寻迹小车 followme—— 之四：电机驱动软件设计.htm

机器人应用的全套实例寻机小车

                  <TABLE style="TEXT-ALIGN: left" cellSpacing=5 cellPadding=4 
                  width="100%" border=0>
                    <TBODY>
                    <TR>
                      <TD class=article-top style="BACKGROUND-COLOR: #e0e0e0" 
                      width="99%">寻迹小车 FollowMe—— 之四：电机驱动软件设计<BR><SPAN 
                        class=smalltype>写于： 星期一 31 七月 @ 09:07:15 </SPAN></TD></TR>
                    <TR>
                      <TD></TD></TR>
                    <TR>
                      <TD><A 
                        href="http://www.robotdiy.com/topics.php?op=viewtopic&amp;topic=4"><IMG 
                        height=77 alt=智能机器人开发 hspace=4 
                        src="寻迹小车 FollowMe—— 之四：电机驱动软件设计.files/robot_hardware.gif" 
                        width=40 align=right 
                        border=0></A><I>前面已完成了车的主体，控制部分中的电机驱动器设计和轨迹采样及逻辑控制部分硬件设计，从本篇开始着手各部分的软件设计。</I> 
                        <BR><BR>
                        <H1 align=center>寻迹小车 FollowMe</H1>
                        <H2 align=center>—— 之四：电机驱动软件设计</H2>
                        <P align=center>作者：<A 
                        href="http://www.robotdiy.com/phpbb2/profile.php?mode=viewprofile&amp;u=3954" 
                        target=_blank>Hanker</A></P>
                        <P><BR>前面已完成了<A 
                        href="http://www.robotdiy.com/article.php?sid=261" 
                        target=_blank>车的主体</A>，<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>和<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>，从本篇开始着手各部分的软件设计。</P>
                        <H2>六、控制部分软件设计</H2>
                        <P>因为在硬件设计中，将电机驱动和逻辑控制分成了两个独立的模块，所以在软件设计时也将分别设计。</P>
                        <H3>6.1 电机驱动模块软件设计</H3>
                        <P>根据前面的硬件设计，电机驱动模块可以独立成为一个智能的功率驱动器使用，在硬件的设计中考虑了可以支持多种控制信号。但在目前的项目中，拟使用串口控制方式，以下的软件设计是基于这个前提的。</P>
                        <P>6.1.1 软件要实现的功能</P>
                        <OL>
                          <LI>接收并解析控制命令； 
                          <LI>使电机有良好的驱动特性，可正、反转动，且转动平稳、有力； 
                          <LI>可靠的获取转速反馈信号； 
                          <LI>根据反馈信号使用有效的控制策略使电机达到所需的转速； 
                          <LI>利用码盘的反馈信号控制行走距离； 
                          <LI>可以根据命令实现电机的特殊运行状态：刹车、惰行。 </LI></OL>
                        <P>在上述功能中，真正影响驱动器性能的是第二项（驱动特性）和第四项（控制策略）。虽然通常认为控制策略最重要，在自动控制中所着笔墨最多，但是在我们这个项目中，因为电机特性不是十分理想，驱动又是通过软件完成的，这两部分组成的执行机构如果没有良好的特性，那有再好的控制算法、策略也无法实现良好的电机驱动。 
                        </P>
                        <P>6.1.2 概要设计</P>
                        <P>根据要实现的功能，软件分为以下几个部分：</P>
                        <OL>
                          <LI>命令接收解析 —— 完成命令接收，命令内容解析； 
                          <LI>电机PWM驱动 —— 根据电机控制参数产生驱动信号，使电机进入期望的运转状态； 
                          <LI>速度反馈 —— 读取码盘信号，计算出速度数据，兼完成计数功能，实现行走距离控制； 
                          <LI>控制策略 —— 根据命令给出的数据和反馈得到的数据计算出电机控制参数，实现速度控制； 
</LI></OL>
                        <P>电机驱动实际上构成了一个典型的自动控制系统：<BR></P>
                        <P align=center><IMG height=154 
