【導讀】一輛基于PLC的智能小車。通過與上位機的串口通信和無線遙控，實現(xiàn)點位與平面運。智能小車設(shè)計的過程中，第一，建立小車運動模型，包括軌跡模型、車體模型和。行走模型；第二，對小車的模型進行相應的數(shù)學分析和推導。電路硬件與機械結(jié)構(gòu)將小車的模型完成。的制作，加深了對機械設(shè)計、電路制作的了解，達到對機械電子更深的學習。制和人工智能等。結(jié)合設(shè)計要求和實際的路徑模型，對運動模型進行了研究，并對運動模型。速度半閉環(huán)控制算法、行程半閉環(huán)控制算法等。兩個后輪分別由兩個直流電機驅(qū)動，前輪為兩?？刂频姆绞接袃煞N：一是計算機串口控制，二是無線遙控。有一定的避障能力。遇到障礙物會立刻停止運動，并發(fā)出警示聲音。的LED燈指示，轉(zhuǎn)彎、停止運動狀況時，LED均有不同有輸出。智能小車運動控制的重點是基于PLC的兩個電機的轉(zhuǎn)動速度與方向的控制。運動控制等，具有一定的參考價值。

　　

【正文】 要求不是很高的系統(tǒng)來說，并不適合。 控制 1 控制 2 驅(qū)動測量 1電機 機械測量 2 圖 34 電機 負反饋閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng) 對比各種控制系統(tǒng)的優(yōu)缺點，根據(jù)智能小車自身的控制精度要求，選擇速度 反饋閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)（半閉環(huán)） 。速度反饋采用光電編碼器與 PLC 的高速計數(shù)器來實現(xiàn) 。 直流電機 控制 在電 動 機的選擇上，從可控制性、儲電的簡易性等各方面的因素考慮，直流電機的電源更容易獲得。目前市場上用的電動車，大多數(shù)都是采用直流電機的，因為蓄電池提供直流電更為方便 直流電機基本概念 直流電機 是 實現(xiàn)直流電能和機械能互相轉(zhuǎn)換的 電機 。當它作電動機運行時是直流電動機，將電能轉(zhuǎn)換為機械能；作發(fā)電機運行時是 直流發(fā)電機 ，將機械能轉(zhuǎn)換為電能。 西南交通大學本科畢業(yè)設(shè)計（論文） 第 18 頁 直流電動機具有以下特點： (1)優(yōu)良的調(diào)速特性，調(diào)速平滑、精確、方便和范圍寬廣； (2)過載能力大，能承受頻繁的沖擊負載； (3)可實現(xiàn)頻繁的無級快速起動、制動相反轉(zhuǎn)； (4)能滿足生產(chǎn)過程自動化系統(tǒng)各種不向的特殊運行要求等特點。 因而特別適用于需要寬廣、精確調(diào)速的場合和要求有特殊遠行性能的自動控制系統(tǒng)，例如冶金礦山、交通運輻、紡織印染、造紙印刷以及化工與機床等工業(yè)。由于可以用薔電池電源供電運行，它還可以用作停電時的備用電動機或在特殊環(huán)境中使用的電動機。 直流電機調(diào)速 （ 1） 直流電機調(diào)速的方法 選擇 1） 改變電樞回路電阻調(diào)速 ； 2） 改變電樞電壓調(diào)速 ； 3） 采用直流電動機脈寬調(diào)速方法 ； 4） 改變勵磁電流調(diào)速 。 鑒 于方案三 調(diào)速特性優(yōu)良、調(diào)整平滑、調(diào)速范圍廣、過載能力大 ，因此本設(shè)計采用方案三。 （ 2） PWM 調(diào)速工作方式 選擇 PWM 調(diào)速工作方式有兩種。 方案一：雙極性工作制。雙極性工作制是在一個脈沖周期內(nèi)，單片機兩控制口各輸出一個控制信號，兩信號高低電平相反，兩信號的高電平時差決 定電動機的轉(zhuǎn)向和轉(zhuǎn)速。 方案二：單極性工作制。