四驅(qū)式直流無刷電機小車的設(shè)計

郭競成　陳志超　胡林　王倪珂

摘要：本文是針對于運輸速度而設(shè)計可全地形快速運動的小車，以麥克納姆輪式四驅(qū)小車的直流無刷電機為控制對象，采用CAN總線的通訊協(xié)議控制控制編碼電機進(jìn)行控制小車，以STM32F407單片機作為數(shù)據(jù)處理中心，通過PID調(diào)節(jié)電機的轉(zhuǎn)速和工作狀態(tài)，設(shè)計出可以靈活運動的四驅(qū)式直流無刷電機小車。安裝小車成功后，小車運動速度比傳統(tǒng)運輸小車快而且可以全方位移動。

Abstract： This article is designed for the transportation speed and can be used for all-terrain fast-moving trolley. The brushless DC motor of Mecanum wheeled four-wheel drive trolley is used as the control object. The CAN bus communication protocol is used to control the control motor to control the trolley. The single-chip microcomputer is used as a data processing center， and the speed and working state of the motor are adjusted by PID to design a four-wheel drive DC brushless motor cart that can be flexibly moved. After the trolley is successfully installed， the trolley can move much faster than the traditional transport trolley.

關(guān)鍵詞：直流電機;CAN總線;PID控制;麥克納姆輪

Key words： DC Motor;CAN bus;PID control;Mecanum wheel

1 ?四驅(qū)式小車背景與研究現(xiàn)況

隨著科技水平的不斷提高，微電子和電機技術(shù)的結(jié)合取得了巨大成就，電力將成為未來汽車的主要能源，實現(xiàn)電機轉(zhuǎn)速的高速精確控制顯得尤為重要。電動汽車在各行各業(yè)開始展露頭角的發(fā)展，許多科研機構(gòu)和技術(shù)工作者對小車的驅(qū)動控制系統(tǒng)出了自己設(shè)計方法。如今兩驅(qū)系統(tǒng)的小車研究已經(jīng)趨近完善，但是四驅(qū)系統(tǒng)的小車構(gòu)建還有很大的發(fā)展空間，同時我國越來越重視提升大中小學(xué)生的科技創(chuàng)新能力，由于四驅(qū)式小車包含多學(xué)科知識點，可以讓學(xué)生綜合運用到多門學(xué)科的知識，而且在課堂上學(xué)的理論知識，在實際科研任務(wù)里也能有所發(fā)揮。因此筆者構(gòu)建四驅(qū)式直流無刷電機小車。

2 ?四驅(qū)小車結(jié)構(gòu)設(shè)計

2.1 總體結(jié)構(gòu)設(shè)計

利用麥克納姆輪底盤結(jié)構(gòu)設(shè)計出四驅(qū)式直流無刷電機小車，通過編碼電機帶動麥克納姆輪靈活運動，采用STM32F407單片機集中控制和分散模塊設(shè)計，采用keil編寫控制程序，通過CAN總線小車控制底盤編碼小車電機，利用增量式PID調(diào)節(jié)穩(wěn)定直流無刷電機轉(zhuǎn)速，保證4個直流無數(shù)電機控制的麥克納姆輪的轉(zhuǎn)速無限接近來確保小車底盤的穩(wěn)定性。通過整合功能部件，使各個機構(gòu)緊密相連劃分功能區(qū)域完善整體性，通過程序的調(diào)度優(yōu)化小車的運動性能，在運動的同時保證車身的穩(wěn)定性。

2.2 電源結(jié)構(gòu)設(shè)計

通過24V鋰電池作為主電池，采用并聯(lián)的方式對4個+24V的直流無刷電機進(jìn)行供電，利用LM317、二極管、電容、電阻等器件設(shè)計出24V轉(zhuǎn)5V的電源變換系統(tǒng)，通過穩(wěn)壓片給stm32F407進(jìn)行供電運行，輸入電源電壓為5V。由于STM32F407上自帶有5V轉(zhuǎn)換3.7V的電壓變換器，所以利用單片機直接與通訊設(shè)備進(jìn)行供電。

