【文章內(nèi)容簡介】 號；最后，送單片機 AD 口進行數(shù)據(jù)采集 [4]。 感應(yīng)電路設(shè)計采用 LC 諧振回路作為選頻網(wǎng)絡(luò)，選頻網(wǎng)絡(luò)的諧振頻率 為 20kHz。根據(jù)公式 可以選定電感電容的參數(shù) [5]。 ()012πfLC?此電路設(shè)計選取 10mH 工字型電感和 電容，圖 是 LC 選頻網(wǎng)絡(luò)電路圖和示波器顯示的 OUT 端輸出的波形。圖 LC 選頻網(wǎng)絡(luò)電路圖和示波器顯示的 OUT 端輸出的波形 放大電路設(shè)計電感輸出的電壓為幾十毫伏，輸出電壓比較小，不利于單片機進行數(shù)據(jù)采集，需要對信號進行放大。放大電路的原理圖如圖 所示。10R483LM5VCINPUTO圖 放大電路原理圖此電路利用同相比例運算放大器進行信號放大，選取 LM358 芯片（此芯片單雙電源供電均可，性能穩(wěn)定，應(yīng)用電路簡單，能滿足設(shè)計要求），其中 R1 為定值電阻，R2 為可調(diào)電阻，這樣可以調(diào)節(jié)放大倍數(shù)，INPUT 端( )接電感的輸出信號，OUTPUTiU端( )為放大后的輸出信號。根據(jù)式 可以計算出放大后的電壓 [5]。0U ()20i1()R??放大后電壓基本能達到 3V 左右，輸出波形如圖 所示。圖 放大后的輸出波形 檢波、濾波電路設(shè)計因為運算放大器采用單電源供電，所以放大后的信號是半波信號。如果對放大后的信號進行檢波，基本上可以得到直流信號，再經(jīng)過濾波，信號就更加穩(wěn)定、平整，這樣將信號直接接入單片機的 AD 口進行 AD 轉(zhuǎn)換后再行處理。本設(shè)計采用 AD 轉(zhuǎn)換的方式采集數(shù)據(jù)，檢波、濾波電路如圖 所示。 104C35kR2DOUTPIN圖 檢波、濾波電路原理圖圖 中，INPUT 端接入放大以后的信號，OUTPUT 端輸出慮波以后的信號。檢波電路中選用肖特基二極管 DD2，因為其管壓降低于普通二極管，開關(guān)特性優(yōu)于普通二極管，CR2 組成 RC 濾波電路進行濾波。 電磁線檢測整體電路將以上幾部分電路組合起來便構(gòu)成電磁線檢測電路。 68mHLadjMVF圖 電磁線檢測整體電路 角度傳感器電路車模傾角傳感器電路主要是將陀螺儀(ENC03)信號進行放大濾波。由于加速度傳感器采用是低 值的傳感器MMA7260，它是一款三軸低 半導(dǎo)體加速度計，可以同時輸g g出三個方向上的加速度模擬信號，它的輸出信號非常大，不需要再進行放大，只要使其對應(yīng)控制端為低電平，選擇MMA7260最高的靈敏度， OUT端則輸出加速度計Z軸信號。 圖 陀螺儀應(yīng)用電路，將陀螺儀(ENC03)的輸出信號經(jīng)運算放大器(TLV2211)進行放大，其中，RR5為分壓電阻，放大倍數(shù)≈R4/R2=R3/R1 ，并將零點偏置電壓調(diào)整到工作電源的一半()左右，最終輸出角速度對應(yīng)的電壓值，放大倍數(shù)需要根據(jù)選取的傳感器輸出靈敏度設(shè)計。 電機驅(qū)動電路系統(tǒng)所用動力來源為直流電機，系統(tǒng)運行的速度要提高就要設(shè)計好電機驅(qū)動模塊，此模塊必須在低電壓的情況下提供大電流，而且必須可控，在可靠性和穩(wěn)定性都要滿足的條件下還要考慮到散熱，緩沖保護，響應(yīng)速度和工作轉(zhuǎn)矩等。另一方面，電動機在運行期間不僅要控制正轉(zhuǎn)的速度，當(dāng)遇到需要減速的路況時就要讓電動機反轉(zhuǎn)制動，要讓驅(qū)動模塊滿足正反轉(zhuǎn)的功能，而H橋電路就是控制電機正反轉(zhuǎn)的，控制原理也較為簡單，電路也穩(wěn)定 [6]。