📄 寻迹小车 followme—— 之六：电机驱动部分调试.htm
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<TD class=article-top style="BACKGROUND-COLOR: #e0e0e0"
width="99%">寻迹小车 FollowMe—— 之六：电机驱动部分调试<BR><SPAN
class=smalltype>写于： 星期一 04 九月 @ 03:29:59 </SPAN></TD></TR>
<TR>
<TD></TD></TR>
<TR>
<TD><A
href="http://www.robotdiy.com/topics.php?op=viewtopic&topic=4"><IMG
height=77 alt=智能机器人开发 hspace=4
src="寻迹小车 FollowMe—— 之六：电机驱动部分调试.files/robot_hardware.gif"
width=40 align=right
border=0></A><I>电机驱动部分程序已全部编完，进入实际调试阶段，为了便于调试，在PC机上编写了一个测试程序，以实现发送PWM控制值、转速控制值，以及设置PWM频率、PID参数，使调试的过程更方便。</I>
<BR><BR>
<P>
<H1 align=center>寻迹小车 FollowMe</H1>
<H2 align=center>—— 之六：电机驱动部分调试</H2>
<P align=center>作者：<A
href="http://www.robotdiy.com/phpbb2/profile.php?mode=viewprofile&u=3954"
target=_blank>Hanker</A></P>
<P align=left>前面的章节：</P>
<OL>
<LI><A
href="http://www.robotdiy.com/article.php?sid=261"
target=_blank>车的主体</A>；
<LI><A
href="http://www.robotdiy.com/article.php?sid=262"
target=_blank>控制部分中的电机驱动器设计</A>；
<LI><A
href="http://www.robotdiy.com/article.php?sid=263"
target=_blank>轨迹采样及逻辑控制部分硬件设计</A>；
<LI><A
href="http://www.robotdiy.com/article.php?sid=264"
target=_blank>开环控制功能</A>；
<LI><A
href="http://www.robotdiy.com/article.php?sid=265"
target=_blank>电机测速及转速控制</A>； </LI></OL>
<H2>6.2 电机驱动模块调试</H2>
<H3>6.2.1 调试前准备</H3>
<P>电机驱动部分程序已全部编完，进入实际调试阶段，为了便于调试，在PC机上编写了一个测试程序，以实现发送PWM控制值、转速控制值，以及设置PWM频率、PID参数，使调试的过程更方便。</P>
<P>由于电机驱动部分支持了转速测量的功能，为了在调试中能直观的看到转速的变化，增加一个读转速命令，命令帧格式如下：<BR><EM>0x55
0xAA 0x02（帧长） 0x04 (读转速命令) 电机序号（1字节）校验和（1字节）</EM></P>
<P>返回帧为：<BR><EM>0xAA 0x55 0x04（帧长） 0x84 (转速值返回)
电机序号（1字节）转速（2字节）校验和（1字节） </EM></P>
<P>其中：<BR><STRONG>电机序号</STRONG> ——
从1开始；<BR><STRONG>转速值</STRONG> ——
2字节有符号数，正对应正转，负对应反转，单位为：0.1转/每分钟；<BR><STRONG>校验和</STRONG>
—— 从命令字开始到数据区结束所有字节的算术和的反码，取低字节。</P>
<P>PC机调试界面如下：</P>
<P><IMG height=433
src="寻迹小车 FollowMe—— 之六：电机驱动部分调试.files/Debug_Interface.jpg"
width=772> </P>
<P>按下“读取”按钮后程序每秒读一次速度值并显示，再按则停止读取。</P>
<P>在单片机程序中也要加入相应的程序。见程序附件。
<H3></H3>
<P></P>
