Arduino三轮全向小车（一）：编码马达

Arduino三轮全向小车（一）：编码马达

​  近期准备做一个三轮全向平台，用来搞各种事情。于是先用Solidworks建了一个模型，运动算例搞了一番，还是不知所以然，干脆直接开始动手，变搞边学习。然而查阅网上各种资料高深莫测，看得我云里雾里，初学很是艰辛。所以就写几篇博客记录一下自己的学习过程。作为菜鸡，第一次发博，还请各位大佬多指正。

马达的选用

​  如果是要做小车的，选用什么样的马达是很重要的，需要考虑的一个方面。之前用Arduino做小车一般直接用减速直流电机，就是那种小黄马达。说实在的效果不是很好，所谓便宜没好货，拿去比赛各种问题接踵而至，但若不考虑其控制的精确性，只是用来实现移动，还算可以接受。

​  其实这算是一个开环控制系统，信号单向流通，由驱动板传向马达，马达没有反馈，因此其控制精度不会很高。就算它转速的控制很精准，但如果电池供电忽大忽小，或是地面阻力时强时弱，这些外界输入依旧会给小车的运动带来极大的不确定性。这种方案在要求稍微高一点的情况下，就是应当舍弃的。

​  为了解决开环控制的问题，人们自然而然地就想到了在马达上加一个传感器，让它可以返回它的各种运动参数。而我们一般用编码器来做这样的传感器。

编码器把角位移或直线位移转换成电信号

  这是百度对编码器的解释，简单来说，编码器可以把马达的转速转变为电压值传回，达到了闭环控制的目的。而装了编码器的电机，也就升级成为了编码电机。

  一般还有另一种选择，就是步进电机，步进电机也是开环控制电机，但它和我们平常见到的减速电机不同之处在于，它通过电磁学原理，能够精准地转过一个角度，实际上，它内部也有控制电路，会把当前的转角与目标转角进行比较，最终实现精确的控制，从原理上看，更像是舵机。

编码马达原理介绍

  讲了以上三种电机，到底该用哪一种呢？综合控制精度和实现难度来考虑，不论是独轮车，还是二轮车，还是三轮车，或是四轮车，一般我们都会选用编码马达。要会用编码马达，一定要学习一下编码器原理。下面就来做详细介绍：

角位移测量

如图所示

  把码盘上面那个器件想象成一个光电传感器，能够侦测到每一道狭缝经过，这样返回的波形就是一个周期性方波，如下图。这样的话，数一数共有多少周期，就能计算出转动过的角度。而电机轴转过一圈有多少周期就称为编码器的分辨率。显然，分辨率越高，编码器测出的转角就越精准。当然不能一味地通过刻槽来提高分辨率，为了达到目的，一般将码盘安装在减速电机未经减速的一端，甚至理论上可以通过齿轮组使其转速更快。这样一来，轮子转过一圈，码盘就转了好几圈。比如一个减速比30的减速电机，其分辨率就增加到30倍。
  另外还有一种办法，能够注意到下面图中有两个方波，也就是相当于有两个光电传感器，或者是有两圈槽，测出的波形分别称为A B相，其相位差90度。若A相上行下行各计一次，B相同样，这样分辨率就又提高到四倍，效果立竿见影。

速度测量

  速度测量原理其实就很明了了，只要在测角位移的同时记录时间，位移除以时间即为速度。这里的难点在于用Arduino实现涉及到中断函数和计时函数，这会在下一篇详细进行介绍。

转动方向测量

  对于双相编码器，其目的主要并不是为了提高分辨率，而是为了测出电机转动方向。

原理是这样的：比如图中所示的情况，我们关注A相，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。这是，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。

总结

  关于马达就这么多了吧，编码马达一直在用，但直到最近才搞得比较清楚，本人也不是机械专业的，肯定有很多认识是存在偏颇的。若有不足，欢迎指正。
  下一篇会有Arduino控制编码马达的代码实现。