1、飛思卡爾智能軍舵機(jī)和測(cè)速的控制設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)時(shí)間：2010-04-1411:53:10 來(lái)源：電子設(shè)計(jì)工程作者：雷貞勇謝光驥五邑大學(xué)2.1 舵機(jī)工作原理舵機(jī)在 6V 電壓下正常工作，而大賽組委會(huì)統(tǒng)一提供的標(biāo)準(zhǔn)電源輸出電壓為 7.2V,則需一個(gè)外圍電壓轉(zhuǎn)換電路將電源電壓轉(zhuǎn)換為舵機(jī)的工作電壓 6V。圖 2 為舵機(jī)供電電路。圖2舵機(jī)供電電路舵機(jī)由舵盤、位置反饋電位計(jì)、減速齒輪組、直流動(dòng)電機(jī)和控制電路組成，內(nèi)部位置反饋減速齒輪組由直流電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)，其輸出軸帶動(dòng)一個(gè)具有線性比例特性的位置反饋電位器作為位置檢測(cè)。當(dāng)電位器轉(zhuǎn)角線性地轉(zhuǎn)換為電壓并反饋給控制電路時(shí)，控制電路將反饋信號(hào)與輸入的控制脈沖信號(hào)相比較，產(chǎn)生糾

2、正脈沖，控制并驅(qū)動(dòng)直流電機(jī)正向或反向轉(zhuǎn)動(dòng)，使減速齒輪組輸出的位置與期望值相符。從而達(dá)到舵機(jī)精確控制轉(zhuǎn)向角度的目的。舵機(jī)工作原理框圖如圖 3 所示。圖 3 舵機(jī)工作原理框圖2.2 舵機(jī)的安裝與調(diào)節(jié)舵機(jī)的控制脈寬與轉(zhuǎn)角在-45。+45范圍內(nèi)線性變化。對(duì)于對(duì)速度有一定要求的智能車，舵機(jī)的響應(yīng)速度和舵機(jī)的轉(zhuǎn)向傳動(dòng)比直接影響車模能否以最佳速度順利通過(guò)彎道。車模在賽道上高速行駛，特別是對(duì)于前瞻性不夠遠(yuǎn)的紅外光電檢測(cè)智能車，舵機(jī)的響應(yīng)速度及其轉(zhuǎn)向傳動(dòng)比將直接影響車模行駛的穩(wěn)定性，因此必須細(xì)心調(diào)試，逐一解決。由于舵機(jī)從執(zhí)行轉(zhuǎn)動(dòng)指令到響應(yīng)輸出需占用一定的時(shí)間，因而產(chǎn)生舵機(jī)實(shí)時(shí)控制的滯后。雖然車模在進(jìn)入彎道時(shí)能夠

3、檢測(cè)到黑色路線的偏轉(zhuǎn)方向，但由于舵機(jī)的滯后性，使得車模在轉(zhuǎn)彎過(guò)程中時(shí)常偏離跑道，且速度越快，偏離越遠(yuǎn)，極大限制車模在連續(xù)彎道上行駛的最大時(shí)速，使得車模全程賽道速度很難進(jìn)一步提高。為了減小舵機(jī)響應(yīng)時(shí)間，在遵守比賽規(guī)則不允許改造舵機(jī)結(jié)構(gòu)的前提下，利用杠桿原理，采用加長(zhǎng)舵機(jī)力臂的方案來(lái)彌補(bǔ)這一缺陷，加長(zhǎng)舵機(jī)力臂示意圖如圖4 所示。位置反饋電位計(jì)圖4加氏舵機(jī)力臂示意圖圖 4 中，R 為舵機(jī)力臂；。為舵機(jī)轉(zhuǎn)向角度；F 為轉(zhuǎn)向所需外力；”為外力同力臂的夾角。在舵機(jī)輸出盤上增加長(zhǎng)方形杠桿，在杠桿的末端固定轉(zhuǎn)向傳動(dòng)連桿，其表達(dá)式為：第二恒罌-IC獸窗（1）加長(zhǎng)力臂后欲使前輪轉(zhuǎn)動(dòng)相同角度時(shí)，在舵機(jī)角速度 3 相

4、同的條件下舵機(jī)力臂加長(zhǎng)后增大了線速度 V,最終使得舵機(jī)的轉(zhuǎn)向角度。減小。舵機(jī)輸出轉(zhuǎn)角。減小，舵機(jī)的響應(yīng)時(shí)間 t也會(huì)變短。同時(shí)由式（1）可推出線速度口增大后，前輪轉(zhuǎn)向所需的時(shí)間 t 相應(yīng)也會(huì)變短，其表達(dá)式為：t=ds/dv（2）此外，當(dāng)舵機(jī)連桿水平且與舵機(jī)力臂垂直時(shí)，得到力矩 M,可由式（3）表示：M=FRsina說(shuō)明當(dāng)舵機(jī)連桿和舵機(jī)力臂垂直時(shí)”=900,此時(shí) sin“得到最大值。在舵機(jī)力臂 R 一定和外力 F 相同條件下，舵機(jī)產(chǎn)生的力矩 M 最大，實(shí)現(xiàn)前輪轉(zhuǎn)向的時(shí)間最短。在實(shí)際調(diào)試車模時(shí)發(fā)現(xiàn)，這種方法對(duì)提高舵機(jī)的響應(yīng)速度也具有局限性：當(dāng)在舵機(jī)輸出力矩相同的條件下，力臂越長(zhǎng)，作用力越小。在轉(zhuǎn)向遇