由于設(shè)計所用車模具有兩個后輪驅(qū)動電機，因此需要兩組電機驅(qū)動橋電路。所以，此次設(shè)計選用了四片BTS7960兩兩級聯(lián)組成兩組全橋驅(qū)動電路。其應(yīng)用電路原理圖如。1GND2I3H4OUT5SR67VKPWM0F.圖 電機驅(qū)動電路，VIN為電源輸入端口端， PWMPWM2 為信號控制端，OUTOUT2 為輸出端接電機。每片BTS7960 內(nèi)部為半橋結(jié)構(gòu)，只有一路PWM信號輸入及一路輸出，它具有輸出功率大、性能穩(wěn)定等特點。為了提高電源的應(yīng)用效率，驅(qū)動電機的PWM波形采用了單極性的驅(qū)動方式，也就是在一個PWM周期內(nèi)，施加在電機上的電壓為一種電壓 [6]。因此每個電機為了能夠?qū)崿F(xiàn)正反轉(zhuǎn)，都需要兩個PWM 信號,兩個電機總共需要4路PWM 信號來控制其運行。為了防止電機輸出電流對于電源的沖擊，在電路板的電源輸入端口并聯(lián)了一個1000微法的電容,由于輸出信號復(fù)雜，為了進一步避免輸出干擾，可以在輸出端并聯(lián)一。 速度傳感器為了使得智能車能夠平穩(wěn)地沿賽道導(dǎo)引線運行，速度傳感器起著非常重要作用，控制車模的直立、速度、方向都必須準(zhǔn)確的判斷兩個電機的轉(zhuǎn)動方向與轉(zhuǎn)速大小。這樣才能形成一個閉環(huán)的自動控制系統(tǒng)，使得兩輪直立小車更加穩(wěn)定、準(zhǔn)確、快速的沿規(guī)定賽道運行。速度傳感器有很多種，鑒于光電編碼器安裝簡單，輸出信號比較規(guī)整，而且增量式光電編碼器可以輸出正比于轉(zhuǎn)速的脈沖，記錄單位時間內(nèi)的脈沖數(shù)就可以間接測取實時速度，所以選擇此類編碼器進行速度檢測。電磁車制作使用歐姆龍光電編碼器作為速度傳感器，安裝在車尾與傳動齒輪嚙合，使用與電機相同齒數(shù)的齒輪，相當(dāng)于直接測得電機的轉(zhuǎn)速。該光電編碼器的測量精度為200P/r，有AB 兩相輸出，相位差為 90176。177。45176。，信號波形為方波。在使用之前需進行測量，看其波形是否平整、穩(wěn)定，如果有紋波，考慮在信號端加上拉電阻，為其提供合適的功率，然后在測其輸出波形，以保證測速準(zhǔn)確。 電源模塊電路電源模塊對于一個控制系統(tǒng)來說極其重要，關(guān)系到整個系統(tǒng)是否能夠正常工作，因此在設(shè)計控制系統(tǒng)時應(yīng)選好合適的電源模塊。 、2022mA的蓄電池，然后經(jīng)過不同型號的穩(wěn)壓芯片對電源電壓穩(wěn)壓后為各模塊供電。傾角傳感器模塊需要，單片機系統(tǒng)、電磁線檢測電路中的運算放大器芯片、光電碼編碼器、驅(qū)動使能等均需要5V電源，、2022mA的蓄電池直接供電，系統(tǒng)電源分。7 . 2 V 蓄電池5 V7 . 2 V 3 . 3 V電機驅(qū)動 電磁傳感器 單片機 角度傳感器圖 系統(tǒng)電源分配5V芯片選取LM2940和LM2575兩種，其中LM2575 具有內(nèi)部損耗低、輸出功率大、應(yīng)用電路比較完整，主要為電磁線檢測電路中的功率運算放大器芯片供電，應(yīng)用電路。 ONFBGDUTI10mH LM2575穩(wěn)壓模塊LM2940芯片雖然內(nèi)部損耗較大，但是輸出電壓無紋波，信號十分穩(wěn)定，并且其應(yīng)用電路非常簡單，主要給單片機、驅(qū)動使能等供電。 LM2940穩(wěn)壓模塊，此芯片輸出電壓可調(diào)，而且其輸出信號穩(wěn)定，主要用于給兩個角度傳感器（陀螺儀和加速度傳感器）供電。 