【基于微型空心杯直流电机的迷宫电脑鼠设计】 空心杯马达是直流电机吗

　　摘 要：基于微型空心杯直流伺服电机设计实现了电脑鼠走迷宫的电机驱动电路与pid控制算法。针对微型电机以及电脑鼠的特定应用场合选定了合适的驱动电路。针对电机特性对PID各个参数进行了分析和调整，通过最后画出的电机转速特性曲线，可以看出得到很好的实验效果。
　　关键词：直流伺服电机；PID转速控制；电脑鼠走迷宫
　　一、ieee电脑鼠走迷宫背景知识
　　电脑鼠，英文名MicroMouse，是使用嵌入式微控制器、传感器和机电运动部件构成的一种智能行走装置（微型机器人）。电脑鼠需要在环境未知的迷宫中根据传感器探测的数据自行决定搜索法则，自动记忆迷宫墙壁资料，智能分析从起点到终点的最短路径，最终以最短的时间到达终点。这就要求电脑鼠必须具有快速启停，稳定行走，精确位移和高速冲刺等机械特性，因而硬件平台除对传感器检测的准确度要求极高外，对电机驱动系统的性能要求也极高。
　　目前国内电脑鼠的电机驱动系统主要是以步进电机构成的开环控制系统，步进电机价格便宜且控制简单，但与直流电机相比，在相同负载转矩下，直流电机具有响应速度快，体积小，效率高，扭力大等优点，特别是直流电机加上编码器以后可以构成一个闭环控制系统，有效的避免了步进电机的存在的失步问题。
　　经过众多比较，本设计最终选择使用冯哈伯1524B009SR空心杯直流电机，其自带512线正交编码器，可以方便的与微控制器组成伺服控制系统。空心杯直流电机在结构上突破了传统电机的铁芯转子结构形式，采用了无铁芯转子，因此得名空心杯转子。这种新颖的转子结构彻底消除了由于铁芯形成涡流而造成的电能损耗，同时其重量和转动惯量大幅降低，从而减少了转子自身的机械能损耗。由于转子的结构变化而使电动机的运转特性得到了极大改善。
　　二、微控制器选型及电机驱动电路设计
　　电脑鼠在迷宫中需要执行多项任务，如：伺服电机的PID控制，红外传感器的驱动，岔路转向的决策等等，所以对主控芯片的处理能力要求较高。特别是本设计选用了冯哈伯1524009SR直流电机，其自带512线正交编码器，所以需要主控芯片具有正交编码器接口。
　　最终本设计选用了ST公司的高性能32位微控制器STM32F103VBT6。该微控制器基于ARM?誖CortexTM-M3 v7M架构，提供了强大的运算能力，同时内置4个可配置的通用定时器，多路中断线，多路DMA控制器，一个12位AD转换器，4个USART接口。其前两个通用定时器可以配置为正交编码器接口模式，方便与正交编码器的连接。
　　由于所选用的电机属于直流有刷电机，因此需要H桥电路作为电机驱动。可以采用分立元件搭建H桥或者使用传统的L298N集成H桥驱动芯片，但是考虑到分立元件的离散特性以及L298N高达2V的电压降，最终选择了另外一款BA6845FS集成H桥驱动芯片。该芯片内部集成两个H桥以及逻辑电平电路，性能出色，简单易用，可以驱动两个电机，完全满足本设计的需要。
　　三、数字式 PID算法原理概述
　　在电机的闭环伺服控制系统中，最为关键的部分就是控制程序的实现。本设计选择了经典的PID控制器算法，同时根据本电机的机械特性，设计了数字式分段PID控制算法。
　　将偏差的比例（Proportion）、积分（Integral）和微分（Differential）通过线性组合构成控制量，用这一控制量对被控对象进行控制，这样的控制器称 PID控制器。在模拟控制系统中，控制器最常用的控制规律是PID控制，典型的模拟PID控制系统原理如图4-1所示。
　　由于本设计中使用微控制器进行PID运算，需要将PID控制算式离散化，将模拟PID转换成数字式PID。
　　离散化方法：
　　其中：T为采样周期，k为采样序号。
　　这样可以得到数字式位置型PID控制算式：
　　由于电动机固有的负载特性，在高转速时，电机扭矩减小，响应变慢，为了优化高转速时电机的响应速度，因此本设计中对比例系数P进行了分段设置，根据不同的电机转速值使用不同的比例系数P。
　　PID控制器的参数整定是PID控制器设计中的核心内容。它需要根据被控过程的特性确定PID控制器的比例系数P，积分系数I，微分系数D的大小。PID控制器的参数整定方法概括起来有两大类：一是理论计算整定法，主要是依据系统的数学模型，经过理论计算确定控制器的参数，常使用Matlab和Simulink进行计算和仿真。这种理论方法所得到的计算数据未必可以直接应用，还必须通过工程实际进行调整和修改。二是工程整定方法，它主要依赖工程经验，直接在控制系统的实验中进行整定，该方法简单，易于掌握，因而得到了广泛的应用。工程整定的一般步骤是：
　　1.选择一个足够短的采样时间让系统可以稳定工作。
　　2.将I和D系数设置为0，暂时不要积分和微分。
　　3.把P值从0开始逐渐增大，尽量减小系统的阶跃响应时间，直至系统出现震荡，再反过来，从此时的P值开始逐渐减小，直至系统震荡消失，取比例系数P为当前P值的70%-80%。
　　4.设定一个比较大的积分系数I，然后逐渐减小I，直至系统出现震荡，再反过来，从此时的I值开始逐渐增加，直至系统震荡消失，取I值为当前值得150%-180%。
　　5.与确定P值得方法大致相同，取不震荡时的30%。
　　在PID控制器参数整定的过程中，为了方便调试，专门编写了串口调试工具，以图形化界面反映了电机的实时阶跃响应曲线，方便了参数的在线整定。
　　四、实验结果及分析
　　根据反复的调试，最终确定了PID控制器的参数。三个不同阶段的P参数分别为5，8，10。I参数为0.005。D参数为1.5。采样时间为2ms。
　　在基本确定了PID控制器的参数后，为了避免串口调试占用的CPU时间对微控制器的影响，采用了离线调试的方法验证控制器的最终运行效果。将一段时间Ts内的阶跃响应数据存放在微控制器内存中，到达指定时间后传输到上位机再进行分析，这样就保证了在Ts时间内，PID控制器不会受到串口在线调试的影响。通过该方法，使用Matlab对回传的数据进行分析， 系统响应时间约为0.08s，超调约为5%。该PID控制器运行效果良好。