玩转电机驱动——A4950闭环驱动直流减速电机（Arduino）
时间：2023-05-27 06:07:00
玩电机驱动——A4950闭环驱动直流减速电机（Arduino）
前言
闭环控制是通过编码器获取电机转速，然后使用PI控制电机转速保持在设定值的控制方法。不使用速度闭环D微分项。
提示：本文参考平衡车之家https://blog.csdn.net/chrnhao/article/details部分内容/11263953
一、PWM信号
PWM（Pulse Width Modulation）脉冲宽度调制，PWM波形是一个低电平组成的数字输出信号。在惯性系统中，通过调节一系列脉冲的宽度，可以有效地获得所需的模拟参数，通常用于电机控速等领域。
使用PWM波形等效地实现模拟信号输出。PWM秘诀是世界武功只快不破，只要闪得快，就找不到是闪187亮，还是亮度正常稳定。PWM应用程序需要惯性系统，LED熄灭时，由于余晖和人眼视觉暂留，LED它不会立即熄灭，但有一定的惯性，短时间后会熄灭；当电机断电时，电机不会立即停止，而是有一定的惯性，一段时间后停止。
从下图可以看出，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，等效模拟量偏高，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PID一般分为两种，一种叫位置式PID，一种称为增量式(速度)PID。
位置式PID一般用于倒立摆、平衡车等，使参数准确到达指定的静态状态，如使电机准确转动90度。
增量式PID用于使动态变量尽可能稳定地保持在设定的目标值中。如果你想让汽车以准确的匀速行驶，那就是让每个车轮的速度稳定在设定的目标值中。
对于直流减速电机，如果你想启动电机并调整电机的速度，你需要让单片机生成PWM脉冲输入电机驱动器（L298N、DRV8848、TB6612、A4950等）。而PWM一个极其重要的参数是占空比。不同的占空比对应电机的不同速度，占空比100%，电机全速旋转，占空比0%，电机停止。例如，我们的电机全速为333 RPM(转每分)我们希望电机以半速运动，即166.5 RPM，我们的PWM占空比设置为50%，但实际操作时，转速难以达到并保持166.5 RPM，150或170 RPM，无论如何，它不会维持166.5 RPM，此时需要使用闭环算法(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具有不同的电机转速，编码器输出不同的脉冲。单片机通过读取编码器输出的脉冲边缘（上升、下降、上升和下降）来获得转速。
循环：
(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控制器将计算一个用于将直流减速电机调整到目标速度的控制器PWM值；
(3)计算PWM将值输出直流电机，调整直流电机转速；
(4)再读取直流电机转速，传递给单片机。
四、PI控制器
所讲的PI控制器是一个函数，输入当前速度和目标速度的误差，输出是调整速度所需的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： 我们需要调整这三个参数，并根据不断的测试调整得到一组最佳值；
e(k) :这个误差
e(k-1)：上次误差
e(k-2)：上上次误差
增量式(速度)PID我们只需要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实现控制器代码：
///定义一回值为整形手术的函Incremental_PI，输入是两个整形变量 Encoder，Target (Encoder代表编码器测量的当前速度，Target代表目标速度)int Incremental_PI (int Encoder, int Target){ float Bias; //浮点变量Bias (本次偏差) static float PWM, Last_bias; // 两个全球浮点静态变量: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