                        src="寻迹小车 FollowMe—— 之四：电机驱动软件设计.files/PID_Control.gif" 
                        width=622></P>
                        <P><BR>其中的“PID调节器”由软件的控制策略部分实现，驱动器硬件只提供了电流的开关、放大功能，而主要的驱动特性实现是由软件中电机PWM驱动完成。</P>
                        <P>这样设计使得系统的灵活性增强，同时便于学习者掌握控制的实质，领会其中的奥妙。</P>
                        <P>软件总体框架采用消息驱动方式，根据消息作相应的处理，消息多数由中断产生，如：接收到串口数据、码盘光电采样中断等，对于没有中断源的信号，由系统的时基产生的中断定时查询、处理。</P>
                        <P>电机驱动所需的PWM信号在中断服务程序中完成，因为需要比较准确的脉冲宽度和周期。</P>
                        <P>虽然硬件设计上考虑了许多扩充功能，但是在目前的寻迹小车项目中不是都需要，所以在此对于脉冲输入只处理一个主速度检测脉冲，主方向、跟踪测速脉冲、方向等功能留到有具体需求时再做考虑。</P>
                        <P>无线模块的控制也是留作日后有需求时再作考虑。</P>
                        <P>测速用码盘用CAD 
                        软件绘制后打印在纸上，然后用双面胶贴在轮毂上，使用反射式光电采样器采样。我所设计码盘如下：<BR></P>
                        <P align=center><IMG height=326 
                        src="寻迹小车 FollowMe—— 之四：电机驱动软件设计.files/encoder.gif" 
                        width=700></P>
                        <P><BR>因为码盘的分辨率较低，所以采用测周期的方式来得到转速。如果按照正常的脉冲测量方式，采集一个跳变沿，那这个码盘一圈只能得到10个数据，为了提高性能，利用了STC12C54XX 
                        单片机PCA模块的正、负跳变均能中断的特性，一周可获取20个数据。为了避免脉冲的占空比不等带来的问题，采用正跳对正跳、负跳对负跳的测量方式。</P>
                        <P>程序的流程如下：<BR></P>
                        <P align=center><IMG height=505 
                        src="寻迹小车 FollowMe—— 之四：电机驱动软件设计.files/Software_Flow.gif" 
                        width=556> </P>
                        <P align=center>多个子程序流程图</P>
                        <P align=center><IMG height=550 
                        src="寻迹小车 FollowMe—— 之四：电机驱动软件设计.files/Software_Main_Flow.gif" 
                        width=310> </P>
                        <P align=center>主流程图 </P>
                        <P><BR>6.1.3 详细设计</P>
                        <P>6.1.3.1 命令接收及解析</P>
                        <P>在硬件设计上虽然考虑了多种控制的可能，那是为了日后这个硬件可以满足不同的需要，而目前的设计使用串口控制。</P>
                        <P>考虑到这个小车要使用两个驱动电机，所有在串口的连接上采用并接方式，即将两个电机驱动器的接收端RXD、发送端TXD并联，RXD并联没有问题，而TXD端并联必须将口特性置为标准51口（有内部弱上拉电阻的准双向口），以保证口输出的正常，同时通过协议保证不同时发送。</P>
                        <P>并接后的串口相当于一个设备，接受逻辑控制部分的命令。</P>
                        <P>基于这样的设计，<STRONG>通讯协议</STRONG>设计如下：<BR>帧格式：<BR><EM>帧头（2字节） 
                        帧长（1字节） 命令字（1字节） 数据区（N字节）校验和（1字节）</EM></P>
                        <P>其中：<BR><STRONG>帧头</STRONG> —— 0x55 0xAA </P>
                        <P><STRONG>帧长</STRONG> —— 命令字 + 数据区的长度</P>
                        <P><STRONG>命令字</STRONG> ——</P>
                        <UL>
                          <LI>0x01 ：电机转动控制参数，开环模式，电机的PWM值、转动持续脉冲数； 
                          <LI>0x02 ：电机转动控制参数，闭环模式，电机的转速、转动持续脉冲数； 
                          <LI>0x03 ：电机工作参数，PWM频率、PID参数 </LI></UL>
                        <P><STRONG>数据区</STRONG> —— </P>
                        <UL>
                          <LI>命令01：电机1数据（2字节PWM值，2字节转动持续脉冲数）电机2数据（2字节PWM值，2字节转动持续脉冲数），共 
                          8字节； 
                          <LI>命令02：电机1数据（2字节转速值，2字节转动持续脉冲数）电机2数据（2字节转速值，2字节转动持续脉冲数），共 
                          8字节； 
                          <LI>命令03：2字节PWM频率，2字节比例系数，2字节积分系数，2字节微分系数，2字节PID系数的分母， 
                          共10字节，两个电机驱动器相同； </LI></UL>
