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一種步進小車的解決方案,徹底解決小車跑不走直線的問題

步進小車這個想法源于一次智能車比賽:規則要求小車要不借助引導線走一段直線和精確地轉向,于是用一般直流電機嘗試了一段時間發現各種方法都不太理想,問題的根源還是在于對直流電機轉速的控制不夠精確;于是就想能不能采用步進電機來從根本上解決這個問題。

一般我們接觸到的步進電機大都分為兩種:一種是這種圓形帶減速機構的微型步進電機,如圖:

73848d1001e93901942b0f7a79ec54e736d19622

這種電機通過減速機構獲得了較大的力矩,但是最高轉速非常有限,做小車顯然不合適;

另一種就是這種體型比較大的方塊塊,如圖:

6d84f2d3572c11dfc83f3d67612762d0f603c261

這種電機體積、重量、功率都較大,但是在較高轉速下還能維持一定力矩,看起來還不錯,所以就選它啦。

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heal
LV.3
2
2014-02-17 22:23

從X寶上購入兩個二手42型步進電機(新的太貴啦),所謂42型就是只電機的邊長為42mm,大家可以根據小車大小選不同的型號,順便在買兩個配套的電機座,不然安裝很麻煩的。

根據電機座在小車地盤上打孔,把電機裝上,效果如下:

值得注意的是:由于我們的步進電機是2相4線制,所以兩個電機總共需要8通道的驅動單元,而一個我們常用的L298芯片只有4個單元,所以我們需要準備兩個L298芯片。

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daylight
LV.4
3
2014-02-17 23:44
@heal
從X寶上購入兩個二手42型步進電機(新的太貴啦),所謂42型就是只電機的邊長為42mm,大家可以根據小車大小選不同的型號,順便在買兩個配套的電機座,不然安裝很麻煩的。根據電機座在小車地盤上打孔,把電機裝上,效果如下:[圖片]值得注意的是:由于我們的步進電機是2相4線制,所以兩個電機總共需要8通道的驅動單元,而一個我們常用的L298芯片只有4個單元,所以我們需要準備兩個L298芯片。
這個電機里面帶行星減速齒輪嗎?上個拆開的圖給大家看看結構嘛?
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heal
LV.3
4
2014-02-17 23:46
@daylight
這個電機里面帶行星減速齒輪嗎?上個拆開的圖給大家看看結構嘛?
就是步進電機,不帶任何齒輪機構的
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heal
LV.3
5
2014-02-17 23:46
@daylight
這個電機里面帶行星減速齒輪嗎?上個拆開的圖給大家看看結構嘛?
行星減速機好貴的
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heal
LV.3
6
2014-02-17 23:47

接下來要解決程序的問題,步進電機的驅動原理是和直流電機不同的,(還不知道原理的請自行百度),大概可以分為三種驅動方式:

其中,單四拍,也叫1相式,任何時候都只有一相通電,這種方式可以達到較高的轉速,但力矩較小;

雙四拍,也叫2相式,這種方式和單四拍相反,力矩較大但轉速低;

最后是八拍,也叫1-2相混合式,這種方式介于上面兩種方式之間,在轉速和力矩之間取得平衡,比較推薦,所以我們就選它啦

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heal
LV.3
7
2014-02-17 23:48

聯系到實際中的實現也很簡單,我們只要在L298的4個端口產生像上圖中的時序就行了,我做出來之后是這樣:

這樣做了之后,電機確實如期望的那樣轉起來了,不過同時又出現了一個大問題:電機和L298芯片就像插上的烙鐵一樣迅速升溫直到燙手。而且轉速越低越燙,我猜想原因應該是這樣,在電機的兩步之間,也就是上圖中兩根綠線之間,有一段時間,(也就是電機完成單步轉動之后到下一次轉動之前的時間),電機幾乎是處于靜止的狀態,而這段時間線圈里的電流就會迅速增長,導致發熱;

