300*4=1200

在今年的比賽中，準(zhǔn)備引入四輪麥克納姆輪新型車模，用于信標(biāo)組的比賽。前面不少同學(xué)對于該車模中測速問題提出了疑問：

“卓大大，信標(biāo)的H車模用齒輪帶麥倫懷疑它的扭矩是否足夠，是不是齒輪很容易斷。其次麥倫運(yùn)行要四個編碼器，一個編碼器300，H車的成本就是1800，是否價格太高了，是否可以考慮電機(jī)中集成編碼器。”“卓大，信標(biāo)的車模是普通電機(jī)還是編碼電機(jī)？普通電機(jī)再加編碼器成本會大大增加呢。用編碼電機(jī)應(yīng)該更便宜一些吧？”

車模廠商提供的四輪麥克納姆輪車模樣品

由于麥克納姆輪車模需要通過四個輪子不同的轉(zhuǎn)速完成前后、左右以及轉(zhuǎn)向運(yùn)動。所以需要精確控制四個車輪的速度，否則車模的姿態(tài)難以精確控制。

如果使用傳統(tǒng)的測速光電編碼器，按照同學(xué)從網(wǎng)絡(luò)上購買的價格：

300元每只，則整車中只是測速傳感器的價格就會達(dá)到1200元。這樣會超出很多參賽隊伍的經(jīng)費(fèi)預(yù)算。

直流電機(jī)R41-35050SDLD電機(jī)帶動麥克納姆輪轉(zhuǎn)動

為此，車模提供商給出了一款帶有HALL編碼器脈沖輸出的直流電機(jī)解決方案。在電機(jī)的后面轉(zhuǎn)子軸上安裝有一個環(huán)形磁鐵，通過兩個霍爾傳感器獲得磁鐵的磁場強(qiáng)度，進(jìn)而通過小板上的8F5701單片機(jī)完成計算，輸出對應(yīng)的脈沖信號。

這個電機(jī)的大小與原車模上的電機(jī)相同，可以直接替換。價格也只增加了幾十元，相比傳統(tǒng)的光電編碼盤便宜了。

帶有HALL編碼器的直流電機(jī)

但是這種編碼器輸出的信號是否能夠滿足對于電機(jī)轉(zhuǎn)速的精確控制呢？

對于上周末收到車模廠商發(fā)送過來的樣品，今天早上進(jìn)行測試，觀察一下它輸出的轉(zhuǎn)速信號的是否能夠精確反映電機(jī)轉(zhuǎn)動角度。

下圖是電機(jī)編碼器的接口定義：

電機(jī)編碼器接口定義

接口的定義如下：M+,M-:電機(jī)正負(fù)接口

+,- :編碼器的電源： 3.3V~5V

K1,K2:正轉(zhuǎn)，反轉(zhuǎn)脈沖。

在編碼器的+，- 兩個電極加上5V電壓，分別使用示波器觀察K1,K2的輸出。可以看到：當(dāng)轉(zhuǎn)子超一個方向（正轉(zhuǎn)）旋轉(zhuǎn)時，K1輸出脈沖，超相反方向（反轉(zhuǎn)）旋轉(zhuǎn)時，K2輸出脈沖。而且是每次都有兩個寬度相同的脈沖。

K1的脈沖是正向脈沖，K2的脈沖是負(fù)向脈沖。編碼器的電壓也可以使用3.3V供電。

觀察編碼器的輸出信號

這種脈沖輸出方式與常見到的光碼盤的方波方式不同。而且詭異的是，它居然每次輸出兩個脈沖。這給將來測量增了麻煩。

下面使用了一個3505線性霍爾l器件，放在圓形磁鐵旁邊，測量磁鐵周圍的磁場分布情況。通過示波器看到霍爾輸出信號，隨著磁鐵旋轉(zhuǎn)，大體呈現(xiàn)正弦變化的波形。但是這個波形與正弦信號還是相差很大，處于三角波形與正弦波形之間的形狀。

