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[知识点] 机器人大赛传感器系统及其选型（旋转编码器专篇）

大赛传感器系统及其选型（旋转编码器专篇）

旋转编码器基本原理

旋转编码器是很多需要精确控制的场合的必须，一般配合电机使用。具体如图，电机尾端的电路板和黑色圆环就是霍尔式旋转编码器。
机器人大赛传感器系统及其选型（旋转编码器专篇）图1
本质上，旋转编码器是将旋转角度转化为高低电平变化的传感器。在霍尔式旋转编码器上，黑色的圆环是一个拥有若干对磁极的磁环，固定在电机轴上；电路板上有微型霍尔元件，可以检测其所在位置磁场的变化。当电机旋转时，霍尔传感器所处位置的磁场不断变化，从而输出高低电平。当电机匀速旋转时，波形如图：
机器人大赛传感器系统及其选型（旋转编码器专篇）图2
可以看到，输出信号是双相的，相位差为90°，这是因为在电路板上就有两个相位差为90°的霍尔元件。这种编码器叫作双相编码器，大部分旋转编码器均采用这种模式，主要原因在于，双相编码器可以根据两相脉冲电平跳变的规律判断电机的正反转。具体原因请参考图中正旋输出和反旋输出的规律。

要记住，旋转编码器的电位是随着电机的位置（角度）变化的，而非速度、加速度或其他；旋转编码器的信号跳变一次，对应电机旋转了一固定角度。

旋转编码器的应用及PID

实际应用中，一般将脉冲间隔记录下来，或者记录固定时间内的脉冲数，从而计算电机的速度、位置等信息，进而对其进行控制。不同的单片机有不同的方式来接受编码器传来的信息，需要注意，不同的记录方法往往有天壤之别。

接受、得到了需要的信息，我们需要对其（一般是电机）进行一定的控制。经典的控制算法为PID算法，即比例、积分、微分算法，在此我会作简单介绍。其中，P是核心算法，I或D通常必须配合P而存在

我们用旋转编码器接收信号、单片机输出PWM波来控制电机。我们可以简单地把PWM的占空比认为是油门，把旋转编码器经过处理后得到的速度值认为是汽车表盘速度。

P控制

P控制，即比例控制。可以这么理解：当汽车速度低于我们的期望值时，就踩油门，差距越大就越用力，当这个差距缩小时就把油门放小。如果这个差距为零，油门就松开——当然，大家清楚，这样是不可能达到我们的期望值的，因为汽车的速度本身就需要油门来维持，随着油门渐渐放小，汽车的加速也会放缓，最终稳定在一个和目标速度有一定差距的固定值上。在控制学上，这个差距称为“稳态误差”，基本上任何纯比例控制都无法避免稳态误差的存在。

具体算法上：

油门=kp*（目标速度-实际速度）

式中kp为比例调节量的比例系数，也就是所谓“调PID”时需要调试的内容之一。

对于电机速度的P控制：
PWM占空比=kp*（目标转速-实际转速）

电机角度的P控制：
PWM占空比=kp*（目标角度-实际角度）

PI控制

I控制，即微分控制，是为了消除比例控制下的稳态误差而存在。

还是以汽车为原型。之前我们用P来踩油门，存在稳态误差。见半天达不到目标速度，发了火，用力一脚油门，速度就上去了，也就没了稳态误差。

当然，电子线路可不会发火。它是把当前和之前几次的误差量加起来（积分），乘以比例系数，作为控制信号输出。算法累积之前误差量的数量，就叫作积分时间。

对于电机速度的PI控制：
PWM占空比=kp*（目标转速-实际转速）+∑（目标转速-实际转速）
（输入法限制，在∑处应当写上积分时间的内容的，见谅）

对电机角度的PI控制同上，不再重复。在调试I的时候，不光要调试ki，还要调试积分时间。I项的正负与P项保持一致。

PD控制

D控制是为了抑制系统的超调趋势的——超调，其实就是俗称的“过了头”。

汽车上，就是一大脚油门，速度过了头，或者错过了路口；电机上，就是PWM值过高，速度或角度超过了期望值。当然，司机开车过头就过头了，但电机在超调以后会立即进入另一个反向的控制过程中，然后继续超调，继续反向控制，在若干次超调振动的过程中，振幅逐渐减小，最后稳定下来。如果没有D来抑制系统超调趋势，这样的振动会存在较长的一段时间，影响控制的效果；在某些系统中，这样的振动还会一直存在下去。超调的幅度和超调振动存在的时间受P和I的影响，kp和ki越大，超调越严重。