5、到較大轉(zhuǎn)向阻力時(shí)，會(huì)影響舵機(jī)對(duì)轉(zhuǎn)向輪控制的精度，甚至使轉(zhuǎn)向輪的響應(yīng)速度變慢；另外，舵機(jī)機(jī)械結(jié)構(gòu)精度產(chǎn)生的空程差也會(huì)在力臂加長(zhǎng)中放大。使得這一非線性環(huán)節(jié)對(duì)控制系統(tǒng)的不利影響增大。因此，舵機(jī)安裝的高度具有最佳范圍，仍需通過(guò)試驗(yàn)反復(fù)測(cè)試。3 霍爾傳感器的應(yīng)用由于在賽前比賽賽道的幾何圖形是未公開(kāi)的。賽前車模訓(xùn)練的路線與實(shí)際比賽的路線相差甚遠(yuǎn)，若車模自適應(yīng)性調(diào)整不好，車模會(huì)在連續(xù)彎道處頻繁的偏轉(zhuǎn)。賽道的變更給車模的適應(yīng)性和穩(wěn)定性帶來(lái)了一定挑戰(zhàn)。為了使得車模能夠平穩(wěn)地沿著賽道行駛，除控制前輪轉(zhuǎn)向舵機(jī)以外，還需要控制好各種路況的車速，使得車模在急轉(zhuǎn)彎和下坡時(shí)不會(huì)因速度過(guò)快而沖出賽道。因此，利用霍爾傳感器檢測(cè)

6、車模瞬時(shí)速度，實(shí)現(xiàn)對(duì)車模速度的閉環(huán)反饋控制，小車的 PC9s12 控制板能夠根據(jù)賽道路況變化而相應(yīng)執(zhí)行軟件給定的加速、減速、剎車等指令，在最短的時(shí)間內(nèi)由當(dāng)前速度轉(zhuǎn)變?yōu)槠谕乃俣?，使得車?？焖倨椒€(wěn)行駛?；诨魻栃?yīng)，固定在轉(zhuǎn)盤附近的霍爾傳感器便可在每個(gè)小鋼磁通過(guò)時(shí)產(chǎn)生一個(gè)相應(yīng)的脈沖，檢測(cè)出單位時(shí)間的脈沖數(shù)，便可知被測(cè)轉(zhuǎn)速?；魻杺鞲袦y(cè)速裝置示意圖如圖 5 所示。顯然不是安裝小鋼磁越多越好，在一定的條件允許范圍內(nèi)，磁性轉(zhuǎn)盤上小鋼磁的數(shù)目越多，確定傳感器測(cè)量轉(zhuǎn)速的分辨率也越高，速度控制也越精確。一般 48 片是最佳范圍。圖 5 霍爾傳感測(cè)速裝置示意圖4 結(jié)束語(yǔ)為了參加第四屆飛思卡爾”杯全國(guó)大學(xué)生智能汽

7、車競(jìng)賽，此設(shè)計(jì)方案在校級(jí)代表隊(duì)資格選拔賽中表現(xiàn)完美，最終跑出19.7s 的好成績(jī)，成功入選。實(shí)踐證明了智能車舵機(jī)控制轉(zhuǎn)向和霍爾控制測(cè)速優(yōu)化方案具有可行性和實(shí)用性。M3端二嘿3（1）檢查原圖（大圖）加長(zhǎng)力臂后欲使前輪轉(zhuǎn)動(dòng)類似角度時(shí)， 在舵機(jī)角速度 3 類似的條件下舵機(jī)力臂加長(zhǎng)后增大了線速度 V,結(jié)尾使得舵機(jī)的轉(zhuǎn)向角度。 減小。舵機(jī)輸出轉(zhuǎn)角。減小，舵機(jī)的照應(yīng)時(shí)間 t 也會(huì)變短。同時(shí)由式（1）可推出線速度口增大后，前輪轉(zhuǎn)向所需的時(shí)間 t 相應(yīng)也會(huì)變短，其表達(dá)式為：t=ds/dv（2）此外，當(dāng)舵機(jī)連桿水平且與舵機(jī)力臂垂直時(shí)，得到力矩 M,可由式（3）示意：M=FRsina標(biāo)明當(dāng)舵機(jī)連桿和舵機(jī)力臂垂直時(shí)

8、 a=900。，此時(shí) sina 得到最大值。在舵機(jī)力臂 R 必須和外力 F 類似條件下，舵機(jī)發(fā)生的力矩 M 最大，完成前輪轉(zhuǎn)向的時(shí)間最短。在實(shí)踐調(diào)試車模時(shí)發(fā)覺(jué)，這種辦法對(duì)提高舵機(jī)的照應(yīng)速度也具有局限性：當(dāng)在舵機(jī)輸出力矩類似的條件下，力臂越長(zhǎng)，作用力越小。在轉(zhuǎn)向遇到較大轉(zhuǎn)向阻力時(shí)，會(huì)影響舵機(jī)對(duì)轉(zhuǎn)向輪控制的精度，甚至使轉(zhuǎn)向輪的照應(yīng)速度變慢；另外，舵機(jī)機(jī)械構(gòu)造精度發(fā)生的空程差也會(huì)在力臂加長(zhǎng)中擴(kuò)大。使得這一非線性環(huán)節(jié)對(duì)控制系統(tǒng)的不利影響增大。因而，舵機(jī)裝置的高度具有最好范圍，仍需議決實(shí)驗(yàn)反復(fù)測(cè)試。3 霍爾傳感器的使用由于在賽前競(jìng)賽賽道的幾何圖形是未公示的。賽前車模訓(xùn)練的路途與實(shí)踐競(jìng)賽的路途相差甚遠(yuǎn)，若