2.3 底盤結(jié)構(gòu)設(shè)計

因為對于設(shè)計的小車中應(yīng)當(dāng)靈活運動，故使用麥克納姆輪內(nèi)部結(jié)構(gòu)。利用四個直流無刷電機，并能有效使麥克納姆輪的旋轉(zhuǎn)，就可以實現(xiàn)前進(jìn)、平移、后退、旋轉(zhuǎn)以及其他復(fù)雜運動，基本上實現(xiàn)全方位的移動。

3 ?驅(qū)動系統(tǒng)設(shè)計

目前市面上的通訊協(xié)議有較為傳統(tǒng)RS485通訊協(xié)議和CAN總線通訊協(xié)議。我們選用的CAN總線有著很大的優(yōu)勢。

①總線使用率之上，使用單主從內(nèi)部結(jié)構(gòu)的RS485時一個總線之上只能聯(lián)接一臺主機，通訊均是由它們發(fā)起的，發(fā)送命令時需要等到發(fā)送完，收到回應(yīng)信號后，主機才能夠向下一個節(jié)點進(jìn)行發(fā)送信號，這樣做的目的是為了防止多個節(jié)點向總線發(fā)送數(shù)據(jù)而導(dǎo)致總線的發(fā)生混亂等。然而多主從內(nèi)部結(jié)構(gòu)的CAN總線不一樣，在CAN總線中的每一個結(jié)點均有CAN控制器，這樣的多個結(jié)點同時向外發(fā)送信號，輸出的時候?qū)τ诟鱾€不同信號源展開編纂ID號，以發(fā)送的ID號展開仲裁，選擇對應(yīng)的ID號展開接收，這個一個節(jié)點可以馬上探測到總線的空余，也迅速的發(fā)送，這樣就省去了主機的詢問時間，提高了總線的利用效率[1]。因此對于四驅(qū)式直流無刷電機的控制情況CAN總線是比RS485更好的通訊協(xié)議。

②對于錯誤的測試制度，RS485僅僅規(guī)定了物理層，而是沒數(shù)據(jù)鏈路層，因此對發(fā)生的錯誤是無法展開辨別的，除非是一些短路等物理錯誤，這樣的情況在一個節(jié)點破壞了，就會造成整個總線的癱瘓。然而CAN總線有CAN總線的芯片，可以對于總線的任何錯誤展開監(jiān)測，自動轉(zhuǎn)換錯誤的狀態(tài)，適時的關(guān)閉總線，進(jìn)而維護(hù)總線。所以在網(wǎng)絡(luò)安全性能上，CAN總線無疑比RS485更好。

考慮到四驅(qū)小車中同步運動關(guān)系復(fù)雜，總線的選擇選用CAN總線。為了實現(xiàn)4個直流無刷電機同時控制的復(fù)雜關(guān)系，在CAN總線上，接有與4個直流無刷電機的主控制器的伺服驅(qū)動器，在配有CAN總線控制以及收發(fā)器的通訊適配卡的傳感器以及伺服電機之上，各個伺服電機可以單片機通訊，這樣的傳輸更為便捷、快捷而且因為有ID號的原因，每一伺服電機脈沖之間基本沒有干擾?？刂破飨蚋鱾€伺服單元發(fā)送控制指令和位置到達(dá)指令的時候，各個伺服電機的狀態(tài)信息可以實時的反饋給傳達(dá)到控制器，按照所接受信息在需要的時候?qū)崟r地修改并糾正伺服參數(shù)，各個伺服驅(qū)動器可以通過這些參數(shù)輸出PWM信號給直流無刷電機進(jìn)行運動。

4 ?控制系統(tǒng)設(shè)計

增量式PID調(diào)節(jié)分析，對于數(shù)字信號展開的模擬PID而是展開控制，能叫做連續(xù)PID控制，函數(shù)稱為：

式中，u（t）為PID調(diào)節(jié)器的輸出;e（t）是PID調(diào)節(jié)器的誤差，Kp是份額回歸系數(shù)，Ti是積分時間常數(shù)，TD是函數(shù)時間常數(shù)。