通過查閱網上成熟的步進電機控制器設計,我發現他們的解決辦法大都是通過檢測相電流,然后調節PWM頻率來實現不讓電機通過過大的電流;

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heal
LV.3
8
2014-02-17 23:50

所以我們也必須增加一路PWM來保證電機的安全,通過實驗我發現,不用電流檢測而是用軟件來模擬產生pwm的簡易方法,也可以取得不錯的效果,所以通過調試,最終的驅動波形如下圖:

 

最上面為pwm控制,同時接在L298的EnA和EnB兩個端口;從上圖能看到,我把兩步之間的時間分成了兩部分,一部分是電機正在轉動,pwm直接輸出高電平,保證轉動時有足夠的力矩,當轉動完成后,開始輸出pwm波,直到下一次轉動開始;而pwm的占空比是隨速度變化的,速度越低斬空比越小;而在接近最高轉速時就完全關閉占空比,來保證輸出力矩:

 

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for_real
LV.3
9
2014-02-17 23:52
@heal
所以我們也必須增加一路PWM來保證電機的安全,通過實驗我發現,不用電流檢測而是用軟件來模擬產生pwm的簡易方法,也可以取得不錯的效果,所以通過調試,最終的驅動波形如下圖:[圖片] 最上面為pwm控制,同時接在L298的EnA和EnB兩個端口;從上圖能看到,我把兩步之間的時間分成了兩部分,一部分是電機正在轉動,pwm直接輸出高電平,保證轉動時有足夠的力矩,當轉動完成后,開始輸出pwm波,直到下一次轉動開始;而pwm的占空比是隨速度變化的,速度越低斬空比越小;而在接近最高轉速時就完全關閉占空比,來保證輸出力矩:[圖片] 
 這算是變相的改變了電機的啟動電壓?
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heal
LV.3
10
2014-02-17 23:59
@for_real
 這算是變相的改變了電機的啟動電壓?
電壓是沒有改變的,只是限制了電流
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heal
LV.3
11
2014-02-18 00:17
@heal
所以我們也必須增加一路PWM來保證電機的安全,通過實驗我發現,不用電流檢測而是用軟件來模擬產生pwm的簡易方法,也可以取得不錯的效果,所以通過調試,最終的驅動波形如下圖:[圖片] 最上面為pwm控制,同時接在L298的EnA和EnB兩個端口;從上圖能看到,我把兩步之間的時間分成了兩部分,一部分是電機正在轉動,pwm直接輸出高電平,保證轉動時有足夠的力矩,當轉動完成后,開始輸出pwm波,直到下一次轉動開始;而pwm的占空比是隨速度變化的,速度越低斬空比越小;而在接近最高轉速時就完全關閉占空比,來保證輸出力矩:[圖片] 

為了解決電機突然啟動或停止導致小車抖動,我還專門設計了一個啟動/停止程序,波形如下:

電機速度慢慢升高,就可以有效消除抖動

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heal
LV.3
12
2014-02-18 00:19
@heal
為了解決電機突然啟動或停止導致小車抖動,我還專門設計了一個啟動/停止程序,波形如下:[圖片]電機速度慢慢升高,就可以有效消除抖動
最后說明,這只是個簡陋的低成本的控制方案,如要實現高精度的控制還請使用專門的細分控制器吧;關于程序,因為當時比賽限制了單片機型號,所以程序都是寫給凌陽SPCE061A的,要移植到其他單片機比較麻煩,有興趣的同學可以參考這個思路自己寫一個
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for_real
LV.3
13
2014-02-18 00:20
@heal
為了解決電機突然啟動或停止導致小車抖動,我還專門設計了一個啟動/停止程序,波形如下:[圖片]電機速度慢慢升高,就可以有效消除抖動
感覺這是不是變頻啟動停止?
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01夏至
LV.2
14
2014-02-18 00:23
@heal
為了解決電機突然啟動或停止導致小車抖動,我還專門設計了一個啟動/停止程序,波形如下:[圖片]電機速度慢慢升高,就可以有效消除抖動
你步進電機上的齒輪哪里買的?
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H280570255
LV.1
15
2014-02-19 04:20
@01夏至
你步進電機上的齒輪哪里買的?
這個帖子很好,對單片機有興趣的童鞋都 可以來這里探討一下,我也正做這方面的試驗,希望大家共同交流學習,想一下樓主截的圖是什么軟件畫出來的,能說一下嗎,我想控制直流電機的速度,市場上基本都 是加啊控制器,我想控制器也是單片機做的,可能加了減速裝置,再加上PWM處理,我用L298N試驗過,空載,發熱太厲害,最后不動了,鑒于Lib98n的原理,我想用逆變電源上的開關原件IRF3205實現PWM調整直流電機的通斷頻率,再加上散熱片等,就可以解決問題,有興趣的朋友大家可以一起試下,
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heal
LV.3
16
2014-02-22 22:22
@01夏至
你步進電機上的齒輪哪里買的?
什么齒輪?
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01夏至
LV.2
17
2014-02-22 22:23
@heal
什么齒輪?
你那小車的車輪是直接接電機上的嗎