單極性工作制是單片機控制口一端置低電平，另一端輸出PWM 信號，兩口的輸出切換和對 PWM 的占空比調(diào)節(jié)決定電動機的轉(zhuǎn)向和轉(zhuǎn)速。 由于單極性工作制電壓波開中的交流成分比雙極性工作制的小，其電流的最大波動也比雙極性工作制的小，所以我們采用了單極性工作制。 （ 3） PWM 調(diào)脈寬方式選擇 PWM 調(diào)脈寬方式有三種：定頻調(diào)寬、定寬調(diào)頻和調(diào)寬調(diào)頻。我們采用了定頻調(diào)寬方式，因為采用這種方式，電動機在運轉(zhuǎn)時比較穩(wěn)定；并且在采用單片機產(chǎn)生 PWM 脈沖的軟件實現(xiàn)上比較方便。 H 橋調(diào)速電路 直流電機的調(diào)速 與方向控制，最常用的是 通過 H 橋硬件電路來實現(xiàn)的。 西南交通大學本科畢業(yè)設(shè)計（論文） 第 19 頁 （ 1） H 橋電路原理 圖 中所示為一個典型的直流電機控制電路。如圖所示， H 橋式電機驅(qū)動電路包括 4 個三極管和一個電機。要使電機運轉(zhuǎn)，必須導通對角線上的一對三極管。根據(jù)不同三極管對的導通情況，電流可能會從左至右或從右至左流過電機，從而控制電機的轉(zhuǎn)向。 圖 35 H 橋驅(qū)動電路 例如，如圖 所示，當 Q1 管和 Q4 管導通時，電流就從電源正極經(jīng) Q1 從左至右穿過電機，然后再經(jīng) Q4 回到電源負極。按圖中電流箭頭所示，該流向的 電流將驅(qū)動電機順時針轉(zhuǎn)動。當三極管 Q1 和 Q4 導通時，電流將從左至右流過電機，從而驅(qū)動電機按特定方向轉(zhuǎn)動（電機周圍的箭頭指示為順時針方向）。 圖 36 H 橋電路驅(qū)動電機順時針轉(zhuǎn)動 圖 44 所示為另一對三極管 Q2 和 Q3 導通的情況，電流將從右至左流過電機。當三極管 Q2 和 Q3 導通時，電流將從右至左流過電機，從而驅(qū)動電機沿另一方向轉(zhuǎn)動（電機周圍的箭頭表示為逆時針方向）。 圖 37 H 橋驅(qū)動電機逆時針轉(zhuǎn)動 西南交通大學本科畢業(yè)設(shè)計（論文） 第 20 頁 （ 2）電機驅(qū)動芯片 LMD18200 直流電機的驅(qū)動采用的是 H 橋電機驅(qū)動芯片 LMD18200。 LMD18200 是美國國家半導體公司 (NS)推出的專用于直流電動機驅(qū)動的 H 橋組件。同一芯片上集成有 CMOS 控制電路和 DMOS 功率器件，利用它可以與主處理器、電機和增量型編碼器構(gòu)成一個完整的運動控制系統(tǒng)。 1） LMD18200 的 主要性能 ： 6A，連續(xù)輸出電流達 3A； 55V； RDS(ON) typically per switch； ； “shoot through” 電流； 和過熱與短路保護功能； 145℃ ，結(jié)溫達 170℃ 時，芯片關(guān)斷； 。 2) 內(nèi)部結(jié)構(gòu)和引腳 說明 LMD18200 外形結(jié)構(gòu)如圖 38 所示，它有 11 個引腳 ,采用 TO220 和雙列直插式封裝。內(nèi)部電路框圖 39 如圖所示。 圖 38 LMD18200 外形結(jié)構(gòu)圖 西南交通大學本科畢業(yè)設(shè)計（論文） 第 21 頁 圖 39 LMD18200 內(nèi)部電路框圖 3)LMD18200 工作原理 部集成了四個 DMOS 管，組成一個標準的 H 型驅(qū)動橋。通過充電泵電路為上橋臂的 2個開關(guān)管提供柵極控制電壓，充電泵電路由一個 300kHz 左 右的工作頻率?？稍谝_ 11 外接電容形成第二個充電泵電路，外接電容越大，向開關(guān)管柵極輸入的電容充電速度越快，電壓上升的時間越短，工作頻率可以更高。