第 8 章电机测速(自学二刷笔记)

重要参考：

课程链接: https://www.bilibili.com/video/BV1Ci4y1L7ZZ

讲义链接: Introduction · Autolabor-ROS机器人入门课程《ROS理论与实践》零基础教程

8.3.3 电机测速01_理论

测速实现是调速实现的前提，本节主要介绍AB相增量式编码器测速原理。

1.概念

百度百科关于编码器介绍如下：

编码器（encoder）是将信号（如比特流）或数据进行编制、转换为可用以通讯、传输和存储的信号形式的设备。编码器把角位移或直线位移转换成电信号，前者称为码盘，后者称为码尺。按照读出方式编码器可以分为接触式和非接触式两种；按照工作原理编码器可分为增量式和绝对式两类。增量式编码器是将位移转换成周期性的电信号，再把这个电信号转变成计数脉冲，用脉冲的个数表示位移的大小。绝对式编码器的每一个位置对应一个确定的数字码，因此它的示值只与测量的起始和终止位置有关，而与测量的中间过程无关。

2.测速原理

关于编码器相关概念简单了解即可，在此需要着重介绍的是 AB相增量式编码器测速原理：

AB相编码器主要构成为A相与B相，每一相每转过单位的角度就发出一个脉冲信号(一圈可以发出N个脉冲信号)，A相、B相为相互延迟1/4周期的脉冲输出，根据延迟关系可以区别正反转，而且通过取A相、B相的上升和下降沿可以进行单频或2倍频或4倍频测速。

3.测速举例

假设编码器旋转1圈输出11个脉冲，减速比为 90。伪代码如下：

单频计数：

cpp 复制代码

//设置一个计数器
int count = 0;
//当A为上升沿时
if(B为高电平){
    count++;
}else {
    count--;
}
//....
//速度=单位时间内统计的脉冲的个数 / （11*90） / 单位时间

2倍频计数：

cpp 复制代码

//设置一个计数器
int count = 0;
//当A为上升沿时
if(B为高电平){
    count++;
}else {
    count--;
}
//当A为下降沿时
if(B为低电平){
    count++;
}else {
    count--;
}

//....
//速度=单位时间内统计的脉冲的个数 / （11*2*90） / 单位时间

4倍频计数：

cpp 复制代码

//设置一个计数器
int count = 0;
//当A为上升沿时
if(B为高电平){
    count++;
}else {
    count--;
}
//当A为下降沿时
if(B为低电平){
    count++;
}else {
    count--;
}
//当B为上升沿时
if(A为低电平){
    count++;
} else {
    count--;
}
//当B为下降沿时
if(A为高电平){
    count++;
} else {
    count--;
}
//....
//速度=单位时间内统计的脉冲的个数 / （11*4*90） / 单位时间

8.3.4 电机测速02_实现

**需求:**统计并输出电机转速。

**思路:**先统计单位时间内以单频或2倍频或4倍频的方式统计脉冲数，再除以一圈对应的脉冲数，最后再除以时间所得即为电机转速。

**核心:**计数时，需要在A相或B相的上升沿或下降沿触发时，实现计数，在此需要使用中断引脚与中断函数。

Arduino Mega 2560 的中断引脚：2 (interrupt 0), 3 (interrupt 1),18 (interrupt 5), 19 (interrupt 4), 20 (interrupt 3), 21 (interrupt 2)

实现流程:

编写Arduino程序先实现脉冲数统计；
编写Arduino程序再实现转速计算相关实现；
上传到Arduino并测试。

1.编码实现脉冲统计

核心知识点：attachInterrupt()函数(请参考 8.2.2 介绍)。

代码:

cpp 复制代码

/*
 * 测速实现:
 *  阶段1:脉冲数统计
 *  阶段2:速度计算
 * 
 * 阶段1:
 *  1.定义所使用的中断引脚,以及计数器(使用 volatile 修饰)
 *  2.setup 中设置波特率，将引脚设置为输入模式
 *  3.使用 attachInterupt() 函数为引脚添加中断出发时机以及中断函数
 *  4.中断函数编写计算算法，并打印
 *    A.单频统计只需要统计单相上升沿或下降沿
 *    B.2倍频统计需要统计单相的上升沿和下降沿
 *    C.4倍频统计需要统计两相的上升沿和下降沿
 *  5.上传并查看结果
 *  
 * 
 */
int motor_A = 21;//中端口是2
int motor_B = 20;//中断口是3
volatile int count = 0;//如果是正转，那么每计数一次自增1，如果是反转，那么每计数一次自减1 


