【文章內容簡介】 流有刷電機具有機械特性硬，響應速度快，調速范圍寬的特點，滿足兩輪自平衡小車對靈敏性、快速性等要求，雖然電機的電刷會是電機的壽命縮短，還會引發(fā)電磁干擾。但是由于本設計負載較輕，換向器和電刷的損耗較低。小車采用多層機械結構，電機驅動電路與其他電路分離，有效降低電磁干擾。綜上所述，本設計使用兩個6V帶有減速齒輪的直流有刷電機驅動兩輪自平衡小車。 系統(tǒng)最終方案使用STM32RBT6為主控芯片，通過IIC接口讀取陀螺儀傳感器L3G4200和加速度傳感器ADXL345的數據，再將兩者數據融合測出小車的姿態(tài)，最終通過PID輸出PWM電機控制信號，由電機驅動完成對電機的控制。此外，為了調試方便，除了設計了上述給模塊外，還擴展了JLINK接口，使用的是SWD模式，用于仿真調試，同時擴展了串口電路，在系統(tǒng)運行時將需要觀察的數據通過串口傳輸到電腦上，以記錄數據和繪出數據波形，查看濾波和PID效果。系統(tǒng)方框圖如圖5所示。圖5 系統(tǒng)方框圖4 主要芯片介紹和系統(tǒng)模塊硬件設計 加速度傳感器ADXL345MEMS(MicroElectroMechanical Systems)微機電系統(tǒng)有一類傳感器是加速度傳感器。ADXL345是一款由ANALOG DEVICES 公司生產3軸加速度計，功耗低，包分辨率高(13位)，測量范圍達177。 16g。數字輸出數據為16位二進制補碼格式，可通過SPI(3線或4線)或I2C數字接口訪問。該加速度傳感器電路的應用電路如圖6所示。圖6 加速度傳感器電路ADXL345非常適合移動設備應用。它可以在傾斜檢測應用中測量靜態(tài)重力加速度，還可以測量運動或沖擊導致的動態(tài)加速度(張志強，2011)。其高分辨率()，176。的傾斜角度變化。其集成式存儲器管理系統(tǒng)采用一個32級先進先出(FIFO)緩沖器，可用于存儲數據，從而將主機處理器負荷降至最低，并降低整體系統(tǒng)功耗。低功耗模式支持基于運動的智能電源管理，從而以極低的功耗進行閾值感測和運動加速度測量。數字接口讓加速度傳感器的外圍電路變得很簡單，主控芯片通過IIC即可初始化該芯片并讀取三軸的加速度值。表1 ADXL345 引腳功能管腳功能VDDGND地RESERVED廠家保留功能VSCS片選信號INT1中斷引腳1INT2中斷引腳2NC懸空SDAIIC數據線SCLIIC時鐘線ADXL345的各引腳功能如表1所示。圖6所示為ADXL345的應用電路，圖中INT1(Interrupt1)1號中斷線與INT2(Interrupt)2號中斷線與STM32的外部中斷引腳連接，SDA(synchronous Data Adapter)同步數據銜接器與SCL(Serial Communication Loop)串行通信環(huán)路引腳通過上拉電阻與主控芯片的硬件IIC接口連接，進行IIC通訊。當INT1或者INT2發(fā)生低電平時，表明傳感器內部數據已經準備好，此時可通過IIC接口讀出加速度計三個軸的數據。在讀取三軸加速度數據之前，應對ADXL345進行必要的初始化。ADL345具有可設置的多個量程，即177。 2g，177。 4g，177。 8g，177。 16g這三個量程，在此應該設置為177。 16g滿量程?？刹捎霉潭ǖ? mg/LSB 分辨率模式，176。的傾角變化。將電源模式設置為低功耗模式，以減小對鋰電池的消耗。使能引腳中斷，單片機可以通過此外部中斷，觸發(fā)對三軸加速度數據的讀取，用中斷觸發(fā)的方式可以較少系統(tǒng)計算周期，提高電機有效控制頻率。 