<P>利用上述程序实现了参数设置和转速读取的功能，但是对于小车这类移动性的应用，使用有线的方式通讯将给调试带来困难，因为小车自身重量和动力都有限，如果拖上一根通讯电缆，将影响小车的运动，使得调试时观察的结果大打折扣。而且运动范围也受到影响，可能无法实现调试的目的，因为小车还没有运动到稳态就被电缆拖住了。</P>
<P>所以上述调试软件如果要切实发挥作用，还必须有一个无线的信道，而且要是使用串口的，否则单片机很难支持（或者要花费较大精力），成本还不能高。</P>
<P>正巧找到了一个低价的无线收发模块，加了一片单片机控制，构成了一个无线串口转换器。这个转换器对于通讯的双方而言是“透明”的，与原来有线通讯一样，只是中间有些延时。</P>
<P>因为目前笔记本电脑很少有串口了，所以在这个转发器上设计了USB转串口的功能，提供一个TTL电平的串口，这一方面为无线转发器接入PC提供了方便，另一方面为STC12系列单片机提供了一个USB口的ISP（在线编程器），为那些没有串口的PC机学习者提供了方便。</P>
<P>串口无线转发器的功能示意如下：</P>
<P><IMG height=140
src="寻迹小车 FollowMe—— 之六：电机驱动部分调试.files/Robot_Wireless_Communication.gif"
width=647> </P>
<P>转发器的内部结构如下：(点击看大图)<BR><A
href="http://www.robotdiy.com/images/FollowMe_robot/USB2Wireless.jpg"><IMG
height=180
src="寻迹小车 FollowMe—— 之六：电机驱动部分调试.files/USB2Wireless_mini.jpg"
width=240 border=0></A> </P>
<P>作为PC机侧的串口无线转发应用模式如下：(点击看大图)<BR><A
href="http://www.robotdiy.com/images/FollowMe_robot/USB2Wireless_Box.jpg"><IMG
height=180
src="寻迹小车 FollowMe—— 之六：电机驱动部分调试.files/USB2Wireless_Box_mini.jpg"
width=240 border=0></A> </P>
<P>作为单片机侧的串口无线转发应用模式如下：(点击看大图)<BR><A
href="http://www.robotdiy.com/images/FollowMe_robot/Wireless_MCU.jpg"><IMG
height=180
src="寻迹小车 FollowMe—— 之六：电机驱动部分调试.files/Wireless_MCU_mini.jpg"
width=240 border=0></A> </P>
<P>作为STC12系列单片机ISP（在线编程）使用如下：(点击看大图)<BR><A
href="http://www.robotdiy.com/images/FollowMe_robot/Wireless_MCU_02.jpg"><IMG
height=180
src="寻迹小车 FollowMe—— 之六：电机驱动部分调试.files/Wireless_MCU_02_mini.jpg"
width=240 border=0></A> </P>
<P>对于PC机侧，使用USB口入（在PC机内虚拟为一个串口，程序按串口控制），无线出。对于单片机（小车）侧，使用TTL电平串口信号入，无线出。</P>
<P>目前所做的转发器为固定波特率，串口为 19200bps 8
N1，无线为19200bps。因为使用的也是STC12系列单片机控制，所以修改很方便，自身的USB转换器就可以为自己编程。</P>
<P>这个串口无线转发器对于调试移动类的机器人项目应当很有帮助，拿最常见的轨迹项目来说，如果能在调试时不断返回小车的速度、控制状态、采集的信号，我想调试者也不用一次次盲目地改变参数。在走线失败的情况下，也不至于靠猜测的原因来修改程序了。</P>
<H3>6.2.2 调试步骤</H3>
<OL>
<LI>调试测速脉冲输入 ——
确定采样器的位置和对应电路中的参数，以使输入MCU的脉冲信号尽量为50%占空比；
<LI>调试几个特定PWM值下的PWM频率 —— 确定针对所用电机的最佳PWM频率。
<LI>调试不同PWM值的电机转动状态 ——
分成空载和有载测试，根据转速变化和运动状态确定双极性驱动、受限单极性驱动的转换点。
<LI>测试不同PWM值命令的转速变化 ——
为PID参数设置做准备，可能要增加一个连续返回转速的功能，通过PC机来计算出转速变化的飞升曲线。
<LI>根据《电动机的单片机控制》书中4.4节所描述的“经验法”确定PID参数。观察效果。因为各方面的客观条件制约，所以这个PID参数调试过程主要是感受一下三个参数给最终结果带来的影响。