void count_A(){
  //单频计数实现
  //手动旋转电机一圈，输出结果为 一圈脉冲数 * 减速比
  /*if(digitalRead(motor_A) == HIGH){

    if(digitalRead(motor_B) == LOW){//A 高 B 低
      count++;  
    } else {//A 高 B 高
      count--;  
    }


  }*/

  //2倍频计数实现
  //手动旋转电机一圈，输出结果为 一圈脉冲数 * 减速比 * 2
  if(digitalRead(motor_A) == HIGH){

    if(digitalRead(motor_B) == HIGH){//A 高 B 高
      count++;  
    } else {//A 高 B 低
      count--;  
    }


  } else {

    if(digitalRead(motor_B) == LOW){//A 低 B 低
      count++;  
    } else {//A 低 B 高
      count--;  
    }  

  }

}

//与A实现类似
//4倍频计数实现
//手动旋转电机一圈，输出结果为 一圈脉冲数 * 减速比 * 4
void count_B(){
  if(digitalRead(motor_B) == HIGH){

    if(digitalRead(motor_A) == LOW){//B 高 A 低
      count++;
    } else {//B 高 A 高
      count--;
    }


  } else {

    if(digitalRead(motor_A) == HIGH){//B 低 A 高
      count++;
    } else {//B 低 A 低
      count--;
    }

  }

}

void setup() {
  Serial.begin(57600);//设置波特率  
  pinMode(motor_A,INPUT);
  pinMode(motor_B,INPUT);
  attachInterrupt(2,count_A,CHANGE);//当电平发生改变时触发中断函数
  //四倍频统计需要为B相也添加中断
  attachInterrupt(3,count_B,CHANGE);
}


void loop() {
  //测试计数器输出
  delay(2000);
  Serial.println(count);

}

2.转速计算

思路：需要定义一个开始时间(用于记录每个测速周期的开始时刻)，还需要定义一个时间区间(比如50毫秒)，时时获取当前时刻，当当前时刻 - 上传结束时刻 >= 时间区间时，就获取当前计数并根据测速公式计算时时速度，计算完毕，计数器归零，重置开始时间

核心知识点：当使用中断函数中的变量时，需要先禁止中断noInterrupts() ，调用完毕，再重启中断interrupts()(关于noInterrupts与interrupts请参考 8.2.2 介绍)。

代码(核心):

2中代码除了 loop 实现，无需修改。

cpp 复制代码

int reducation = 90;//减速比，根据电机参数设置，比如 15 | 30 | 60
int pulse = 11; //编码器旋转一圈产生的脉冲数该值需要参考商家电机参数
int per_round = pulse * reducation * 4;//车轮旋转一圈产生的脉冲数 
long start_time = millis();//一个计算周期的开始时刻，初始值为 millis();
long interval_time = 50;//一个计算周期 50ms
double current_vel;

//获取当前转速的函数
void get_current_vel(){
  long right_now = millis();  
  long past_time = right_now - start_time;//计算逝去的时间
  if(past_time >= interval_time){//如果逝去时间大于等于一个计算周期
    //1.禁止中断
    noInterrupts();
    //2.计算转速 转速单位可以是秒，也可以是分钟... 自定义即可
    current_vel = (double)count / per_round / past_time * 1000 * 60;
    //3.重置计数器
    count = 0;
    //4.重置开始时间
    start_time = right_now;
    //5.重启中断
    interrupts();

    Serial.println(current_vel);

  }
}

void loop() {

  delay(10);
  get_current_vel();

}

3.测试

将代码上传至Arduino，打开出口监视器，手动旋转电机，可以查看到转速信息。

第 8 章 电机测速(自学二刷笔记)

8.3.3 电机测速01_理论

1.概念

2.测速原理

3.测速举例

8.3.4 电机测速02_实现

1.编码实现脉冲统计

2.转速计算

3.测试

第 8 章电机测速(自学二刷笔记)