9、車模自順應(yīng)性調(diào)整不好，車模會(huì)在延續(xù)彎道處頻繁的偏轉(zhuǎn)。賽道的變卦給車模的順應(yīng)性和固定性帶來(lái)了必須挑釁。為了使得車模能夠顛簸地沿著賽道行駛，除控制前輪轉(zhuǎn)向舵機(jī)以外，還須要控制好各種路況的車速，使得車模在急轉(zhuǎn)彎和下坡時(shí)不會(huì)因速渡過(guò)快而沖出賽道。因而，使用霍爾傳感器檢測(cè)車模瞬時(shí)速度，完成對(duì)車模速度的閉環(huán)反應(yīng)控制，小車的 PC9S12 控制板能夠依據(jù)賽路途況改動(dòng)而相應(yīng)執(zhí)行軟件給定的加快、放慢、剎車等指令，在最短的時(shí)間內(nèi)由現(xiàn)在速度轉(zhuǎn)變?yōu)橄＜降乃俣?，使得車模高速顛簸行駛?；诨魻栃?yīng)，固定在轉(zhuǎn)盤附近的霍爾傳感器便可在每個(gè)小鋼磁議決時(shí)發(fā)生一個(gè)相應(yīng)的脈沖，檢測(cè)出單位時(shí)間的脈沖數(shù)，便可知被測(cè)轉(zhuǎn)速?；魻杺鞲袦y(cè)速裝置

10、示意圖如圖 5 所示。顯然不是裝置小鋼磁越多越好，在必須的條件準(zhǔn)許范圍內(nèi)，磁性轉(zhuǎn)盤上小鋼磁的數(shù)目越多，確定傳感器測(cè)量轉(zhuǎn)速的分辨率也越高，速度控制也越精確。普通 48 片是最好范圍。電機(jī)的位置檢測(cè)在電機(jī)控制中是十分重要的，特別是需要根據(jù)精確轉(zhuǎn)子位置控制電機(jī)運(yùn)動(dòng)狀態(tài)的應(yīng)用場(chǎng)合，如位置伺服系統(tǒng)。電機(jī)控制系統(tǒng)中的位置檢測(cè)通常有：微電機(jī)解算元件，光電元件，磁敏元件，電磁感應(yīng)元件等。這些位置檢測(cè)傳感器或者與電機(jī)的非負(fù)載端同軸連接，或者直接安裝在電機(jī)的特定的部位。其中光電元件的測(cè)量精度較高，能夠準(zhǔn)確的反應(yīng)電機(jī)的轉(zhuǎn)子的機(jī)械位置，從而間接的反映出與電機(jī)連接的機(jī)械負(fù)載的準(zhǔn)確的機(jī)械位置，從而達(dá)到精確控制電機(jī)位置的目

11、的。在本文中我將主要介紹高精度的光電編碼器的內(nèi)部結(jié)構(gòu)、工作原理與位置檢測(cè)的方法。一、光電編碼器的介紹：光電編碼器是通過(guò)讀取光電編碼盤上的圖案或編碼信息來(lái)表示與光電編碼器相連的電機(jī)轉(zhuǎn)子的位置信息的。根據(jù)光電編碼器的工作原理可以將光電編碼器分為絕對(duì)式光電編碼器與增量式光電編碼器，下面我就這兩種光電編碼器的結(jié)構(gòu)與工作原理做介紹。（一）、絕對(duì)式光電編碼器絕對(duì)式光電編碼器如圖所示，他是通過(guò)讀取編碼盤上的二進(jìn)制的編碼信息來(lái)表示絕對(duì)位置信息的。編碼盤是按照一定的編碼形式制成的圓盤。圖 1 是二進(jìn)制的編碼盤，圖中空白部分是透光的，用“睇表示；涂黑的部分是不透光的，用“俅表示。通常將組成編碼的圈稱為碼道，每個(gè)碼

12、道表示二進(jìn)制數(shù)的一位，其中最外側(cè)的是最低位，最里側(cè)的是最高位。如果編碼盤有4 個(gè)碼道，則由里向外的碼道分別表示為二進(jìn)制的 23、22、21 和 20,4 位二進(jìn)制可形成 16 個(gè)二進(jìn)制數(shù)，因此就將圓盤劃分 16 個(gè)扇區(qū)，每個(gè)扇區(qū)對(duì)應(yīng)一個(gè) 4 位二進(jìn)制數(shù)，如 0000、0001、1111。電機(jī)的位置檢測(cè)在電機(jī)控制中是十分重要的，特別是需要根據(jù)精確轉(zhuǎn)子位置控制電機(jī)運(yùn)動(dòng)狀態(tài)的應(yīng)用場(chǎng)合，如位置伺服系統(tǒng)。電機(jī)控制系統(tǒng)中的位置檢測(cè)通常有：微電機(jī)解算元件，光電元件，磁敏元件，電磁感應(yīng)元件等。這些位置檢測(cè)傳感器或者與電機(jī)的非負(fù)載端同軸連接，或者直接安裝在電機(jī)的特定的部位。其中光電元件的測(cè)量精度較高，能夠準(zhǔn)確的

13、反應(yīng)電機(jī)的轉(zhuǎn)子的機(jī)械位置，從而間接的反映出與電機(jī)連接的機(jī)械負(fù)載的準(zhǔn)確的機(jī)械位置，從而達(dá)到精確控制電機(jī)位置的目的。在本文中我將主要介紹高精度的光電編碼器的內(nèi)部結(jié)構(gòu)、工作原理與位置檢測(cè)的方法。一、光電編碼器的介紹：光電編碼器是通過(guò)讀取光電編碼盤上的圖案或編碼信息來(lái)表示與光電編碼器相連的電機(jī)轉(zhuǎn)子的位置信息的。根據(jù)光電編碼器的工作原理可以將光電編碼器分為絕對(duì)式光電編碼器與增量式光電編碼器，下面我就這兩種光電編碼器的結(jié)構(gòu)與工作原理做介紹。（一）、絕對(duì)式光電編碼器絕對(duì)式光電編碼器如圖所示，他是通過(guò)讀取編碼盤上的二進(jìn)制的編碼信息來(lái)表示絕對(duì)位置信息的。編碼盤是按照一定的編碼形式制成的圓盤。圖 1 是二進(jìn)制的編