                        <P><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>上述数据中，PWM值，速度值、PWM频率、PID系数等定义如下：</P>
                        <P><STRONG>PWM值</STRONG> —— 
                        2字节有符号数，正对应正转，负对应反转，数值为占空比的百分数，取值范围：- 1000 —— +1000， 对应 
                        0.1% ~ 100%；1001为电机“惰行”，1002为“刹车”；</P>
                        <P><STRONG>转动持续脉冲数</STRONG> —— 2字节无符号数，0 表示连续转动；</P>
                        <P><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；取值范围：- 10000~ 
                        +10000，10001为电机“惰行”，10002为“刹车”；</P>
                        <P><STRONG>PWM频率</STRONG> —— 2字节整数，单位Hz，取值范围：200 – 
                        2000；因为不同的电机所需的PWM 频率不同，需要通过测试确定，所以考虑了此参数；</P>
                        <P><STRONG>PID系数</STRONG> —— 均为 2字节无符号数；</P>
                        <P><STRONG>PID系数分母</STRONG> —— 
                        2字节无符号数，为避免使用浮点数而增加了此参数，实际作用的PID系数为上述值除此值；如：比例系数为190 
                        ，PID分母为200，实际比例系数为0.95。</P>
                        <P>以上所有2字节数据均为先低后高顺序发送。</P>
                        <P>暂时不设计应答帧，因为一帧命令包含了两个电机的驱动数据。</P>
                        <P>通讯数据格式为：19200bps 8 N 1。此时，一帧数据约占 7ms。</P>
                        <P>数据接收缓冲区采用环形结构，为了节省指针运算的时间，缓冲区长度设为 
                        32字节，对应指针变量的低5位。<BR>设置2个数据指针处理，一个存数指针负责将接收到的字节填入缓冲，一个取数指针负责取出填入的数据。初始化时两个指针相等，当收到数据时，在存数指针指向的缓冲区位置填入数据，而后指针加一，指向下一位置，此时两个指针不再相等，产生收到数据消息。</P>
                        <P>为减少中断服务占用的时间，在串口中断中只激收到的数据填入接收缓冲区，不做任何处理。</P>
                        <P>主程序根据两个指针是否相等判断是否收到数据，因为缓冲区足够接收完整个数据帧，所以，接收处理时先判断是否收到了“帧头”，之后根据“帧长”设定一个帧尾指针位置，等到存数指针等于帧尾指针时，再将数据帧一起取出，进行校验和判断，如果正确，根据命令字解析数据区，取出相应的参数。</P>
                        <P>具体实现过程参见所附程序。</P>
                        <P>6.1.3.2 电机PWM驱动</P>
                        <P>根据《<A 
                        href="http://www.robotdiy.com/phpbb2/viewtopic.php?t=8007" 
                        target=_blank>电动机的单片机控制</A>》中对直流电机驱动的描述，同样的H桥电路，使用不同的控制信号，可以实现两种不同的控制方式，其一是“双极性可逆PWM驱动”，其二是“单极性受限可逆PWM驱动”。</P>
                        <P>对于“双极性可逆PWM驱动”方式，电机在一个PWM周期中通过相反的电流，正转、停止、反转取决于两个方向电流的持续时间，如果相等则为停止。这个方式的好处是低速稳定，启动快，但是耗电大。</P>
                        <P>对于“单极性受限PWM驱动”方式，电机在一个PWM周期中的电流是同方向的，驱动电机的功率大小取决于电流的持续时间，也就是说在一个PWM周期中，电机的电流有为“0”的时候，称之为“断流”现象。无疑，这种方式在PWM值较小时断流的时间就较长，电机运行就不稳定，也就是低速性能不好，但是由于没有反向电流消耗，所以耗电少。</P>
                        <P>（对于这部分的描述请仔细阅读书中相关章节）</P>
                        <P>基于这样的原理，拟采用如下控制方式：</P>
                        <P>在PWM控制值小于30%（此值调式时再作调整）时，采用“双极性可逆驱动”，大于30% 
                        则采用“单极性受限可逆驱动”。</P>
                        <P>为了可以获得最好的电机驱动特性，将PWM周期设计为可变，这样在调试中可以找到合适的工作参数。<BR>具体实现方法为：</P>
                        <P>设置如下变量：</P>
                        <P>FirstHalf —— 位，前半周标志，为“0”表示处在PWM周期的后半周；<BR>FirstOut 
                        —— 字节，前半周电机控制输出字，控制H桥的导通和截止；<BR>SecondOut —— 
                        字节，前半周电机控制输出字，控制H桥的导通和截止；<BR>FirstTime —— 
                        字（2字节），前半周持续时间；<BR>SecondTime —— 字（2字节），后半周持续时间；</P>
                        <P>在程序中设置“计算电机控制参数”标志，当PWM的数据变化时，则建立此标志，根据PWM的值及PWM的周期计算出上述数据：</P>
                        <P>先根据PWM的值判断应当处于哪种驱动模式。</P>