Arduino三轮全向小车（二）：编码马达的使用

2023-10-18 23:50
文章标签 使用 编码 arduino 小车 三轮 马达

本文主要是介绍Arduino三轮全向小车（二）：编码马达的使用，希望对大家解决编程问题提供一定的参考价值，需要的开发者们随着小编来一起学习吧！

上一篇文章介绍了编码马达的原理以及特性，本篇话不多说，直接开始实用。

马达控制

观察以下编码马达的接口图片：（原谅我这样拍照，实在懒得把马达拆下来了）

总共六根线，其中两根是控制马达转速以及转向的，也就是说和普通马达完全相同，你需要找到这两根线，应该会有注明，例如我的马达上标注为：马达线1和马达线2。将这两根线接入马达驱动板，这里我推荐TB6612模块，小巧又强大，也不算很贵，但是使用时一定要小心，我买回来的第一个，刚一接线就烧了（不怪人家，是我把12v接上了5v的口）。

关于TB6612的使用，这里简单介绍一下，马达的两根线应该接入AO1和AO2（或BO1和BO2），PWMA（或PWMB）接入Arduino的某一个PWM端口，这个是管马达速度的。UNO的PWM口其实蛮少的，做三轮车很吃紧，我直接用了Mega。AIN1和AIN2（或BIN1和BIN2）分别接入Arduino的非PWM的数字口，这两个是管马达转向的。剩下的口一定要注意，千万别接错，否则就像我一样，VM和随便一个GND分别接大电源的正负极，大电源电压尽量不要高于12V，不要低于8V，最好用个稳压模块。VCC和另外一个GND口分别接入Arduino的+5v和GND口。STBY可以直接接一个+5V口，也可以接入数字口然后给高电平，这是使能端。

ok，终于把这个复杂的接口讲完了，其实这一部分普通马达和编码马达都是一样的，代码也都一样，下面是我的习惯写法：

void MotorControl(float sp){if (sp > 0) {digitalWrite(MOTOR_PIN1, HIGH);digitalWrite(MOTOR_PIN2, LOW);analogWrite(MOTOR_SP, sp);} else if (sp < 0) {digitalWrite(MOTOR_PIN1, LOW);digitalWrite(MOTOR_PIN2, HIGH);analogWrite(MOTOR_SP, -1 * sp);} else {digitalWrite(MOTOR_PIN1, LOW);digitalWrite(MOTOR_PIN2, LOW);}
}

其中MOTOR_SP是PWM口，而其他两个则为控制转向的接口。这些都和普通马达一样，也很好理解，这里不再详细解释。
推荐你把它写成个头文件放库里，反正只要是做小车，都会用到它。

读取码盘数据

接下来这部分才是使用编码马达的“重头戏”：读取码盘的数据。根据之前我们理解的码盘的原理，我们只需要测量A相和B相的频率以及相位差，即可测算出马达的转速和转向。马达的另外四根线，一根是A相，一根是B相，分别接入Arduino的中断端口（Mega的中断口有2, 3, 18, 19, 20, 21；UNO只有2，3，如果是三轮车，看上去只能用Mega了）和其他数字口，另外两根则是编码器的5V和GND，接Arduino的5V和GND即可。

实际上码盘返回的是计数，频率需要自己测算，这就涉及到Arduino的一个功能：中断。就好比你正在你家看电影，做着自己的事情，突然你朋友敲门来找你玩，于是你暂停电影，去给朋友开门并把他打发走，又回来继续看电影。这就是中断。Arduino可以运行中，因为某些触发时间而暂停，然后去执行其他任务，执行结束后在回来继续当前的程序。

Arduino中有一个函数是

attachInterrupt(digitalPinToInterrupt(pin),ISR,mode);

其中各参数分别为：

  • digitalPinToInterrupt(pin)：中断端口号（并不是真正的端口号）
  • ISR：中断时要执行的程序
  • mode：有以下三种值：
    • LOW：在引脚为低电平时触发
    • HIGH：在引脚为高电平时触发
    • CHANGE：在引脚电平状态改变时触发

如果学过数电，可以结合触发器触发条件的知识理解一下上面的触发是怎么个原理。

这里有个很狗的一点是，中断端口号并不是真正的引脚编号，也就是你插了Mega的19引脚，实际上你应该写4号，对应关系如下：
引脚对应
或者也可以直接写digitalPinToInterrupt(19)，但无形中多写了好多哇…（狗头）