14、碼盤，圖中空白部分是透光的，用“睇表示；涂黑的部分是不透光的，用“俅表示。通常將組成編碼的圈稱為碼道，每個(gè)碼道表示二進(jìn)制數(shù)的一位，其中最外側(cè)的是最低位，最里側(cè)的是最高位。如果編碼盤有4 個(gè)碼道，則由里向外的碼道分別表示為二進(jìn)制的 23、22、21 和 20,4 位二進(jìn)制可形成 16 個(gè)二進(jìn)制數(shù)，因此就將圓盤劃分 16 個(gè)扇區(qū)，每個(gè)扇區(qū)對(duì)應(yīng)一個(gè) 4 位二進(jìn)制數(shù)，如 0000、0001、1111。按照碼盤上形成的碼道配置相應(yīng)的光電傳感器，包括光源、透鏡、碼盤、光敏二極管和驅(qū)動(dòng)電子線路。當(dāng)碼盤轉(zhuǎn)到一定的角度時(shí)，扇區(qū)中透光的碼道對(duì)應(yīng)的光敏二極管導(dǎo)通，輸出低電平“0;遮光的碼道對(duì)應(yīng)的光敏二極管不導(dǎo)通，輸

15、出高電平“1:這樣形成與編碼方式一致的高、低電平輸出，從而獲得扇區(qū)的位置腳。（二）、增量式光電編碼器增量式光電編碼器是碼盤隨位置的變化輸出一系列的脈沖信號(hào)，然后根據(jù)位置變化的方向用計(jì)數(shù)器對(duì)脈沖進(jìn)行加/減計(jì)數(shù)，以此達(dá)到位置檢測(cè)的目的。它是由光源、透鏡、主光柵碼盤、鑒向盤、光敏元件和電子線路組成。增量式光電編碼器的工作原理是是由旋轉(zhuǎn)軸轉(zhuǎn)動(dòng)帶動(dòng)在徑向有均勻窄縫的主光柵碼盤旋轉(zhuǎn)，在主光柵碼盤的上面有與其平行的鑒向盤，在鑒向盤上有兩條彼此錯(cuò)開(kāi) 90o 相位的窄縫，并分別有光敏二極管接收主光柵碼盤透過(guò)來(lái)的信號(hào)。工作時(shí)，鑒向盤不動(dòng)，主光柵碼盤隨轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)，光源經(jīng)透鏡平行射向主光柵碼盤，通過(guò)主光柵碼盤和鑒向盤后

16、由光敏二極管接收相位差 90o 的近似正弦信號(hào)，再由邏輯電路形成轉(zhuǎn)向信號(hào)和計(jì)數(shù)脈沖信號(hào)。為了獲得絕對(duì)位置角，在增量式光電編碼器有零位脈沖，即主光柵每旋轉(zhuǎn)一周，輸出一個(gè)零位脈沖，使位置角清零。利用增量式光電編碼器可以檢測(cè)電機(jī)的位置和速度。二、光電編碼器的測(cè)量方法：光電編碼器在電機(jī)控制中可以用來(lái)測(cè)量電機(jī)轉(zhuǎn)子的磁場(chǎng)位置和機(jī)械位置以及轉(zhuǎn)子的磁場(chǎng)和機(jī)械位置的變化速度與變化方向。下面就我就光電編碼器在這幾方面的應(yīng)用方法做一下介紹。（一）、使用光電編碼器來(lái)測(cè)量電機(jī)的轉(zhuǎn)速可以利用定時(shí)器/計(jì)數(shù)器配合光電編碼器的輸出脈沖信號(hào)來(lái)測(cè)量電機(jī)的轉(zhuǎn)速。具體的測(cè)速方法有 M 法、T 法和 M/T法 3 種。M 法又稱之為測(cè)頻

17、法，其測(cè)速原理是在規(guī)定的檢測(cè)時(shí)間 Tc 內(nèi)，對(duì)光電編碼器輸出的脈沖信號(hào)計(jì)數(shù)的測(cè)速方法，如圖 2 所示，例如光電編碼器是 N 線的，則每旋轉(zhuǎn)一周可以有 4N 個(gè)脈沖，因?yàn)閮陕访}沖的上升沿與下降沿正好使編碼器信號(hào) 4 倍頻。現(xiàn)在假設(shè)檢測(cè)時(shí)間是 Tc,計(jì)數(shù)器的記錄的脈沖數(shù)是 M1,則電機(jī)的每分鐘的轉(zhuǎn)速為*友.一二.圖2M法測(cè)速原理.編碼器服中借號(hào)-TLTLrLTLZJTrLTL_r時(shí)鐘脈沖信號(hào)圖31法測(cè)速原理在實(shí)際的測(cè)量中，時(shí)間 Tc 內(nèi)的脈沖個(gè)數(shù)不一定正好是整數(shù)，而且存在最大半個(gè)脈沖的誤差。如果要求測(cè)量的誤差小于規(guī)定的范圍，比如說(shuō)是小于百分之一，那么 M1 就應(yīng)該大于 50。在一定的轉(zhuǎn)速下要增大檢

