断IO口对应一个电机的编码器，一般来说我们都是采用Mega2560 ,下面是arduino系列单片机对应引脚号和中断号：

Arduino mega 2560 只有6个中断IO口,其中还有和I2C通信口和Serial1串口共用的IO口，所以可用的只有2、3、18、19四个引脚。

为了对设定时间内的脉冲的上升沿和下降沿计数，MEGA2560我们使用FlexiTimer2.h库进入定时内部中断，其他型号的arduino的板使用的是MsTimer2.h库。
使用时，在setup()函数里加上：

  FlexiTimer2::set(20, control); //20毫秒定时中断函数,每20毫秒执行一次control函数FlexiTimer2::start ();      //中断使能

总结

具体控制程序可以通过这里下载，也可以联系我
https://download.csdn.net/download/weixin_43002939/85438995