我们的思路是，当A相的引脚发生变化时（CHANGE），中断主程序，根据我们上一篇文章所说的原理：

当A相上行时可以看到B相是高电平，我们定义这时电机为正转，反转时，它们的相位差是原来的相反数，也就是负九十度。这时，A相上行时B相为低电平，这样即可简单地判断出电机转动方向。

也就是说，要判断此时电机的转向，我们需要先判断A相是上行还是下行，之后在判断此时B相是高电平还是低电平，这个其实很好判断，几个if完事。当我们判断出电机是正转时，我们就让计数变量加1，证明码盘扫过一格，否则减1，即反转扫过一格。代码如下：

void Count() {if (digitalRead(pinA) == LOW) {if (digitalRead(pinB) == HIGH) pps++;else if (digitalRead(pinB) == LOW) pps--;} else {if (digitalRead(pinB) == HIGH) pps--;else if (digitalRead(pinB) == LOW) pps++;}
}

其中pps即为计数变量，它的含义其实就是码盘转过的格数，如果你知道码盘一圈有几格（比如我的电机是390，一般这个参数会被称为精度），那你就可以算出目前电机转过的角度。

注意把attachInterrupt()放在setup里，比如我的A相接了19，对应的中断口号为4，则我就在setup里这么写：

attachInterrupt(4, Count1, CHANGE);

好了，至此你就已经可以顺利读出码盘数据了，不过不知道你有没有发现这个问题，有了码盘转动的数据，我们也只能算出位移，如何计算速度？

在这里，我们使用另外一种中断：定时中断，也就是每隔一段时间，我就中断主函数，去算一下速度和位移，这会用到一个库：MsTimer（这个库可能需要在网上下载导入，直接百度一波，找不到可以给我留言，留下qq号我发你）。该库中有一个函数是这样的：

MsTimer2::set(t, SpeedDetection);

其中，t为时间间隔，也就是每隔这么多时间中断一次，第二个参数为中断函数名，也就是中断后去执行该函数的内容。看名字我已经取好了：SpeedDetection，速度检测，顾名思义这个函数就是测速度的。

测速度的方法也很简单，我们先用两次间隔的pss之差计算出电机转角，再用该转角除以时间间隔t，即可求出角速度。

float SpeedDetection() {detachInterrupt(4);	//先停止另一种中断，以免中断套中断（禁止套娃）velocity = (float)pps * (1000 / t) / 780.0;	//测量速度m += pps * (1000 / t) * 360 / 780;			//测量转角//    Serial.print("Omega：");//    Serial.print(velocity);//    Serial.print("r/s  Theta:");//    Serial.print(m);//    Serial.print("°  ");//串口输出调试信息}pps = 0;		//每次该函数最后将pps清零。attachInterrupt(4, Count1, CHANGE);	//不要忘了再打开另一种中断。
}

该函数中的速度和转角计算公式正是考验你数学功底的时候，值得注意的是，虽然我的电机精度为390（也就是码盘一周有390个豁），但是我们在每次A相电平状态改变时，不管上行还是下行都会记一次数，相当于一个豁口我们计两次数，因此真正的精度其实是780。这是在计算时应该注意的。其他没有什么难理解的地方了。

