四驅式直流無刷電機小車的設計

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計可全地形快速運動的小車，以麥克納姆輪式四驅小車的直流無刷電機為控制對象，采用CAN總線的通訊協議控制控制編碼電機進行控制小車，以STM32F407單片機作為數據處理中心，通過PID調節電機的轉速和工作狀態，設計出可以靈活運動的四驅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 ?四驅式小車背景與研究現況

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

2 ?四驅小車結構設計

2.1 總體結構設計

利用麥克納姆輪底盤結構設計出四驅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調節穩定直流無刷電機轉速，保證4個直流無數電機控制的麥克納姆輪的轉速無限接近來確保小車底盤的穩定性。通過整合功能部件，使各個機構緊密相連劃分功能區域完善整體性，通過程序的調度優化小車的運動性能，在運動的同時保證車身的穩定性。

2.2 電源結構設計

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

2.3 底盤結構設計

因為對于設計的小車中應當靈活運動，故使用麥克納姆輪內部結構。利用四個直流無刷電機，并能有效使麥克納姆輪的旋轉，就可以實現前進、平移、后退、旋轉以及其他復雜運動，基本上實現全方位的移動。

3 ?驅動系統設計

目前市面上的通訊協議有較為傳統RS485通訊協議和CAN總線通訊協議。我們選用的CAN總線有著很大的優勢。

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

②對于錯誤的測試制度，RS485僅僅規定了物理層，而是沒數據鏈路層，因此對發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測，自動轉換錯誤的狀態，適時的關閉總線，進而維護總線。所以在網絡安全性能上，CAN總線無疑比RS485更好。

考慮到四驅小車中同步運動關系復雜，總線的選擇選用CAN總線。為了實現4個直流無刷電機同時控制的復雜關系，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動器，在配有CAN總線控制以及收發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。控制器向各個伺服單元發送控制指令和位置到達指令的時候，各個伺服電機的狀態信息可以實時的反饋給傳達到控制器，按照所接受信息在需要的時候實時地修改并糾正伺服參數，各個伺服驅動器可以通過這些參數輸出PWM信號給直流無刷電機進行運動。

4 ?控制系統設計

增量式PID調節分析，對于數字信號展開的模擬PID而是展開控制，能叫做連續PID控制，函數稱為：

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

通過對u（t）的拉式變換后可以得出PID控制器的傳遞函數。

對于連續PID控制以一定離散化辦法離散之后便可以獲得數字化PID控制，離散的實質是采樣，假設采樣為周期采樣，采樣周期為T，離散自變量為n，再根據位置式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Kp、Ki、Kd和前3次偏差采樣值。圖1為增量式PID調速框圖[2]。增量式PID步驟僅需要算出控制增量，所得結果誤差小，控制量相對穩定，所以非常適合直流電機調速系統。

5 ?運動原理

采用麥克納姆輪式的四驅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動力的小滾子，因此可以任意轉動，滾子的母線十分獨特，車輪繞著固定的輪心軸旋轉的時候，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地沿一個方向旋轉。由四個這種輪相互配合，組合，就可使設備實現任意方位運動[3]。

同時系統所有輪都是驅動輪，通過CAN總線通訊方式，以增量式PID調節電機轉速，不僅能實現全方位運動，且驅動性能較好。相比于傳統的舵機小車更有優勢。

6 ?總結及展望

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個電機進行調速，這個方法是建立小功率直流電機控制系統能夠對24V直流電機在多個速度狀態進行設計。

本次設計的麥克納姆輪式的四驅式直流無刷電機小車，不僅僅可以精準高效的控制移動和全方位運動，在速度上比傳統小車有著巨大的優勢，可以在多個不同的地段進行運動。同時，通過完成該四驅式小車的設計制作過程，可以鍛煉學生的團結合作能力，應用機械設計、控制原理等多門課程的知識點。是當前和未來新能源汽車的道路，可以通過以當前的四驅控制可以通過功率放大和改進設計來實現。

參考文獻：

[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].長春工程學院學報（自然科學版），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。