如何用電機(jī)制作全向輪的機(jī)器人底盤

項(xiàng)目需求

在制作一個(gè)使用全向輪的機(jī)器人底盤，對于全向輪，電機(jī)的精度是影響效果的重要因素。所以使用了步進(jìn)電機(jī)，使用步進(jìn)電機(jī)的優(yōu)點(diǎn)是可以不使用編碼器，開環(huán)控制即可達(dá)到高精度的效果。

調(diào)整占空比或者調(diào)整周期

眾所周知，PWM有兩個(gè)重要參數(shù)，周期與占空比。
步進(jìn)電機(jī)的運(yùn)動(dòng)方式是，每收到一個(gè)脈沖,就旋轉(zhuǎn)指定的角度。因此影響電機(jī)速度的唯一參數(shù)就是PWM的頻率。以下附圖兩張來說明調(diào)整占空比與調(diào)整周期的區(qū)別。

周期固定，調(diào)整占空比

上圖中有4個(gè)PWM，它們的周期是一樣的，不同之處是擁有從80%至20%的占空比?？梢钥闯?，無論占空比為多少，在1s內(nèi)，它們產(chǎn)生的高電平的數(shù)量是一樣的，即無論占空比為多少，PWM的頻率都一致。因此也就無法調(diào)整步進(jìn)電機(jī)的速度。因?yàn)椴竭M(jìn)電機(jī)的速度僅與PWM的頻率有關(guān)。

占空比固定，調(diào)整周期

上圖中有4個(gè)PWM，它們的占空比都固定為50%，卻擁有不同的周期?？梢钥闯觯词拐伎毡裙潭?，只要?jiǎng)討B(tài)調(diào)整周期，PWM就能在相同時(shí)間內(nèi)產(chǎn)生數(shù)量不同的脈沖。因此，固定占空比，動(dòng)態(tài)調(diào)整PWM周期，即可達(dá)到控制步進(jìn)電機(jī)速度的效果。

基于STM32的實(shí)現(xiàn)

在STM32F1中，定時(shí)器具有PWM模式，可以用來產(chǎn)生PWM。但是，STM32的PWM模式，只要確定了時(shí)基單元(即確定了PWM周期)，改變輸出比較寄存器，僅可改變PWM的占空比。
若需要改變PWM周期，需不停地改變定時(shí)器的時(shí)基單元。但時(shí)基單元與硬件相關(guān)，不適合頻繁變更。因此，步進(jìn)電機(jī)的調(diào)速，不適合使用STM32下定時(shí)器的PWM模式來控制。
在多方查找資料后，確定了一種利用輸出比較精確控制PWM周期的方式。

利用輸出比較產(chǎn)生頻率可變的PWM

利用輸出比較產(chǎn)生頻率可變的PWM，原理簡單介紹如下：
首先配置定時(shí)器時(shí)基單元，確定脈沖最小長度單位CK。
然后開啟定時(shí)器的輸出比較，設(shè)置模式為翻轉(zhuǎn)模式，并開啟輸出比較中斷。
將定時(shí)器內(nèi)計(jì)數(shù)器CNT當(dāng)前值，加上脈沖長度X(單位為CK)，寫入輸出比較寄存器。
在X個(gè)CK后，將會(huì)觸發(fā)輸出比較中斷。同時(shí)電平翻轉(zhuǎn)。
在中斷中再次將當(dāng)前計(jì)數(shù)器CNT的值，加上脈沖長度X，寫入輸出比較寄存器。
在X個(gè)CK后，將會(huì)觸發(fā)輸出比較中斷。同時(shí)電平翻轉(zhuǎn)。
在中斷中再次將當(dāng)前計(jì)數(shù)器CNT的值，加上脈沖長度X，寫入輸出比較寄存器。
如此往復(fù)……
以此即可得到一個(gè)占空比為50%，周期為2X個(gè)CK的PWM。