当然之后还需要在setup里写：

MsTimer2::set(t, SpeedDetection);
MsTimer2::start();		//计时开始的意思

OK，大功告成，接下来我们就可以利用起这些数据做些闭环控制算法了，当然最常见的就是PID，这个我留到下一篇文章讲（有可能又会鸽好久，很尴尬，太忙了）。

下面附上整个源码（三轮版本）

#include <motor.h>		//这是我自己写的，在github上https://github.com/mond538/motor
#include <PinChangeInt.h>	//引脚中断库
#include <MsTimer2.h>
//-------------端口定义---------------
#define pinA_1 19			//A相
#define pinB_1 29			//B相
#define MOTOR1_SP 13		//PWM端口
#define MOTOR1_PIN1 27		//IN1
#define MOTOR1_PIN2 28		//IN2#define pinA_2 2
#define pinB_2 23
#define MOTOR2_SP 11
#define MOTOR2_PIN1 24
#define MOTOR2_PIN2 25#define pinA_3 3
#define pinB_3 26
#define MOTOR3_SP 12
#define MOTOR3_PIN1 30
#define MOTOR3_PIN2 31
//------------------------------------motor Motor1(pinA_1, pinB_1, MOTOR1_SP, MOTOR1_PIN1, MOTOR1_PIN2);
motor Motor2(pinA_2, pinB_2, MOTOR2_SP, MOTOR2_PIN1, MOTOR2_PIN2);
motor Motor3(pinA_3, pinB_3, MOTOR3_SP, MOTOR3_PIN1, MOTOR3_PIN2);
//motor类是我自己在motor.h中定义的类，参数均为端口。
volatile long m[3] = {0, 0, 0};
int pps[3] = {0, 0, 0};
float velocity[3] = {0, 0, 0};
int t = 50;int adjust(int sp) {//限制马达最大和最小速度。int max_sp = 150;if (sp >= max_sp) sp = max_sp;else if (sp <= -1 * max_sp) sp = -1 * max_sp;if (sp >= -10 && sp <= 10) sp = 0;return sp;
}float SpeedDetection() {detachInterrupt(4);detachInterrupt(0);detachInterrupt(1);for (int i = 0; i < 3; i++) {velocity[i] = (float)pps[i] * (1000 / t) / 780.0;m[i] += pps[i] * (1000 / t) * 360 / 780;//    Serial.print("M");//    Serial.print(i + 1);//    Serial.print(": ");//    Serial.print(velocity[i]);//    Serial.print("r/s ");//    Serial.print(m[i]);//    Serial.print("°  ");}for (int i = 0; i < 3; i++)  pps[i] = 0;attachInterrupt(4, Count1, CHANGE);attachInterrupt(0, Count2, CHANGE);attachInterrupt(1, Count3, CHANGE);
}void setup() {pinMode(pinA_1, INPUT);pinMode(pinB_1, INPUT);pinMode(MOTOR1_SP, OUTPUT);pinMode(MOTOR1_PIN1, OUTPUT);pinMode(MOTOR1_PIN2, OUTPUT);pinMode(pinA_2, INPUT);pinMode(pinB_2, INPUT);pinMode(MOTOR2_SP, OUTPUT);pinMode(MOTOR2_PIN1, OUTPUT);pinMode(MOTOR2_PIN2, OUTPUT);pinMode(pinA_3, INPUT);pinMode(pinB_3, INPUT);pinMode(MOTOR3_SP, OUTPUT);pinMode(MOTOR3_PIN1, OUTPUT);pinMode(MOTOR3_PIN2, OUTPUT);Serial.begin(9600);attachInterrupt(4, Count1, CHANGE);attachInterrupt(0, Count2, CHANGE);attachInterrupt(1, Count3, CHANGE);MsTimer2::set(t, SpeedDetection);MsTimer2::start();
}void loop() {MotorControlTri(1, 1, 1);delay(t);//随便跑一跑做调试
}void MotorControlTri(float sp1, float sp2, float sp3) {sp1 = adjust(sp1);sp2 = adjust(sp2);sp3 = adjust(sp3);Motor1.MotorControl(sp1);Motor2.MotorControl(sp2);Motor3.MotorControl(sp3);//该MotorControl方法也是在我自己写的库函数中，参数为速度，正负代表方向
}void Count1() {if (digitalRead(pinA_1) == LOW) {if (digitalRead(pinB_1) == HIGH) pps[0]++;else if (digitalRead(pinB_1) == LOW) pps[0]--;} else {if (digitalRead(pinB_1) == HIGH) pps[0]--;else if (digitalRead(pinB_1) == LOW) pps[0]++;}
}
void Count2() {if (digitalRead(pinA_2) == LOW) {if (digitalRead(pinB_2) == HIGH) pps[1]++;else if (digitalRead(pinB_2) == LOW) pps[1]--;} else {if (digitalRead(pinB_2) == HIGH) pps[1]--;else if (digitalRead(pinB_2) == LOW) pps[1]++;}
}
void Count3() {if (digitalRead(pinA_3) == LOW) {if (digitalRead(pinB_3) == HIGH) pps[2]++;else if (digitalRead(pinB_3) == LOW) pps[2]--;} else {if (digitalRead(pinB_3) == HIGH) pps[2]--;else if (digitalRead(pinB_3) == LOW) pps[2]++;}
}

下一篇：PID算法简介

这篇关于Arduino三轮全向小车（二）：编码马达的使用的文章就介绍到这儿，希望我们推荐的文章对编程师们有所帮助！


http://www.chinasem.cn/article/235892。

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