通過對u（t）的拉式變換后可以得出PID控制器的傳遞函數(shù)。

對于連續(xù)PID控制以一定離散化辦法離散之后便可以獲得數(shù)字化PID控制，離散的實質(zhì)是采樣，假設(shè)采樣為周期采樣，采樣周期為T，離散自變量為n，再根據(jù)位置式PID控制公式，寫出n-1時刻的控制量：

在確定控制增量的時候需要知道系數(shù)Kp、Ki、Kd和前3次偏差采樣值。圖1為增量式PID調(diào)速框圖[2]。增量式PID步驟僅需要算出控制增量，所得結(jié)果誤差小，控制量相對穩(wěn)定，所以非常適合直流電機調(diào)速系統(tǒng)。

5 ?運動原理

采用麥克納姆輪式的四驅(qū)式直流無刷電機小車，麥克納姆輪的簡稱是“麥輪”。是一種可以進(jìn)行全方位任意移動的輪子。它由輪轂及圍繞輪轂的輥子組合而成，理論上麥克納姆輪得輥子軸線和輪轂軸線可以形成任意的夾角，但是現(xiàn)在普遍使用的都是45°夾角。輥子分布在輪轂的輪緣上，這些斜向的小車輪是可以順著傾斜角展開橫向滑移。輥子也是一種沒有驅(qū)動力的小滾子，因此可以任意轉(zhuǎn)動，滾子的母線十分獨特，車輪繞著固定的輪心軸旋轉(zhuǎn)的時候，每一個滾子的接觸面是為一定曲度的圓柱面，因而小車輪子能夠連續(xù)地沿一個方向旋轉(zhuǎn)。由四個這種輪相互配合，組合，就可使設(shè)備實現(xiàn)任意方位運動[3]。

同時系統(tǒng)所有輪都是驅(qū)動輪，通過CAN總線通訊方式，以增量式PID調(diào)節(jié)電機轉(zhuǎn)速，不僅能實現(xiàn)全方位運動，且驅(qū)動性能較好。相比于傳統(tǒng)的舵機小車更有優(yōu)勢。

6 ?總結(jié)及展望

采用STM32F407為中央處理器，以直流無刷電機作為控制對象，利用CAN總線控制4個電機進(jìn)行調(diào)速，這個方法是建立小功率直流電機控制系統(tǒng)能夠?qū)?4V直流電機在多個速度狀態(tài)進(jìn)行設(shè)計。

本次設(shè)計的麥克納姆輪式的四驅(qū)式直流無刷電機小車，不僅僅可以精準(zhǔn)高效的控制移動和全方位運動，在速度上比傳統(tǒng)小車有著巨大的優(yōu)勢，可以在多個不同的地段進(jìn)行運動。同時，通過完成該四驅(qū)式小車的設(shè)計制作過程，可以鍛煉學(xué)生的團(tuán)結(jié)合作能力，應(yīng)用機械設(shè)計、控制原理等多門課程的知識點。是當(dāng)前和未來新能源汽車的道路，可以通過以當(dāng)前的四驅(qū)控制可以通過功率放大和改進(jìn)設(shè)計來實現(xiàn)。

參考文獻(xiàn)：

[1]田克君，陳虎.基于CAN總線的多伺服電機同步控制[J].微計算機信息，2007，23（24）：40-42.

[2]林海波，王曉曦，劉奭昕.一種基于增量式字PID算法的智能溫度控制器[J].長春工程學(xué)院學(xué)報（自然科學(xué)版），2011，12（3）：86-89.

[3]朱磊磊，陳軍.輪式移動機器人研究綜述[J].機床與液壓，2009，37（8）：242-250.

作者簡介：郭競成（1999-），男，山西平遙人，本科在讀，研究方向為機器人工程。