为了抑制超调，以使用更大的kp和ki达到更快的控制速度，便引入了微分控制，即D控制。

同样以汽车为例，D控制就是人感觉加速的“推背感”太强了，仪表盘飞快地上升，害怕了，就收了一脚油门。

对于电机速度的PD控制：
PWM占空比=kp（目标转速-实际转速）+kd（（本次目标转速-本次实际转速）-（上次目标转速-上次实际转速））

式中，D项和P项的正负保持相反。

PID控制

而PID控制，就是把P、I、D这三者均引入。

对于电机速度的PID控制：
PWM占空比=kp（目标转速-实际转速）+ki∑（目标转速-实际转速）+kd（（本次目标转速-本次实际转速）-（上次目标转速-上次实际转速））

所谓的“调PID”，就是调试该式中的kp、ki、kd以及积分时间，以达到更快的响应速度和更小的超调。

我并没有太多调PID的经验，所以不好给出详细的PID调试说明，见谅。百度可以搜到不少PID调试教程，大家可以参考。
实际使用

事实上，我们往往用不到完整的PID。一般在保证电机一致性较好、工况较稳定的情况下，PD足以达到较好的控制效果。调试PD参数时，可以采取P多（超调过大）加D，D多（速度被抑制较严重）加P的方式，调废了就降下来……才疏学浅，不再献丑……

编码器的种类和选型

之前介绍了霍尔编码器，这是比赛中最常见的旋转编码器。另外一种是光电编码器，在性能上要超过霍尔编码器，但较容易损坏，价格也更高。
机器人大赛传感器系统及其选型（旋转编码器专篇）图3
上图是光电式旋转编码器的原理图，和霍尔编码器原理类似，不过磁环变成了光栅，霍尔元件成了光电对射传感器。同样，光电编码器也多采用双相结构，使用方法与霍尔编码器无异。

以下是两种常见的光电编码器：
机器人大赛传感器系统及其选型（旋转编码器专篇）图4 机器人大赛传感器系统及其选型（旋转编码器专篇）图5
左边的编码器结构保护完善、结实，性能也更可靠，但是体积大、价格高，安装要求也比较高，极少用于我们的比赛中；右边则是机器人比赛中常见的光电旋转编码器，体积小、价格低，缺点是较容易损坏。

光电编码器相比霍尔编码器有着压倒性的优势——光电编码器的线数很容易就可以做到500、1000甚至2000，市面上有成熟的产品，而霍尔编码器的霍尔极对数一般也就十几对，精度完全是两个概念。线数的压倒性优势使得光电编码器有着更高的控制响应和精度，更加适应低速场合。当然，光电编码器对单片机和程序的要求也更高一些，因为有更多的数据需要处理。

一般而言，磁环编码器绰绰有余，只有少部分电机直驱或者追求高精度、快速响应控制的时候才需要光电编码器。

另外，编码器中还有更高精度（线数达到2^16）、性能更全面的绝对值磁环编码器，一般集成在云台里面，我们基本用不到，不再赘述。

购买与选型

首先讲霍尔编码器。霍尔编码器一般不单卖，而是直接安装在电机上，作为编码电机出售。没有太多要挑选的，把电机选好即可，霍尔编码器基本不会出什么问题，出了问题也只能换电机。

光电编码器可以自己搜索，但是产品的种类大多不齐全，特别是光栅的安装孔经常不和电机轴配套。这里我推荐博丰盛的光电编码器，主要是其提供从1mm直10mm甚至更大的安装孔。当然，价格也更贵一些，大约50RMB左右，还算可以接受。要注意的是，光电旋转编码器的尺寸一般都较大，如果要安装在电机尾端，那么就需要555甚至更大直径的电机才合适，因为光电编码器的尺寸是稍大于霍尔编码器的。

购买光电编码器时一定要特别注意安装问题，包括光栅直径、光栅安装孔直径等等。

大多数情况，建议大家直接购买霍尔编码电机。

作者：南京航空航天大学，周子阳
本文未获得作者授权，不得转载
2019/7/6