300*4=1200

在今年的比赛中，准备引入四轮麦克纳姆轮新型车模，用于信标组的比赛。前面不少同学对于该车模中测速问题提出了疑问：

“卓大大，信标的H车模用齿轮带麦伦怀疑它的扭矩是否足够，是不是齿轮很容易断。其次麦伦运行要四个编码器，一个编码器300，H车的成本就是1800，是否价格太高了，是否可以考虑电机中集成编码器。”“卓大，信标的车模是普通电机还是编码电机？普通电机再加编码器成本会大大增加呢。用编码电机应该更便宜一些吧？”

^{车模厂商提供的四轮麦克纳姆轮车模样品}

由于麦克纳姆轮车模需要通过四个轮子不同的转速完成前后、左右以及转向运动。所以需要精确控制四个车轮的速度，否则车模的姿态难以精确控制。

如果使用传统的测速光电编码器，按照同学从网络上购买的价格：

300元每只，则整车中只是测速传感器的价格就会达到1200元。这样会超出很多参赛队伍的经费预算。

^{直流电机R41-35050SDLD电机带动麦克纳姆轮转动}

为此，车模提供商给出了一款带有HALL编码器脉冲输出的直流电机解决方案。在电机的后面转子轴上安装有一个环形磁铁，通过两个霍尔传感器获得磁铁的磁场强度，进而通过小板上的8F5701单片机完成计算，输出对应的脉冲信号。

这个电机的大小与原车模上的电机相同，可以直接替换。价格也只增加了几十元，相比传统的光电编码盘便宜了。

^{带有HALL编码器的直流电机}

但是这种编码器输出的信号是否能够满足对于电机转速的精确控制呢？

对于上周末收到车模厂商发送过来的样品，今天早上进行测试，观察一下它输出的转速信号的是否能够精确反映电机转动角度。

下图是电机编码器的接口定义：

^{电机编码器接口定义}

接口的定义如下：M+,M-:电机正负接口

+,- :编码器的电源： 3.3V~5V

K1,K2:正转，反转脉冲。

在编码器的+，- 两个电极加上5V电压，分别使用示波器观察K1,K2的输出。可以看到：当转子超一个方向（正转）旋转时，K1输出脉冲，超相反方向（反转）旋转时，K2输出脉冲。而且是每次都有两个宽度相同的脉冲。

K1的脉冲是正向脉冲，K2的脉冲是负向脉冲。编码器的电压也可以使用3.3V供电。

^{观察编码器的输出信号}

这种脉冲输出方式与常见到的光码盘的方波方式不同。而且诡异的是，它居然每次输出两个脉冲。这给将来测量增了麻烦。

下面使用了一个3505线性霍尔l器件，放在圆形磁铁旁边，测量磁铁周围的磁场分布情况。通过示波器看到霍尔输出信号，随着磁铁旋转，大体呈现正弦变化的波形。但是这个波形与正弦信号还是相差很大，处于三角波形与正弦波形之间的形状。

^{使用线性HALL测量圆形磁铁的磁场分布}

下面是对比了另外一个同样使用圆形霍尔磁铁进行测量角度的电机，它的磁铁外部的磁场强度就非常接近于正弦信号。

^{另外一个带有HALL测速的磁铁的磁场强度}

因此，这就出现一个问题，为何前面电机厂商提供的圆形磁铁的磁场分布与正弦波形相差那么大呢？

下面再测试一下，该电机的HALL测速板每周输出多少个脉冲信号。

将K1，K2信号连入一块STM32RCT6开发板的PC12,PC10关键，通过软件设置测量这两个管脚信号下降沿所带来的中断次数，并显示在开发板上的OLED显示屏上。

^{使用单片机测量K1,K2脉冲个数}

通过旋转磁铁10周，测了总共脉冲个数的变化，再除以10，便可以得到每周HALL测速板输出脉冲的个数。这个个数为在36.

由于每次，K1，K2都是连续输出两个等宽的脉冲，所以实际上有效反映角度的脉冲个数只有18个。

^{每次K1,K2都是输出两个脉冲对}

因此，从现在测量的结果来看。这个电机编码盘输出的精度是每周18个有效脉冲。相对于传统的光电码盘，或者编码器的100~500线，这个HALL测速的精度比较低。

在电机上测速板上有两个线性的HALL器件，通过测量，可以看到这两个HALL器件输出的波形与前面独立使用3505输出的波形是一样的。

^{测速板上线性HALL输出信号}

这两个HALL器件在安装角度上相差90度，所以他们输出信号也相差90度。

测速板输出信号应该是由板上的8F5701单片机经过采集者两个HALL器件信号经过运算后再进行输出的结果。

下面同时测量其中一个HALL信号与K1输出信号。施加在电机两端电压分别是2V，和1V。电机转速一个是高速，一个是低速。

^{电机驱动电压2V下，HALL与K1信号}

^{电机驱动电压1V下，HALL与K1信号}

由于施加在电机两端的电压是恒定的，电机空载转动。所以假设电机的转速是均匀的。

通过上面示波器所显示K1信号，会发现，K1信号在相邻两个脉冲之间的时间是不同的。也就是说，如果根据K1信号两个脉冲之间的时间间隔来计算电机的加速，转速是不均匀的。

所以通过K1，K2所获得的电机转速是由很大误差。

^测试电机

通过以上实验，可以看出，现在电机上所配备的测速电路所给出的脉冲信号，如果用于电机速度测量，则会有：

（1）

测速精度低，每周只有18个有效脉冲；

（2）

测速噪声大，在电机匀速转动的时候，K1,K2输出脉冲的频率会有很大的波动。

因此，使用K1,K2信号进行电机测速不太适合这款四轮麦克纳姆轮车模的精确控制。

下面留下一个问题：

如果直接应用两个HALL信号输出的正交模拟信号进行测速，是否可以达到很高的精度呢？

^{两路HALL输出信号}

如果可以的话，不仅可以省去测速板上的单片机，进一步降低电机的成本，另外还可以得到更高精度的电机速度。

关于这方面的解决方案，下次再进行讨论。

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