電機(jī)驅(qū)動(dòng)器如何通過(guò)I2C接口使用PID算法控制電機(jī)

該電機(jī)驅(qū)動(dòng)器能夠通過(guò)I2C接口使用PID算法控制電機(jī)，精確控制電機(jī)從未如此簡(jiǎn)單。

項(xiàng)目描述

這是一款智能電機(jī)驅(qū)動(dòng)器(又稱(chēng)SAMI)，設(shè)計(jì)用于運(yùn)行微型齒輪電機(jī)，該電路板的目標(biāo)是通過(guò)相應(yīng)的轉(zhuǎn)速反饋對(duì)該電機(jī)實(shí)施PID控制。板子上包含了所有必需的組件，因此可以自行工作運(yùn)行。

供電和命令發(fā)送都是通過(guò)I2C接口。

主機(jī)控制器和電機(jī)驅(qū)動(dòng)器之間通過(guò)I2C進(jìn)行通信，發(fā)送包括電機(jī)速度、轉(zhuǎn)向在內(nèi)的命令。SAMI自動(dòng)實(shí)現(xiàn)PID控制。SAMI上的電路板執(zhí)行具體的電機(jī)控制算法，從而減輕了主機(jī)控制器的負(fù)荷。您還可以通過(guò)I2C讀取電機(jī)的狀態(tài)并對(duì)它進(jìn)行配置。

SAMI能夠驅(qū)動(dòng)電機(jī)，使軸上負(fù)載走完所需的距離或達(dá)到一定的角度，然后在達(dá)到目標(biāo)值時(shí)自動(dòng)停止。這是機(jī)器人技術(shù)的理想選擇，簡(jiǎn)化了執(zhí)行精確運(yùn)動(dòng)控制所需的許多艱苦工作。而且，可以把多個(gè)模塊連接到同一條I2C總線上，注意，這里的多個(gè)模塊是指很多電機(jī)!

對(duì)于任何人來(lái)說(shuō)，制作先進(jìn)的機(jī)器人從來(lái)沒(méi)有這么簡(jiǎn)單過(guò)!現(xiàn)在，只需要把SAMI這個(gè)模塊和你的電機(jī)連接到一起即可。

項(xiàng)目細(xì)節(jié)

這是一款設(shè)計(jì)用來(lái)控制微型齒輪電機(jī)的智能電機(jī)驅(qū)動(dòng)器(也稱(chēng)為SAMI)，這塊電路板的目標(biāo)是使用霍爾效應(yīng)傳感器檢測(cè)到的轉(zhuǎn)速反饋，輕松地在SAMI上實(shí)現(xiàn)PID控制。SAMI有自己的微控制器和H橋，能夠自己完成電機(jī)控制和驅(qū)動(dòng)操作。

主機(jī)上的微控制器(或者任何支持I2C端口的系統(tǒng))通過(guò)I2C和智能電機(jī)驅(qū)動(dòng)器進(jìn)行通信，發(fā)送包括電機(jī)速度、轉(zhuǎn)向在內(nèi)的命令。SAMI自動(dòng)實(shí)現(xiàn)PID控制算法，保持速度，并在電機(jī)的動(dòng)態(tài)運(yùn)行中增加或減少功率以控制轉(zhuǎn)矩和速度。

此外，該控制器能夠驅(qū)動(dòng)電機(jī)軸上負(fù)載走完所需的距離或角度，然后在達(dá)到目標(biāo)值時(shí)自動(dòng)停止。因此，如果用來(lái)驅(qū)動(dòng)一個(gè)輪子，你必須同時(shí)制定輪子的直徑和變速比等參數(shù)。

為了感應(yīng)電機(jī)的轉(zhuǎn)速，我使用了磁編碼器盤(pán)，它沿著磁盤(pán)表面極化。因此霍爾效應(yīng)傳感器可以檢測(cè)磁盤(pán)磁場(chǎng)的變化并將信號(hào)發(fā)送到微控制器上。微控制器使用定時(shí)器和中斷計(jì)算電機(jī)轉(zhuǎn)速，微控制器利用轉(zhuǎn)速作為反饋，運(yùn)行PID控制算法，并處理和主機(jī)的通信。