adj10K3 其他電路模塊系統(tǒng)電路設(shè)計中除了主要模塊電路外，還有其他輔助模塊電路，用于系統(tǒng)調(diào)試，譬如：撥碼開關(guān)、液晶顯示等。12348765SW DIPVC0KO圖 撥碼開關(guān)電路5 控制策略與算法研究通過前面的介紹，車?？刂齐娐分谱髋c安裝均已完畢。車模是否能夠正常高速穩(wěn)定運行，需要通過軟件編寫和調(diào)試來完成。 軟件功能與框架軟件的主要功能包括有：(1) 車模運行狀態(tài)檢測；(2) 電機PWM輸出；(3) 車模運行控制：直立控制、速度控制、方向控制；(4) 車模運行流程控制：程序初始化、車模啟動與結(jié)束。初始化上電運行啟動車模直立控制車模直立檢測車模是否跌倒 ？啟動車模方向控制 讀取速度設(shè)定開始速度控制正確運行否是車模停止運行 圖 主程序框架，程序上電運行后，便進行單片機的初始化。初始化的工作包括有兩部分，一部分是對于單片機各個應(yīng)用到的模塊進行初始化；第二部分是應(yīng)用程序初始化，是對于車?？刂瞥绦蛑袘?yīng)用到的變量值進行初始化。初始化完成后，首先進入車模直立檢測子程序，該程序通過讀取加速度計的數(shù)值判斷車模是否處于直立狀態(tài)。如果一旦處于直立狀態(tài)則啟動車模直立控制、方向控制以及速度控制，同時檢查車模是否跌倒，跌倒判斷通過車模傾角是否超過一定范圍進行確定，一定車模跌倒，則停止車模運行，然后重新進入車模直立判斷過程。 MC9S12XS128片內(nèi)資源簡介MC9S12XS128 微控制單元作為 MC9S12 系列的 16 位單片機，由標(biāo)準(zhǔn)片上外圍設(shè)備組成，包括 16 位中央處理器、128KB 的 Flash 存儲器、8KB 的 RAM、2KB 的EEPROM、兩個異步串行通信接口、兩個串行外圍接口、一組 8 通道的輸入捕捉或輸出捕捉的增強型捕捉定時器、兩組 8 通道 10 路模數(shù)轉(zhuǎn)換器、一組 8 通道脈寬調(diào)制模塊、一個字節(jié)數(shù)據(jù)鏈路控制器、29 路獨立的數(shù)字 I/O 接口、20 路帶中斷和喚醒功能的數(shù)字I/O 接口、 5 個增強型 CAN 總線接口 [7]。同時，單片機內(nèi)的鎖相環(huán)電路可使能耗和性能適應(yīng)具體操作的需要。MC9S12XS128 片內(nèi)資源表如圖 所示 [8]。圖 MC9S12XS128 片內(nèi)資源 主要的控制算法與實現(xiàn) PID控制簡介PID(Proportion Integral Differential)控制是模擬控制中最常用的控制規(guī)律，圖 是 PID 控制系統(tǒng)原理圖。 是系統(tǒng)的實際輸出值， 是給定值， 是給定值與實()yt ()rt()et際輸出值的差值，如式 所示 [9]。 ()()()etryt??式中， 作為 PID 控制的輸入， 作為 PID 控制器的輸出和被控對象的輸入。PID()et U的控制規(guī)律為，如式 所示。 ()1pd0i ()()()()ettKettT?????????式中， 為 PID 系統(tǒng)比例系數(shù)， 為 PID 系統(tǒng)積分系數(shù)， 為 PID 系統(tǒng)微分系數(shù)。pKiTd微分執(zhí)行機構(gòu) 對象積分比例U ( t )C ( t )r ( t ) e ( t )+++圖 PID 控制系統(tǒng)在計算機控制系統(tǒng)中，數(shù)字 PID 控制算法通常又分為位置式 PID 和增量式 PID。增量型算法與位置型算法相比，具有以下優(yōu)點：增量型算法不需要做累加，增量的確定僅與最近幾次偏差采樣值有關(guān)，計算精度對控制量的計算影響較小，而位置型算法要用到過去偏差的累加值，容易產(chǎn)生大的累加誤差；增量型算法得出的是控制量的增量，而位置型算法的輸出是控制量的全量輸出，誤動作影響大；采用增量型算法，易于實現(xiàn)手動到自動的無沖擊切換。