引腳 10 接直流電機電樞，正轉(zhuǎn)時電流的方向應該從引腳步到引腳 10；反轉(zhuǎn)時電流的方向應該從引腳 10 到引腳 2。電流檢測輸出引腳 8 可以接一個對地電阻，通過電阻來輸出過流情況。內(nèi)部保護電路設(shè)置的過電流閾值為 10A，當超過該值時會自動封鎖輸出，并周期性的自動恢復輸出。如果過電流持續(xù)時間較長，過熱保護將關(guān)閉整個輸出。過熱信號還可通過引腳 9 輸出，當結(jié)溫達到 145度時引腳 9 有 輸出信號。 （ 3）電機驅(qū)動電路 雙直流電機的驅(qū)動電路如圖 310 所示。 西南交通大學本科畢業(yè)設(shè)計（論文） 第 22 頁 U3TLP5212U4TLP5212R910KR1010K+12V+12VR11R12R13VCC6PWM5DIR3ThermalF09CurrentS08Brake4GND7OUT12BootS11BootS211OUT210U2LMD18200VCC6PWM5DIR3ThermalF09CurrentS08Brake4GND7OUT12BootS11BootS211OUT210U1LMD18200X0X2U5TLP5212U6TLP5212R1410KR1510KR16R17R18X1X3+12V+12VC110nFC210nFC310nFC410nFMB1MotorMB2Motor+12V+12V+24V 圖 310 H 橋驅(qū)動電路 紅外反射傳感器 根據(jù)設(shè)計的控制系統(tǒng)，智能小車要求有避障的功能，于是需要選擇并應用一種傳感器。 防撞傳感器選擇 能夠用于小車避障的傳感器有很多種類型，比如說：超聲波傳感器、紅外線傳感器等。 超聲波傳感器： 指向性強，能量消耗緩慢，在介質(zhì)中傳播的距離較遠，因而超聲波。利用超聲波檢測往往比較迅速、方便、計算簡單、易于做到實時控制，并且在測量精度方面能達到工業(yè)實用的要求經(jīng)常用于距離的測量。 但 時價格較高。 紅外線傳感器： 因為紅外有發(fā)散性 ，能量消耗快，在介質(zhì)中傳播較短，一般的 可測量西南交通大學本科畢業(yè)設(shè)計（論文） 第 23 頁 范圍為 1080 厘米 ，只能用于近距離的障礙物檢測。但是其控制方便，并且價格低。 智能小車的設(shè)計速度為低速，最高速度為 1m/s。因此其障礙物傳感器的測距有 30cm就能滿足要求。因此選用紅外線傳感器。 反射式紅外傳感器的原理 圖 311 紅外反射光電傳感器原理 紅外反射 式光電傳感器特性與工作原理：反射式光電傳感器的光源有多種 ,常用的有紅外發(fā)光二極管 ,普通發(fā)光二極管 ,以及激光二極管 ,前兩種光源容易受到外界光源的干擾 ,而激光二極管發(fā)出的光的頻率較集中 ,傳感器只接收很窄的頻率范圍信號 ,不容易被干擾但價格較貴。理論上光電傳感器只要位于被測區(qū)域反射表面可受到光源照射同時又能被接收管接收到的范圍就能進行檢測 ,然而這是一種理想的結(jié)果。因為光的反射受到多種因素的影響 ,如反射表面的形狀、顏色、光潔度 ,日光、日光燈照射等不確定因素。如果直接用發(fā)射和接收管進行測量將因為干擾產(chǎn)生錯誤信號 ,采用對 反射光強進行測量的方法可以提高系統(tǒng)的可靠性和準確性。 紅外反射光強法的測量原理是將發(fā)射信號經(jīng)調(diào)制后送 經(jīng) 紅外 發(fā)光 管發(fā)射 ,光敏管接收調(diào)制的紅外信號 ,原理如圖 312 所示。 圖 312 紅外發(fā)射接受原理 反射光強度的輸出信號電壓 outV 是反射面與傳感器之間距離 X的函數(shù) ,設(shè)反射面物質(zhì)為同種物質(zhì)時 ,X與 outV 的響應曲線是非線性的 ,如圖 313 所示。