這款智能電機(jī)驅(qū)動(dòng)器的主要設(shè)計(jì)思想是用在機(jī)器人中，通過(guò)使用它來(lái)控制機(jī)器人的輪子，無(wú)論表面是否光滑，電池電量是否充足還是機(jī)器人負(fù)荷重量發(fā)生了變化，都可以進(jìn)行精確的運(yùn)動(dòng)控制。

此外，它還可以防止因?yàn)橥蝗患铀倩蛘咧苿?dòng)造成齒輪脫載，并避免電流沖擊，這樣可以保證您寶貴的電機(jī)的安全。

提供了一個(gè)Arduino庫(kù)，幫助你方便地使用該智能電機(jī)驅(qū)動(dòng)器。你可以快速、方便地把它插入到大量電機(jī)上使用。

特征

安裝在微型直流電機(jī)的背面，安裝方便;

可以輕松控制電機(jī)的速度和轉(zhuǎn)向;

達(dá)到既定距離或角度時(shí)自動(dòng)停止;

支持多種控制模式，包括帶有或者不帶自動(dòng)停止功能的簡(jiǎn)單PWM控制或PID控制;可添加安全的方向轉(zhuǎn)變功能;

通過(guò)I2C進(jìn)行通信，可以通過(guò)軟件更改地址;

可同時(shí)控制很多電機(jī)，最多支持在同一條I2C總線上掛載128個(gè)模塊;

可以通過(guò)軟件啟動(dòng)或禁用I2C的內(nèi)部上拉電阻;

可以把配置保存在EEPROM中;

讀取電機(jī)的實(shí)際轉(zhuǎn)速，并檢查是否發(fā)生了故障;

完全可配置;

易于使用的高精度電機(jī)控制;

尺寸小;

提供可用的Arduino庫(kù)。

技術(shù)規(guī)格

電機(jī)電壓可達(dá)11v;

最大電機(jī)連續(xù)電流峰值高達(dá)1.7A和1.8A;

邏輯電壓范圍為3-5v;(稍后的版本經(jīng)測(cè)試后可支持到1.8v范圍)

默認(rèn)I2C地址為0x24;

過(guò)流保護(hù)和過(guò)熱保護(hù);

要復(fù)位默認(rèn)的I2C地址，請(qǐng)?jiān)谏想姇r(shí)將MCLR焊盤(pán)連接到地上;

標(biāo)準(zhǔn)1mm 5針JST連接器。

優(yōu)點(diǎn)

獨(dú)立進(jìn)行電機(jī)控制;

可實(shí)現(xiàn)更平穩(wěn)、更精確的動(dòng)作控制;

具有電機(jī)保護(hù)功能;

解決方案方便易用;

內(nèi)置電機(jī)速度反饋;

高響應(yīng)速度的PID控制算法，保持電機(jī)速度恒定;

避免出現(xiàn)可能損壞電源或電池的瞬態(tài)電流峰值;

如果事先指定，可自動(dòng)停在所需的距離或角度上;

與IMU等其他傳感器結(jié)合使用時(shí)，可實(shí)現(xiàn)性能強(qiáng)大的機(jī)器人導(dǎo)航解決方案;

開(kāi)源設(shè)計(jì)。

安裝

要將SAMI安裝到電機(jī)上，只需要把它和電機(jī)的驅(qū)動(dòng)線、反饋線焊接在一起，并如下視頻所示放置編碼器。

重要提示：您的電機(jī)軸上必須留出足夠的位置，以便放置編碼器!

管腳

通過(guò)JST連接器和SAMI進(jìn)行通信;

ICSP管腳用于更新固件;

MCLR管腳用于復(fù)位模塊的默認(rèn)I2C地址。

PCB布局

PCB厚0.8mm，尺寸為10 mm x 20 mm，雙層板。

這是一個(gè)還在開(kāi)發(fā)階段的項(xiàng)目，也是一個(gè)開(kāi)源項(xiàng)目，如果您有任何能夠改進(jìn)它的想法，隨時(shí)歡迎修改。你還可以自行調(diào)整硬件和軟件設(shè)計(jì)，以支持更大功率的電機(jī)，你還可以增加第二個(gè)編碼器，甚至可以用它來(lái)運(yùn)行步進(jìn)電機(jī)。