</LI></OL>
<H3>6.2.3 调试记录</H3>
<P>电机驱动器内部结构如下：(点击看大图)<BR><A
href="http://www.robotdiy.com/images/FollowMe_robot/Controller_HBridge.jpg"><IMG
height=180
src="寻迹小车 FollowMe—— 之六：电机驱动部分调试.files/Controller_HBridge_mini.jpg"
width=240 border=0></A> </P>
<P>电机驱动器外形：(点击看大图)<BR><A
href="http://www.robotdiy.com/images/FollowMe_robot/Controller_HBridge_Box.jpg"><IMG
height=180
src="寻迹小车 FollowMe—— 之六：电机驱动部分调试.files/Controller_HBridge_Box_mini.jpg"
width=240 border=0></A> </P>
<H3>6.2.3.1 码盘采样调试</H3>
<P>码盘安装：(点击看大图)<BR><A
href="http://www.robotdiy.com/images/FollowMe_robot/Encoder_Installation.jpg"><IMG
height=180
src="寻迹小车 FollowMe—— 之六：电机驱动部分调试.files/Encoder_Installation_mini.jpg"
width=240 border=0></A> </P>
<P>采样器输入波形：(点击看大图)<BR><A
href="http://www.robotdiy.com/images/FollowMe_robot/Wave_01.jpg"><IMG
height=195
src="寻迹小车 FollowMe—— 之六：电机驱动部分调试.files/Wave_01_mini.jpg"
width=240 border=0></A> </P>
<P><BR>从输入波形（码盘采样电路中U5的2脚）看，输入的电压最大值3.16V，最小值1.88V，中心值为
2.52V，VCC为3.3V，由此可算出，比较器的判断中值应该为0.76VCC，这样可以得到：</P>
<P>R5 = 10k, R6 = 33k</P>
<P>根据信号的幅度（2.52 +/-
0.6V）可以将比较器的回差定为0.3V，即输入上升时大于2.8V、下降时小于2.2V时输出发生翻转。</P>
<P>根据上限计算：R7 = 14.39k —〉15k，<BR>根据下限计算：R7 = 50k, </P>
<P>因为上下分压电阻的差异，所以导致不对称，同样的电阻，对上限的作用小，下限的作用大，用适当抬高判断的中心值来弥补，即将R6
改为43k， R7 选用 43k，根据这个值计算出实际的上下限为：</P>
<P>上限 = 2.78V ； 下限 = 2.28V</P>
<P>基本符合所期望的值。<BR>按上述参数焊接的电路结果如下：(点击看大图)<BR></P>
<P><A
href="http://www.robotdiy.com/images/FollowMe_robot/Wave_02.jpg"><IMG
height=196
src="寻迹小车 FollowMe—— 之六：电机驱动部分调试.files/Wave_02_mini.jpg"
width=240 border=0></A> </P>
<P>上图中蓝色为输入波形，黄色为比较器输出波形（U5
的1脚），即输入到单片机的信号。注意两道蓝色横线所对应的电平，上面一根电压为2.92V，对应输入信号上升的转换点（即上限），下面一根电压为2.28V，对应输入信号下降的转换点（即下限），和前面的计算基本一致。（输入中的蓝色毛刺信号可能是测量时接触不良带来的，也可能是电机的干扰）。</P>
<H3>6.2.3.2 电机PWM控制调试</H3>
<P>因为衡量PWM的效果需要测量速度，而测速时出现以下问题：</P>
<P>在测量转速中发现，转速有跳变的现象，结合上面的波形分析，估计是毛刺干扰造成，应当在设计硬件时加以防护，目前硬件已做好，且是表贴器件，不易加装滤波元件，故考虑用软件消除。</P>
<P>从波形上可以看出，毛刺通常为负尖脉冲，影响正跳边沿。所以考虑：</P>
<OL>
<LI>以负跳的周期为基准，当正跳周期相对于对应的负跳周期偏差大于一定值时，则不要此次的正跳数据。
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