18、測(cè)脈沖數(shù) M1 以減小誤差，可以增大檢測(cè)時(shí)間 Tc 單考慮到實(shí)際的應(yīng)用檢測(cè)時(shí)間很短，例如伺服系統(tǒng)中的測(cè)量速度用于反饋控制，一般應(yīng)在 0.01 秒以下。由此可見(jiàn)，減小測(cè)量誤差的方法是采用高線數(shù)的光電編碼器。M 法測(cè)速適用于測(cè)量高轉(zhuǎn)速，因?yàn)閷?duì)于給定的光電編碼器線數(shù) N 機(jī)測(cè)量時(shí)間 Tc 條件下,轉(zhuǎn)速越高，計(jì)數(shù)脈沖 M1 越大，誤差也就越小。T 法也稱之為測(cè)周法，該測(cè)速方法是在一個(gè)脈沖周期內(nèi)對(duì)時(shí)鐘信號(hào)脈沖進(jìn)行計(jì)數(shù)的方法，如圖 3 所示。例如時(shí)鐘頻率為 fclk,計(jì)數(shù)器記錄的脈沖數(shù)為 M2,光電編碼器是 N 線的,每線輸出 4N 個(gè)脈沖，那么電機(jī)的每分鐘的轉(zhuǎn)速為為了減小誤差，希望盡可能記錄較多的脈沖數(shù)

19、，因此 T 法測(cè)速適用于低速運(yùn)行的場(chǎng)合。但轉(zhuǎn)速太低，一個(gè)編碼器輸出脈沖的時(shí)間太長(zhǎng)，時(shí)鐘脈沖數(shù)會(huì)超過(guò)計(jì)數(shù)器最大計(jì)數(shù)值而產(chǎn)生溢出；另外，時(shí)間太長(zhǎng)也會(huì)影響控制的快速性。與 M 法測(cè)速一樣，選用線數(shù)較多的光電編碼器可以提高對(duì)電機(jī)轉(zhuǎn)速測(cè)量的快速性與精度。M/T 法測(cè)速是將 M 法和 T 法兩種方法結(jié)合在一起使用，在一定的時(shí)間范圍內(nèi)，同時(shí)對(duì)光電編碼器輸出的脈沖個(gè)數(shù) M1 和 M2 進(jìn)行計(jì)數(shù)，則電機(jī)每分鐘的轉(zhuǎn)速為口_網(wǎng)加實(shí)際工作時(shí)，在固定的 Tc 時(shí)間內(nèi)對(duì)光電編碼器的脈沖計(jì)數(shù)，在第一個(gè)光電編碼器上升沿定時(shí)器開(kāi)始定時(shí)，同時(shí)開(kāi)始記錄光電編碼器和時(shí)鐘脈沖數(shù)，定時(shí)器定時(shí) Tc 時(shí)間到，對(duì)光電編碼器的脈沖停止計(jì)數(shù)，而

20、在下一個(gè)光電編碼器的上升沿到來(lái)時(shí)刻，時(shí)鐘脈沖才停止記錄。采用 M/T 法既具有 M 法測(cè)速的高速優(yōu)點(diǎn)， 又具有 T 法測(cè)速的低速的優(yōu)點(diǎn)， 能夠覆蓋較廣的轉(zhuǎn)速范圍， 測(cè)量的精度也較高，在電機(jī)的控制中有著十分廣泛的應(yīng)用。（二）使用增量式光電編碼器來(lái)判別電機(jī)轉(zhuǎn)速方向的原理增量式光電編碼器輸出兩路相位相差 90o 的脈沖信號(hào) A 和 B,當(dāng)電機(jī)正轉(zhuǎn)時(shí)，脈沖信號(hào) A 的相位超前脈沖信號(hào) B 的相位 90o,此時(shí)邏輯電路處理后可形成高電平的方向信號(hào) Dir。當(dāng)電機(jī)反轉(zhuǎn)時(shí)，脈沖信號(hào) A 的相位滯后脈沖信號(hào) B 的相位 90o,此時(shí)邏輯電路處理后的方向信號(hào) Dir 為低電平。因此根據(jù)超前與滯后的關(guān)系可以確定電

21、機(jī)的轉(zhuǎn)向。其轉(zhuǎn)速辯相的原理如圖 4 所示圖 4 轉(zhuǎn)向判別原理圖（三）、增量式光電編碼器的反饋脈沖的四倍頻原理在使用增量式編碼器時(shí)，通過(guò)計(jì)相位相差 900 的兩路正交脈沖信號(hào) A 和 B 的上升沿與下降沿已達(dá)到將增量式編碼器的反饋脈沖四倍頻的目的。這樣在不增加增量式光電編碼器的線數(shù)的情況下，就可以獲得更精度高的位置脈沖信息，以實(shí)現(xiàn)對(duì)電機(jī)位置的精確控制。其工作原理與脈沖的相位關(guān)系如圖 5 所示圖片看不清楚？請(qǐng)點(diǎn)擊這里查看原圖（大圖）。圖 5 脈沖四倍頻相位關(guān)系圖結(jié)束語(yǔ)：光電式編碼器有著良好的抗干擾特性與應(yīng)用的可靠性，在電機(jī)控制這種有著極高電磁感染的應(yīng)用環(huán)境下有著廣闊的應(yīng)用前景。相信在不久的將來(lái)光電