圖7 加速度傳感器測量角度原理圖7是以傳感器為基準簡建立的三維坐標系，從傳感器讀出的數據通過一定的運行可以算出傳感器的各類傾斜角，其中，θ正是平衡車要消除的角度，車身傾斜角度可以通過公式(1)計算出。式(1)中，A是各軸輸出的加速度分量。 (1) 陀螺儀傳感器L3G4200D加速度計主要是用來測量靜態(tài)加速度，而動態(tài)的加速度值對系統(tǒng)是一種干擾，用陀螺儀測量出車體的角速度信號能夠有效的去除動態(tài)的干擾，兩種裝置并用可以在動態(tài)條件下實時的計算出自平衡車的傾角信息(馮智勇等，2011)。本方案采用的陀螺儀傳感器型號是L3G4200。L3G4200D 是意法半導體(ST)近日推出一款業(yè)界獨創(chuàng)、采用一個感應結構檢測3 條正交軸向運動的3 軸數字陀螺儀。該3軸數字陀螺儀讓用戶可以設定全部量程，量程范圍從 177。250 dps～177。2000 dps，低量程數值用于高精度慢速運動測量，而高量程則用于測量超快速的手勢和運動。這款器件提供一個16位數據輸出，以及可配置的低通和高通濾波器等嵌入式數字功能。其應用引腳功能如表2所示。表2 L3G4200 引腳功能管腳功能VDDGND地RESERVED廠家保留功能VSCS片選信號INT中斷引腳NC懸空SDAIIC數據線SCLIIC時鐘線與加速度傳感器的數字接口一致，也是通過用SDA和SCL與主控芯片的硬件IIC接口進行通訊，其應用電路如圖8所示。圖8 陀螺儀傳感器電路從圖8可看出L3G4200的應用電路比較簡單，不需外接模數轉換器等負責的電路，使用極其方便。通過IIC接口即可讀出三軸的角速度，再將讀出的數據乘以所設置的量程對應的敏感度，即可得出每個周的角速度，單位為dps(degree per second)。 主控電路本設計的兩輪自平衡小車采用STM32F103R8單片機為主控芯片。STM32系列基于專為要求高性能、低成本、低功耗的嵌入式應用專門設計的ARM CortexM3內核。STM32F103R8具有以下特點：采用ARM 32位CortexM3內核，最高時鐘頻率72MHz，,快速的指令執(zhí)行速度使主控芯片能夠運行復雜的濾波和控制算法。提高控制器的實時控制能力。片內高達64kB Flash和20kB SRAM，為復雜的算法程序提供足夠的存儲和運行空間。兩個12位的16通道模擬/數字轉換器(ADC),轉換速度高達1Msample/s，ADC支持規(guī)則轉換序列和注入轉換序列兩種轉換模式，支持DMA模式，轉換結果的搬運不需要CPU干預，提高程序運行效率。主控及其外圍電路如圖9所示圖9 主控芯片及其外圍電路圖9中控制電路包括主控芯片、時鐘電路、復位電路、模擬電路供電電路。時鐘采用8MHz外部晶振作為時鐘源，通過主控芯片內部PLL倍頻后使主控芯片運行在72MHz。主控芯片為低電平復位，復位電路通過阻容電路構成上電復位電路。最小系統(tǒng)還引出了不需要使用的SPI，IIC，UART等接口，方便后續(xù)功能的擴張和調試。 電機驅動電路本設計中使用減速直流有刷電機作為兩輪自平衡車的驅動電機，電機采用H橋驅動方式，使用脈寬調制方式調節(jié)電機兩端電壓有效值，達到調速的目的[7]。電機驅動電路如圖10所示。圖10所示電路只給出了半橋驅動電路，H橋左右兩個橋臂電路完全相同。圖10 電機驅動電路本設計采用MOSFET作為驅動電路的開關器件，MOSFET型號為IRFR1205，開啟電壓最大值為VGS=，適合電池供電的應用；在VGS=10V時，RDS=，低導通電阻一方面提高開關效率，另一