比例環(huán)節(jié)的作用是調(diào)整瞬間偏差。偏差一旦產(chǎn)生控制器立即產(chǎn)生控制作用，使偏差向減少的方向變化?？刂谱饔玫膹娙跞Q于比例系數(shù)，比例系數(shù) 越大，控制作用越強，則過渡過程越快，控制過程的靜態(tài)偏差也就pKp越小。但是 過大，容易產(chǎn)生振蕩，破壞系統(tǒng)的穩(wěn)定性。因此，必須恰當(dāng)選擇比例系數(shù)才能減少過渡時間，并得到靜差小而又穩(wěn)定的效果。只要有偏差存在，積分部分的控制作用就會不斷地增強；只有在偏差為零時，控制器的積分才能是一個常數(shù)，控制作用才是一個不會增加的常數(shù)?？梢姡e分部分可以消除系統(tǒng)的偏差。但是，積分部分也會降低系統(tǒng)的響應(yīng)速度，增加系統(tǒng)的超調(diào)量。積分常數(shù)越大，積分的積累作用越弱，這時系統(tǒng)在過渡時不產(chǎn)生振蕩；但是增大積分常數(shù)會減慢靜態(tài)誤差的消除過程，消除偏差需要較長的時間，但可以減少超調(diào)量，提高系統(tǒng)的穩(wěn)定性。當(dāng) 較小時，則積分的作用較強，這時系統(tǒng)過渡時間中有可能產(chǎn)生iT振蕩，不過消除偏差所需的時間較短。所以必須根據(jù)實際控制的具體要求來確定 。iT運用 PID 控制的關(guān)鍵是調(diào)整三個比例系數(shù)，即參數(shù)整定。PID 參數(shù)整定的方法有兩大類：一是理論計算整定法。它主要是依據(jù)系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型，經(jīng)過理論計算確定控制器參數(shù)。由于智能車整個系統(tǒng)是機電高耦合的分布參數(shù)系統(tǒng)，并且要考慮引導(dǎo)線具體環(huán)境，要建立精確的智能車運動控制數(shù)學(xué)模型有一定難度，而且對車身機械結(jié)構(gòu)經(jīng)常進行不斷修正，模型參數(shù)變化較頻繁，可操作性不強；二是工程整定方法，它主要依賴工程經(jīng)驗，直接在控制系統(tǒng)的試驗中進行，且方法簡單，采用了這種方法，同時，先后實驗了幾種動態(tài)改變 PID 參數(shù)的控制方法 [10]。 車模直立控制車模直立控制是系統(tǒng)設(shè)計最為關(guān)鍵的一部分，車模直立是通過負反饋實現(xiàn)的。因為車模有兩個輪子著地，因此車體只會在輪子滾動的方向上發(fā)生傾斜?？刂戚喿愚D(zhuǎn)動，抵消傾斜的趨勢便可以保持車體直立了。控制車模穩(wěn)定需要以下條件：(1) 能夠精確測量車模傾角 角速度 的大?。??(2) 可以控制車輪的加速度。通過測量車模的傾角和傾角加速度控制車模車輪的加速度來消除車模的傾角。因此車模傾角以及傾角加速度的測量成為控制車模直立的關(guān)鍵。測量車模傾角和傾角加速度可以通過加速度傳感器和陀螺儀實現(xiàn)。MMA7260是一款三軸低 半導(dǎo)體加速度計，可以同時輸出三個方向上的加速度模g擬信號，通過設(shè)置可以使得MMA7260最大輸出靈敏度為 800mV/g。只需要測量其中一個方向上的加速度值，就可以計算出車模傾角，比如使用Z軸方向上的加速度信號。車模直立時，固定加速度器在Z 軸水平方向，此時輸出信號為零偏電壓信號。當(dāng)車模發(fā)生傾斜時，重力加速度 便會在Z軸方向形成加速度分量，從而引g起該軸輸出電壓變化。 ()sinuk???式中， 為重力加速度； 為車模傾角， 為比例系數(shù)。g?當(dāng)傾角比較小的時候，輸出電壓的變化可以近似與傾角