確定最小單位CK，配置時(shí)基單元

首先確定一個(gè)最小的間隔CK，規(guī)定PWM的高電平長度和低電平長度的單位都是CK。
即高電平的長度一定是CK的整數(shù)倍。低電平亦然。
然后配置定時(shí)器的時(shí)基單元，通過CK的長度確定預(yù)分頻系數(shù)。
已知STM32F103的主頻為72MHZ，則時(shí)基單元中預(yù)分頻系數(shù)為

PSC = 72M / (1/CK)

例如，rtz所確定的CK長度為10us(0.00001s)，即可得出方程。

預(yù)分頻系數(shù)確定為720后，由高速晶振產(chǎn)生的72MHZ的時(shí)鐘信號(hào)被720分頻，得到100000HZ的時(shí)鐘信號(hào)。即時(shí)鐘信號(hào)每秒變動(dòng)100000次。每次10us。同時(shí)可將重裝載值設(shè)定為0XFFFF（16位定時(shí)器的最大值）。因?yàn)楸敬问褂玫妮敵霰容^模式不使用更新中斷，該值可隨意設(shè)置。

TIM_TimeBaseStructure.TIM_Period = 0XFFFF;
TIM_TimeBaseStructure.TIM_Prescaler =720;
TIM_TimeBaseStructure.TIM_ClockDivision = TIM_CKD_DIV1;
TIM_TimeBaseStructure.TIM_CounterMode = TIM_CounterMode_Up;
TIM_TimeBaseInit(TIM2, &TIM_TimeBaseStructure);

開啟輸出比較通道，設(shè)置輸出比較模式為翻轉(zhuǎn)模式，并配置NVIC，開啟輸出比較中斷，配置輸出比較通道：

TIM_OCInitStructure.TIM_OCMode = TIM_OCMode_Toggle;
TIM_OCInitStructure.TIM_Pulse = 500;
TIM_OCInitStructure.TIM_OutputState = TIM_OutputState_Enable;
TIM_OCInitStructure.TIM_OCPolarity = TIM_OCPolarity_High;
TIM_OCInitStructure.TIM_OCIdleState = TIM_OCIdleState_Set;
TIM_OCInitStructure.TIM_OCNIdleState = TIM_OCIdleState_Reset;
TIM_OC1Init(TIM2, &TIM_OCInitStructure);

開啟輸出比較中斷，配置NVIC優(yōu)先級(jí)：

TIM_ITConfig(TIM2, TIM_IT_CC1, ENABLE);
NVIC_InitStructure.NVIC_IRQChannel = TIM2_IRQn;
NVIC_InitStructure.NVIC_IRQChannelPreemptionPriority = 0;
NVIC_InitStructure.NVIC_IRQChannelSubPriority = 0;
NVIC_InitStructure.NVIC_IRQChannelCmd = ENABLE;
NVIC_Init(&NVIC_InitStructure);

編寫中斷服務(wù)函數(shù)

在輸出比較中斷中，唯一要做的事情就是把當(dāng)前CNT的值取出，加上脈沖長度X，寫入輸出比較寄存器。
當(dāng)計(jì)數(shù)器達(dá)到0XFFFF(之前設(shè)定的重裝載值)后，再加一會(huì)自動(dòng)變?yōu)?span id="9zdrl7f"    class="hljs-number">0.
例如,當(dāng)前CNT值為0XFFFF,脈沖長度為5，很明顯，輸出比較寄存器應(yīng)設(shè)置為0X0004才可觸發(fā)下一次中斷,而不是0X10004,這樣會(huì)造成溢出。
因此將CNT的值與脈沖長度相加后，需要取0XFFFF的余數(shù)后，再寫入輸出比較寄存器。

int t_m=5;//低電平和高電平的長度
void TIM2_IRQHandler(void)
{
  if (TIM_GetITStatus(TIM2, TIM_IT_CC1) != RESET) {
    TIM_SetCompare1(TIM2,(TIM2- >CNT+t_m)%0XFFFF);
    TIM_ClearITPendingBit(TIM2, TIM_IT_CC1);
  }
}

動(dòng)態(tài)調(diào)整中斷服務(wù)函數(shù)中的變量t_m,即可達(dá)到修改PWM頻率的效果。