 

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heal
LV.3
18
2014-02-22 22:24
@01夏至
你那小車的車輪是直接接電機上的嗎 
聯軸器

 

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金魚1
LV.3
19
2014-02-22 22:26
@heal
什么齒輪?
樓主 你可聽說過PID算法
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close3
LV.5
20
2014-02-22 22:28
@for_real
感覺這是不是變頻啟動停止?
對直流電機測速,然后pd進行脈寬調節。為了保證反應速度,不用i
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stony_s
LV.3
21
2014-02-22 22:29
@H280570255
這個帖子很好,對單片機有興趣的童鞋都可以來這里探討一下,我也正做這方面的試驗,希望大家共同交流學習,想一下樓主截的圖是什么軟件畫出來的,能說一下嗎,我想控制直流電機的速度,市場上基本都是加啊控制器,我想控制器也是單片機做的,可能加了減速裝置,再加上PWM處理,我用L298N試驗過,空載,發熱太厲害,最后不動了,鑒于Lib98n的原理,我想用逆變電源上的開關原件IRF3205實現PWM調整直流電機的通斷頻率,再加上散熱片等,就可以解決問題,有興趣的朋友大家可以一起試下,
想過用步進電機,之前做小車主要問題是小車慣性大,循跡速度快時容易跑飛。了接過PID算法,但感覺很難
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heal
LV.3
22
2014-02-22 22:30
@stony_s
想過用步進電機,之前做小車主要問題是小車慣性大,循跡速度快時容易跑飛。了接過PID算法,但感覺很難
這個做循跡不太適合
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heal
LV.3
23
2014-02-22 22:32
@金魚1
樓主你可聽說過PID算法
知道,我只是說一種解決方法而已
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金魚1
LV.3
24
2014-02-22 22:32
@heal
知道,我只是說一種解決方法而已
步進這東西,總歸有卡頓的

 

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heal
LV.3
25
2014-02-22 22:33
@金魚1
步進這東西,總歸有卡頓的 
卡頓?
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matou
LV.3
26
2014-02-22 22:35
@heal
知道,我只是說一種解決方法而已
12年的電賽時想出來的辦法?

 

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heal
LV.3
27
2014-02-22 22:38
@matou
12年的電賽時想出來的辦法? 
不是,只是個學校內部的比賽而已
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matou
LV.3
28
2014-02-22 22:39
@heal
不是,只是個學校內部的比賽而已
13年時改成四軸了,沒研究過的確實不好弄
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heal
LV.3
29
2014-02-22 22:40
@heal
不是,只是個學校內部的比賽而已
太坑了,還有旋轉倒立擺,完全措手不及
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backin
LV.4
30
2014-02-22 22:41
@heal
卡頓?
樓主好,你是在哪家店買的步進電機,能發個鏈接嗎
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vidas
LV.2
31
2014-02-22 22:42
@heal
不是,只是個學校內部的比賽而已

好厲害的樣子

 

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