設(shè)定輸出電壓達到某一西南交通大學本科畢業(yè)設(shè)計（論文） 第 24 頁 閾值時作為目標 ,不同的目標距離閾值電壓是不同的。 圖 313 光強度與電壓相應曲線 反射式紅外傳感器的參數(shù)及應用 （ 1） 光電傳感器的選擇和參數(shù) 所選的紅外線光電傳感器的型號為： E3FDS30C4。 輸入電源： DC 636V 電流： 300mA NPN 常開 測試距離： 30cm 可調(diào)。 圖 314 紅外光電傳感器 （ 2）光電傳感器的使用 傳感器 輸入 到 PLCI/O 口為 XF。 與 PLC 的連接如圖 315 所示。 圖 315 紅外光電傳感器與 PLC 的接線 傳感器的工作電路如圖 316 所示。 當有障礙物時， XF 輸入口接通，觸發(fā) PLC 內(nèi)部的西南交通大學本科畢業(yè)設(shè)計（論文） 第 25 頁 程序。 圖 316 紅外光電傳感器的電路圖 光電編碼器 控制器 PLC 通過 PWM 方式控制兩個直流電機的轉(zhuǎn)動，從而達到控制小車運動的目的。但是由于小車運動環(huán)境的不同，小車自己機械的阻力和其它相關(guān)原因， PLC 控制電機的轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn) 動的角度只是理論上的，而實際常駐機構(gòu)常與之有較大的差別。為了達到精確的控制，控制系統(tǒng)選擇了半閉環(huán)控制。而作為小車速度與行程反饋作用的元件，光電編碼器是最為常見的一種。 光電編碼器原理 光電編碼器，是一種通過光電轉(zhuǎn)換將輸出軸上的機械幾何位移量轉(zhuǎn)換成脈沖或數(shù)字量的傳感器。這是目前應用最多的傳感器，光電編碼器是由光柵盤和光電檢測裝置組成。 在智能小車的速度控制反饋過中，采用的是旋轉(zhuǎn)編碼器（增量型）。 光電編碼器，是一種通過光電轉(zhuǎn)換將輸出軸上的機械幾何位移量轉(zhuǎn)換成脈沖或數(shù)字量的傳感器。這是目前應用最多 的傳感器，光電編碼器是由光柵盤和光電檢測裝置組成。光柵盤是在一定直徑的圓板上等分地開通若干個長方形孔。由于光電碼盤與電動機同軸，電動機旋轉(zhuǎn)時，光柵盤與電動機同速旋轉(zhuǎn)，經(jīng)發(fā)光二極管等電子元件組成的檢測裝置檢測輸出若干脈沖信號，其原理示意圖如圖 1 所示；通過計算每秒光電編碼器輸出脈沖的個數(shù)就能反映當前電動機的轉(zhuǎn)速。此外，為判斷旋轉(zhuǎn)方向，碼盤還可提供相位相差 90186。 的兩路脈沖信號。 圖 317 光電編碼器結(jié)構(gòu)示意圖 西南交通大學本科畢業(yè)設(shè)計（論文） 第 26 頁 根據(jù)檢測原理，編碼器可分為光學式、磁式、感應式和電容式。根據(jù)其刻度方法及信號輸出形式，可分為 增量式、絕對式以及混合式三種。 增量式編碼器是直接利用光電轉(zhuǎn)換原理輸出三組方波脈沖 A、 B 和 Z 相； A、 B 兩組脈沖相位差 90186。，從而可方便地判斷出旋轉(zhuǎn)方向，而 Z 相為每轉(zhuǎn)一個脈沖，用于基準點定位。它的優(yōu)點是原理構(gòu)造簡單，機械平均壽命可在幾萬小時以上，抗干擾能力強，可靠性高，適合于長距離傳輸。其缺點是無法輸出軸轉(zhuǎn)動的絕對位置信息。 旋轉(zhuǎn)編碼器 由于小車在行走的過程中，沒有必要得出輸出軸轉(zhuǎn)動的絕對位置信息，因此采用的是增量式編碼器。 購買的是 Autonics 公司的 E40S8512N24 型的編碼 器 ，外形如圖 318 所示，接線如圖 319 所示 。 編碼器的輸出為 NPN 集電極開路輸出，具體電路如圖 320 所示。輸出有A、 B， Z 三相，其輸出的波形如圖 321 所示。 圖 318 E40S8512N24 型的編碼器 圖 31