22、式編碼器一定會(huì)在電機(jī)控制領(lǐng)域發(fā)揮更為重要的作用。而我們對(duì)于光電式編碼器的研究也就顯得格外的重要。：icili：I_J_JI11i1I|1l_J141irqj-：i_Lj-i:i；iJj_|；iji_1I_iJjJ:1:11_IIIH4il!IiiIlliI11111Il串iIRiii-nMMnMiiNii-1i-r=Ti.ULLJLJ11V1F*1!llLL11X_LQEAU3X實(shí)驗(yàn)一增量式碼盤原理及應(yīng)用一、實(shí)驗(yàn)?zāi)康模?、掌握光電編碼器的工作原理與使用方法。2、掌握 T 法測(cè)速的基本原理。二、實(shí)驗(yàn)設(shè)備：1、EM400 教學(xué)設(shè)備一臺(tái)。2、計(jì)算機(jī)一臺(tái)。3、雙蹤不波器一臺(tái)。三、實(shí)驗(yàn)原理：（一）光電編

23、碼器的工作原理以最常用的增量式光電編碼器說(shuō)明其原理（如圖 1-1）圖 1-1 增量式光電編碼器的工作原理1 發(fā)光二極管 2 光電圓盤 3 轉(zhuǎn)盤縫隙 4 遮光板 ABC 光敏元件光電圓盤與被測(cè)軸連接，光線通過(guò)光電圓盤和遮光板的縫隙，在光電元件上形成明暗交替變化的條紋，在 A、B 光敏元件上產(chǎn)生近似于正弦波的電流信號(hào)，經(jīng)放大整形電路變成相位相差 90。的方波信號(hào)，如圖 1-2 所示。軸每轉(zhuǎn)動(dòng)一圈，只產(chǎn)生一個(gè) C 相脈沖,用做參考零位的標(biāo)志脈沖，在數(shù)控機(jī)床的進(jìn)給控制中，C 相脈沖用來(lái)產(chǎn)生機(jī)床的基準(zhǔn)點(diǎn)。A 相和 B 相的相位差可用作電機(jī)的旋轉(zhuǎn)方向判別，若 A 相超前于 B 相，對(duì)應(yīng)電機(jī)作正向運(yùn)動(dòng)；反之

24、，對(duì)應(yīng)電機(jī)作反向運(yùn)動(dòng)。該方波的前沿或后沿產(chǎn)生的計(jì)數(shù)脈沖，可以形成代表正向和反向位置的脈沖序列。此外，在實(shí)際應(yīng)用中，為了提高編碼器信號(hào)的傳輸能力和抗干擾能力，每一相都以差分形式輸出，如 A 相有 A 和 A/一起差動(dòng)輸出。圖 1-2 光電編碼器輸出波形（二）編碼器測(cè)速原理:在閉環(huán)伺服系統(tǒng)中，根據(jù)脈沖計(jì)數(shù)來(lái)測(cè)量轉(zhuǎn)速的方法有以下三種：（1）在規(guī)定時(shí)間內(nèi)測(cè)量所產(chǎn)生的脈沖個(gè)數(shù)來(lái)獲得被測(cè)速度，稱為 M 法測(cè)速；（2）測(cè)量相鄰兩個(gè)脈沖的時(shí)間來(lái)測(cè)量速度，稱為 T 法測(cè)速；（3）同時(shí)測(cè)量檢測(cè)時(shí)間和在此時(shí)間內(nèi)脈沖發(fā)生器發(fā)出的脈沖個(gè)數(shù)來(lái)測(cè)量速度，稱為 M/T 法測(cè)速。以上三中測(cè)速方法中，M 法適合于測(cè)量較高的速度，

25、能獲得較高分辨率；T 法適合于測(cè)量較低的速度，這時(shí)能獲得較高的分辨率；而 M/T 法則無(wú)論高速低速都適合測(cè)量。由于 PMAC 控制器采用的是 T 法測(cè)速，所以以下只對(duì) T 法測(cè)速進(jìn)行介紹。T 法測(cè)速的原理是用一已知頻率fc（此頻率一般都比較高）的時(shí)鐘脈沖向一計(jì)數(shù)器發(fā)送脈沖，計(jì)數(shù)器的起停由碼盤反饋的相鄰兩個(gè)脈沖來(lái)控制，原理圖見(jiàn)圖 1-3。若計(jì)數(shù)器讀數(shù)為m15則電機(jī)每分鐘轉(zhuǎn)速為圖 1-3T 法測(cè)速原理其中 P 為碼盤一圈發(fā)出的脈沖個(gè)數(shù)即碼盤線數(shù)。m=M106-Y:$C000,0,24,U 為脈沖個(gè)數(shù)fc=10MHz（注意：此時(shí)需設(shè)置 PMAC 卡上的跳線 E34A=OFF,E34=ON,E35,E

26、36,E37=OFF）測(cè)速分辨率：當(dāng)對(duì)應(yīng)轉(zhuǎn)速由n1變?yōu)閚2時(shí)則分辨率 Q 的定義為 Q=n2-n1，Q 值越小說(shuō)明測(cè)量裝置對(duì)轉(zhuǎn)速變化越敏感即分辨率越高。因此可以得到 T 法測(cè)速的分辨率為Q=60fc/Pm1-60fc/P（m1+1）=n2MP/（60fc+nMP）（2）由上式可見(jiàn)隨著轉(zhuǎn)速nM的降低，Q值越小，即T法測(cè)速在低速時(shí)有較高的分辨率。編碼器反饋豚沖編碼器反饋豚沖時(shí)鐘脈沖時(shí)鐘脈沖f，nM=60fc/pm1(r/min)IIIB四、注意事項(xiàng)：1、按要求正確接線。2、正確使用雙蹤示波器。3、編碼器是精密的光電元件，應(yīng)避免強(qiáng)烈振動(dòng)。五、實(shí)驗(yàn)內(nèi)容與步驟：內(nèi)容一：編碼器辨向及 T 法測(cè)速實(shí)驗(yàn)1、將

