关于平衡小车编码器知识总结

只看该作者 · 2024-8-3 10:23

#申请原创# @21小跑堂
编码器组成

1、左侧的减速齿轮
2、中间的电机部分
3、右侧的电路板

减速齿轮

将电机转速通过齿轮按照一定比例进行降速。

电路板

电路板中，包含了一个圆形磁体，还有两个霍尔传感器。

电机转动时，圆形的磁体会同步进行转动，

传动过程

1、电机转动时，中轴会转动
2、中轴和圆形磁铁是连在一起的，圆形磁铁也会同步转动
3、中轴的一端和减速齿轮连接在一起，中轴转动会带动齿轮按照一定的比例进行转动(减速比)。

霍尔传感器

开发板中包括了两个霍尔传感器，一个磁铁。

磁铁是由7对N极和S极组成的。

1、当电机转动时，磁铁也转动。
2、当磁铁的N极正对霍尔传感器时，霍尔传感器会将这个信号转化为高电平。
3、当磁铁的S极正对霍尔传感器时，霍尔传感器会将这个信号转化为低电平。
4、通过记录高低电平变换次数，可以得到电机中轴转动的速度。

重要的概念名称减速比和额定转速

以下是以N20电机为例，N20的规格参数，其中我们关注额定转速和减速比。

额定转速：rpm，全称Revolutions Per Minute,每分钟转动的圈数，说的时末端连接轴的转速。

减速比：电机中轴连接了齿轮，当中轴转动时，齿轮随着中轴转动而转动，最终传导到末端连接轴。末端连接轴的速度，被减速齿轮降低了，末端连接轴和中轴的速度比就是减速比。例如rpm为300，减速比为50，那么电机中轴的转速为300*50 = 15000转/分

轮子行进速度

我们知道，速度=距离/时间

轮子是和末端连接轴连接在一起的，RPM为300时，轮子1分钟可以转300圈，那轮子可以走过的距离我们是可以求出来的。

转一圈，就是轮子的一个周长，周长=2ΠR

因此，在RPM为300时，轮子的速度为 300(rpm) x 43(直径) x Π / 60

得出结果为 675.442409 mm/s，换算下来差不多为 0.6到0.7米/秒

霍尔传感器采样

两个霍尔传感器加上磁铁，可以测出电机的转速和方向。

1、当A传感器是上升沿时，如果B此时为低电平，那么就是反转。
2、当A传感器是上升沿时，如果B此时为高电平，那么就是正转。
3、产生一次上升沿或者下降沿，就记一次数，通过时间就可以测出当前的转速了。

对于霍尔采样，我们可以通过外部中断方式进行实现，代码如下：

外部中断实现电机计数功能

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#include "gd32f4xx.h"

#include "systick.h"

#include <stdio.h>

#include "main.h"

#include "Usart.h"

 

#include "I2C.h"

#include "bsp_mpu6050.h"

#include "inv_mpu.h"

#include "inv_mpu_dmp_motion_driver.h"

 

 

FlagStatus pre = RESET;

int8_t dir = 1;

int32_t cnt = 0;

 

void Usart0_recv(uint8_t* data, uint32_t len) {

    printf("recv: %s\r\n", data);

 

}

 

static void EXTI8_config() {

    uint32_t extix = EXTI_8;

    uint32_t extix_irq = EXTI5_9_IRQn;

    uint32_t extix_irq_pre = 1;

    uint32_t extix_irq_sub = 1;

 

    uint32_t extix_trig = EXTI_TRIG_RISING;

 

    uint32_t extix_rcu = RCU_GPIOB;

    uint32_t extix_port = GPIOB;

    uint32_t extix_pin = GPIO_PIN_8;

    uint32_t extix_pupd = GPIO_PUPD_NONE;

    uint32_t extix_src_port = EXTI_SOURCE_GPIOB;

    uint32_t extix_src_pin = EXTI_SOURCE_PIN8;

 

    /*************** gpio ****************/

    // PA0,

    // 时钟初始化

    rcu_periph_clock_enable(extix_rcu);

    // 配置GPIO模式

    gpio_mode_set(extix_port, GPIO_MODE_INPUT, extix_pupd, extix_pin);

 

    /*************** exti ****************/

    // 时钟配置

    rcu_periph_clock_enable(RCU_SYSCFG);

    // 配置中断源

    syscfg_exti_line_config(extix_src_port, extix_src_pin);

    // 中断初始化

    exti_init(extix, EXTI_INTERRUPT, extix_trig);

 

    // 配置中断优先级

    nvic_irq_enable(extix_irq, extix_irq_pre, extix_irq_sub);

    // 使能中断

    exti_interrupt_enable(extix);

    // 清除中断标志位

    exti_interrupt_flag_clear(extix);

}

 

void EXTI5_9_IRQHandler() {

    // 判断寄存器状态

    if(SET == exti_interrupt_flag_get(EXTI_8)) {

        FlagStatus current = gpio_input_bit_get(GPIOB, GPIO_PIN_9);

        if(RESET == current && SET == pre) {

            pre = current;

            dir = 1;

            //cnt = 0;

        } else if(SET == current && RESET == pre) {

            pre = current;

            dir = -1;

            //cnt = 0;

        }

        cnt += dir;

        printf("cnt: %d\r\n", cnt);

 

        // 清除中断标志位

        exti_interrupt_flag_clear(EXTI_8);

    }

 

}

 

static void GPIO_config() {

    rcu_periph_clock_enable(RCU_GPIOB);

    gpio_mode_set(GPIOB, GPIO_MODE_INPUT, GPIO_PUPD_NONE, GPIO_PIN_9);

}

 

int main(void)

{

    nvic_priority_group_set(NVIC_PRIGROUP_PRE4_SUB0);

    systick_config();

    GPIO_config();

    Usart_init();

    EXTI8_config();

 

    while(1) {

 

    }

}

正交编码

正交编码是一种用于测量旋转位置或速度的技术。它通常涉及到两个相位差90度的信号（A相和B相）。这两个信号通过光电传感器、磁性传感器或其他位置传感器生成。正交编码的主要原理是通过检测A相和B相信号的相对相位变化来确定旋转的方向和步数。

A相和B相信号： A相和B相信号是两个相位差90度的正弦波形或方波形。这两个信号的变化在旋转方向上具有差异。

相位关系：如果A相先于B相发生变化，系统会认为是顺时针旋转；如果B相先于A相发生变化，系统会认为是逆时针旋转。通过检测这两个信号的相对相位变化，可以确定旋转的方向。

脉冲计数：在正交编码器中，每个脉冲表示一个步进。通过计数脉冲的数量，可以确定旋转的总步数。

增量式测量：正交编码器提供的是增量式的测量，而不是绝对位置。为了得到绝对位置，通常需要在系统启动时将编码器归零，然后开始测量。

当前的电机测速传感器满足这种结构和表现。

在GD32中，配置正交编码如下：

正交编码配置

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// 输入配置

timer_ic_parameter_struct tips;

timer_channel_input_struct_para_init(&tips);

tips.icfilter = 10;

timer_input_capture_config(timerx, TIMER_CH_0, &tips);

 

timer_quadrature_decoder_mode_config(timerx,

                                     TIMER1_QUADRATURE_DECODER_MODE,

                                     TIMER1_QUADRATURE_DECODER_IC0,

                                     TIMER1_QUADRATURE_DECODER_IC1);

对于正交编码采样逻辑如下:

正交编码采样

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short Timer1_input_read() {

    uint32_t timerx = TIMER1;

 

    short value = 0;

    value = (short)timer_counter_read(timerx);

    timer_counter_value_config(timerx, 0);

    return value;

}