使用線性HALL測量圓形磁鐵的磁場分布

下面是對比了另外一個同樣使用圓形霍爾磁鐵進(jìn)行測量角度的電機(jī)，它的磁鐵外部的磁場強(qiáng)度就非常接近于正弦信號。

另外一個帶有HALL測速的磁鐵的磁場強(qiáng)度

因此，這就出現(xiàn)一個問題，為何前面電機(jī)廠商提供的圓形磁鐵的磁場分布與正弦波形相差那么大呢？

下面再測試一下，該電機(jī)的HALL測速板每周輸出多少個脈沖信號。

將K1，K2信號連入一塊STM32RCT6開發(fā)板的PC12,PC10關(guān)鍵，通過軟件設(shè)置測量這兩個管腳信號下降沿所帶來的中斷次數(shù)，并顯示在開發(fā)板上的OLED顯示屏上。

使用單片機(jī)測量K1,K2脈沖個數(shù)

通過旋轉(zhuǎn)磁鐵10周，測了總共脈沖個數(shù)的變化，再除以10，便可以得到每周HALL測速板輸出脈沖的個數(shù)。這個個數(shù)為在36.

由于每次，K1，K2都是連續(xù)輸出兩個等寬的脈沖，所以實(shí)際上有效反映角度的脈沖個數(shù)只有18個。

每次K1,K2都是輸出兩個脈沖對

因此，從現(xiàn)在測量的結(jié)果來看。這個電機(jī)編碼盤輸出的精度是每周18個有效脈沖。相對于傳統(tǒng)的光電碼盤，或者編碼器的100~500線，這個HALL測速的精度比較低。

在電機(jī)上測速板上有兩個線性的HALL器件，通過測量，可以看到這兩個HALL器件輸出的波形與前面獨(dú)立使用3505輸出的波形是一樣的。

測速板上線性HALL輸出信號

這兩個HALL器件在安裝角度上相差90度，所以他們輸出信號也相差90度。

測速板輸出信號應(yīng)該是由板上的8F5701單片機(jī)經(jīng)過采集者兩個HALL器件信號經(jīng)過運(yùn)算后再進(jìn)行輸出的結(jié)果。

下面同時測量其中一個HALL信號與K1輸出信號。施加在電機(jī)兩端電壓分別是2V，和1V。電機(jī)轉(zhuǎn)速一個是高速，一個是低速。

電機(jī)驅(qū)動電壓2V下，HALL與K1信號

電機(jī)驅(qū)動電壓1V下，HALL與K1信號

由于施加在電機(jī)兩端的電壓是恒定的，電機(jī)空載轉(zhuǎn)動。所以假設(shè)電機(jī)的轉(zhuǎn)速是均勻的。

通過上面示波器所顯示K1信號，會發(fā)現(xiàn)，K1信號在相鄰兩個脈沖之間的時間是不同的。也就是說，如果根據(jù)K1信號兩個脈沖之間的時間間隔來計算電機(jī)的加速，轉(zhuǎn)速是不均勻的。

所以通過K1，K2所獲得的電機(jī)轉(zhuǎn)速是由很大誤差。

測試電機(jī)

通過以上實(shí)驗(yàn)，可以看出，現(xiàn)在電機(jī)上所配備的測速電路所給出的脈沖信號，如果用于電機(jī)速度測量，則會有：

（1）

測速精度低，每周只有18個有效脈沖；

（2）

測速噪聲大，在電機(jī)勻速轉(zhuǎn)動的時候，K1,K2輸出脈沖的頻率會有很大的波動。

因此，使用K1,K2信號進(jìn)行電機(jī)測速不太適合這款四輪麥克納姆輪車模的精確控制。

下面留下一個問題：

如果直接應(yīng)用兩個HALL信號輸出的正交模擬信號進(jìn)行測速，是否可以達(dá)到很高的精度呢？

兩路HALL輸出信號

如果可以的話，不僅可以省去測速板上的單片機(jī)，進(jìn)一步降低電機(jī)的成本，另外還可以得到更高精度的電機(jī)速度。

關(guān)于這方面的解決方案，下次再進(jìn)行討論。

單片機(jī) 嵌入式 硬件開發(fā)

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