27、 EM400 控制柜的所有電纜同 X-Y 平臺(tái)連接好（包括電機(jī)動(dòng)力線、碼盤反饋線、限位回零線、光柵反饋線），將 EM400 控制柜的串口與計(jì)算機(jī)的串口連接好，確定無(wú)誤后打開(kāi)控制箱電源和計(jì)算機(jī)電源。2、調(diào)整好示波器，將其中一路連接到 X 軸的 A+和 GND 上，將另一路連接到 B+和GND 上準(zhǔn)備觀察。3、運(yùn)行 PEWIN32PRO32pro 軟件，分別點(diǎn)擊 VIEW 菜單下的 positionWatchwindow、JogRibbon 子菜單，打開(kāi)位置窗口、監(jiān)視窗口和手動(dòng)（Jog）控制窗口。4、在 Terminal 窗口中定義 M106-Y:$C000,0,24,U，用鼠標(biāo)點(diǎn)擊監(jiān)視窗口，按

28、INSERT 鍵，加入 M106 變量對(duì)它進(jìn)行監(jiān)視，m1=M106 存放的即相鄰兩個(gè)脈沖之間計(jì)數(shù)器的讀數(shù)。5、在 JogRibbon 窗口選擇 1 號(hào)電機(jī)（對(duì)應(yīng) X 軸）。6、分別按“Jogminus、Jogplus 按鈕讓 X 軸電機(jī)來(lái)回運(yùn)動(dòng)起來(lái)，在運(yùn)動(dòng)的同時(shí)注意查看以下幾個(gè)地方：M106的數(shù)值，示波器中雙路波形之間的相位關(guān)系，并在數(shù)值穩(wěn)定后做相應(yīng)記錄，填寫(xiě)表 1-1（注意為了不讓工作臺(tái)超出行程范圍，可以先讓工作臺(tái)處在中間位置，然后交替按Jogminus、Jogplus按鈕）。7、 X軸電機(jī)停轉(zhuǎn)后， 在Terminal窗口鍵入I122=10并回車，（I122為X軸手動(dòng)速度， 單位cts/ms

29、,I122*1000*60/P后單位變?yōu)檗D(zhuǎn)/分，其中 P 為碼盤反饋線數(shù)），重復(fù)步驟 6。然后將 I122 的數(shù)值逐步增大，幅度為 510。再次重復(fù)步驟 6 兩次后填寫(xiě)表 1-2。8、總結(jié)觀測(cè)到的數(shù)據(jù)得出相應(yīng)的結(jié)論。內(nèi)容二：編碼器倍頻譯碼1、接上一實(shí)驗(yàn)，將 X 方向平臺(tái)運(yùn)行到中間位置。2、 在 JogRibbon 窗口中選中 JogIncrementally,在 increment 后的文本框中輸入 10000,按“Jogminus 或法Jogplus 向 X 軸電機(jī)發(fā)送 10000 個(gè)計(jì)數(shù)，讓電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)，并查看工作臺(tái)移動(dòng)的距離或電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)圈數(shù)。3、在 Terminal 窗口中鍵入“I900 查看

30、 X 軸電機(jī)碼盤譯碼方式及倍頻關(guān)系，當(dāng) I900 為 3 或 7 時(shí)，編碼器經(jīng)過(guò)了4 倍頻譯碼（假設(shè)電機(jī)編碼器反饋到 PMAC 的線數(shù)為 2500線，則電機(jī)轉(zhuǎn)一圈需要 2500*4=10000 個(gè)指令脈沖）。4、將 I900 號(hào)參數(shù)改為 2 或 6（注意如果原來(lái)為 3 就改成 2,原來(lái)為 7 就改為 6,切不可搞錯(cuò)，否則電機(jī)將因?yàn)榫幋a器譯碼方向錯(cuò)誤而開(kāi)環(huán)失去控制），使 X 軸碼盤的譯碼方式變成 2 倍頻正交譯碼。5、重復(fù)步驟 2,讓電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)并記錄工作臺(tái)移動(dòng)距離或電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)圈數(shù)。6、將 I900 號(hào)參數(shù)改為 1 或 5（注意如果原來(lái)為 2 就改成 1,原來(lái)為 6 就改為 5,切不可搞錯(cuò)，理由同步驟

31、 7）,使 X 軸碼盤的譯碼方式變成 1 倍頻正交譯碼。7、重復(fù)步驟 2,讓電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)并記錄工作臺(tái)移動(dòng)距離或電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)圈數(shù)，填寫(xiě)表 1-3。內(nèi)容三：編碼器 C 信號(hào)作用1、在 PEWIN32PROTerminal 窗口鍵入I902=1,選擇編碼器 C 信號(hào)上升沿進(jìn)行回原點(diǎn)（此時(shí)，I903 的值被忽略）。2、將 X 軸平臺(tái)運(yùn)行到中央，按 JogRibbon 窗口中的 home 按鈕，將 X 軸回到原點(diǎn)，觀察工作臺(tái)是否能在行程中間停止。若工作臺(tái)能自行停止，則表示其能回到原點(diǎn)，此時(shí)請(qǐng)記錄原點(diǎn)位置。在 PEWIN32PROTerminal 窗口鍵入I123（回原點(diǎn)的速度），查看 X 軸回原點(diǎn)的速度并記錄。

32、3、只更改 I123 的符號(hào)，重復(fù)步驟 2。4、更改 I123 的值和符號(hào)，再次重復(fù)步驟，并觀察回原點(diǎn)的結(jié)果與 I123 的值和符號(hào)有何關(guān)系？實(shí)驗(yàn)二半閉環(huán)系統(tǒng) PID 調(diào)整一、實(shí)驗(yàn)?zāi)康模?、理解 PID 調(diào)整對(duì)系統(tǒng)的意義。2、理解 P、I、D 參數(shù)的含義。3、掌握控制環(huán)調(diào)整的方法和步驟。4、掌握控制環(huán)特性的評(píng)估方法。二、實(shí)驗(yàn)設(shè)備：1、 EM400 教學(xué)設(shè)備一臺(tái)。2、 計(jì)算機(jī)一臺(tái)。3、 Pewin32Pro 軟件。三、實(shí)驗(yàn)原理：一旦機(jī)電模型確定后，為了達(dá)到穩(wěn)定、快速、準(zhǔn)確的控制效果，所有的閉環(huán)控制系統(tǒng)都要對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行校正，如果不對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行任何校正是很難達(dá)到滿意的控制效果的?，F(xiàn)在校正的方式方法很多，

33、但使用的最普遍的還是 PID 反饋控制+前饋控制，PID 校正用于反饋通道上，而前饋控制用于前向通道上。增大比例系數(shù) P 將加快系統(tǒng)的響應(yīng)，它的作用于輸出值較快，能有效的克服擾動(dòng)的影響，但不能消除誤差，且過(guò)大的比例系數(shù)會(huì)使系統(tǒng)有比較大的超調(diào)，并產(chǎn)生振蕩，使穩(wěn)定性變壞。積分能在比例的基礎(chǔ)上消除誤差。微分具有超前作用，它可以使系統(tǒng)超調(diào)量減小，穩(wěn)定性增加，對(duì)于提高系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)性能指標(biāo)，有著顯著效果。PMAC 卡為用戶提供了 PID+速度/加速度前饋+NOTCH 濾波的控制環(huán)算法， 能夠滿足大部分應(yīng)用場(chǎng)合的要求，用戶可以根據(jù)自己系統(tǒng)的要求來(lái)調(diào)整其中的相關(guān)參數(shù)。PMAC 控制算法的原理如圖 2-1 所示。

34、.比例（1X30Kd:E 升隼甘工工 N1）建崖解微墻言注 21：和分*最（1X33）rM異耀式（我 3 如%：加速度前俄增最 m&i博二位置 （速度1反僚通籬是同第一位置反修圖 2-1PMAC 控制算法的原理圖中的 Kp、Kd、Kvff、KI、IM、Kaff 是 PMAC 控制器的 PID+速度/加速度前饋調(diào)節(jié)器的參數(shù)，通過(guò)調(diào)節(jié)這些參數(shù)能夠解決大部分的系統(tǒng)特性問(wèn)題，這些參數(shù)的含義、作用及調(diào)整范圍如表 2-1 和表 2-2 所不表 2-1PID 參數(shù)變量參數(shù)作用調(diào)整值域數(shù)值影響IX30P 參數(shù)， 比例增益提供系統(tǒng)所需的剛性（快速性）-83886088388607缺省為 2000數(shù)值越大

35、，系統(tǒng)剛性越好，但太大會(huì)產(chǎn)生振蕩。 太小系統(tǒng)會(huì)反應(yīng)遲緩。IX33I 參數(shù)，積分增益用于消除穩(wěn)態(tài)誤差（準(zhǔn)確性）08388607缺省為 1280與 IX63 時(shí)間積分誤差有關(guān)；如果輸出飽滿，IX33 無(wú)效。IX34積分模式?jīng)Q定積分增益是全程肩效還是只在速度為 0 時(shí)才后效0缺省為 1IX34=0 積分增益全程有效IX34=1 積分增益只在速度為 0時(shí)后效IX31D 參數(shù)， 微分增益用于提供足夠的阻尼以保證系統(tǒng)穩(wěn)定（穩(wěn)定性）-83886088388607缺省為 1280數(shù)值越大，阻尼越大，系統(tǒng)越穩(wěn)定表 2-2 前饋參數(shù)變量參數(shù)作用調(diào)整值域數(shù)值影響IX32速度前饋減小由于微分增益的引入所引起的跟隨誤差

36、08388607缺省為 1280對(duì)電流環(huán)，IX32 應(yīng)等于或略大于 IX31o 對(duì)速度環(huán)，IX32 應(yīng)遠(yuǎn)大于 IX31oIX35加速度前饋減小由于系統(tǒng)慣性所帶來(lái)的跟隨誤差08388607缺省為 0反應(yīng)滯后特別明顯時(shí)，增加 IX35表 2-3 其他相關(guān)參數(shù)變量參數(shù)作用調(diào)整值域數(shù)值影響IX29模擬量輸出偏差校正 PMACJ模擬量輸出與放大器模擬輸入之間的誤差-3276832767缺省為 0數(shù)值上應(yīng)與修正電壓計(jì)的模擬輸出相等IX69模擬量輸出極限用于限制 PMAC中模擬量輸出的大小032767缺省為 20480如果控制環(huán)送出的模擬量大于該值， 則模擬量輸出大小將被它限制Pewin32Pro 軟件為用戶提供了調(diào)節(jié)的工具，即可使用自動(dòng)調(diào)整 PID 參數(shù)的功能，又可手動(dòng)輸入?yún)?shù)，通過(guò)分析系統(tǒng)的階躍響應(yīng)和正弦曲線響應(yīng)來(lái)評(píng)估系統(tǒng)特性，其中階躍響應(yīng)曲線用于評(píng)估 PID 參數(shù)得調(diào)整，正弦曲線響應(yīng)用來(lái)評(píng)估前饋參數(shù)的調(diào)整。以下簡(jiǎn)要的說(shuō)明手動(dòng)調(diào)節(jié) PID 參數(shù)的指導(dǎo)原則。運(yùn)行 Pewin32Pro 軟件后， 點(diǎn)擊 Tool 菜單下的 Pmactun