【導讀】本智能小車控制系統(tǒng)以MC9S12XS128微控制器為核心。利用一排15個激光發(fā)射。法提取賽道類型，實現(xiàn)起跑線、十字交叉線的識別，同時設定小車的速度。轉向，完成對小車運動方向的控制。采用光電編碼器獲取小車的速度，經(jīng)過與當前小車。動電路，從而調節(jié)電機的轉速，完成對小車運動速度的閉環(huán)控制。為了提高小車的行駛。速度和穩(wěn)定性，采用數(shù)字濾波算法濾除錯誤的賽道信息。實驗結果表明，該系統(tǒng)達到了。預期設計效果，滿足了實際需求。

　　

【正文】 ： V = π n d () 這樣，就完成了對小車速度的測量。 圖 為該速度檢測方式原理圖： 圖 自制法 蘭盤測速原理圖 光電編碼器測速 可以采用增量式光電編碼器測速。首先測得電機的轉速，然后根據(jù)實驗得到的比例關系，進而得到車輪的轉速。 由于安裝的方便，本系統(tǒng)采用此方式測速。 測速原理 ： 光電編碼器由光源（發(fā)光管）、光柵碼盤和光敏元件組成，而光柵碼盤有固定盤和旋轉盤。旋轉盤與被測電動機同軸連接。在光柵碼盤的一側放置光源，另一側放置光敏元件，如圖 所示。當旋轉盤的柵縫與固定盤的柵縫重疊時，光敏元件接收到光信號并轉換成電脈沖，如圖 所示。其中， C 相一周內只產生一個電脈沖，用于運動的定位 ，該相不存在于某些編碼器中 ； A 相與 B 相差 1 4? 節(jié)距，產生的電脈沖 東北大學秦皇島分校畢業(yè)設計（論文） 第 22 頁 相差 1 4? 周期，用于判定旋轉方向。正向旋轉時， A 相脈沖的上升沿較 B 相的早出現(xiàn) 1 4? 周期，反向旋轉時則 B 相上升沿比 A 相的早 1 4? 周期。由計數(shù)器記錄脈沖個數(shù)可以測量電動機的旋轉角度，若記錄單位時間內的脈沖數(shù)，則可以測量電動機的轉速。光敏元件產生的是電脈沖，經(jīng)整形后可直接輸入計算機。 a) 增量式光電碼盤結構 b) 輸出脈沖波形 圖 增量式光電碼器 可逆系統(tǒng)對轉速方向的識別可由 D 觸發(fā)器實現(xiàn)。 D 觸發(fā) 器的兩個輸入端分別接 A相和 B 相脈沖，電動機正轉時， A 相脈沖超前 B 相脈沖 1 4? 節(jié)距， D 觸發(fā)器的輸出端 Q輸出高電平；電動機反轉時， A 相脈沖滯后 B 相脈沖 1 4? 節(jié)距， Q 端輸出低電平，如圖 所示。 a) D 觸發(fā)電路 b) 正轉波形 （ c) 反轉波形 圖 轉速方向識別電路及其波形 光電編碼器的 A 相或者 B 相可以直接接單片機的計數(shù)器口，也可以通過 CD40106 東北大學秦皇島分校畢業(yè)設計（論文） 第 23 頁 的整形之后再給單片機的計數(shù)器口，用計數(shù)器可以讀取脈沖數(shù)，根據(jù)光電編碼器的縫數(shù)，即可得到光電編碼器轉過的角度 ，然后得到時間的同時，可以得到電機的轉速。 在此，用介紹另一種方法得到小車的速度，在自制法蘭盤測速中曾介紹了固定時間測得距離，得到速度，亦可以通過固定距離測得時間得到速度。 假設光電編碼器的 A 相接到了單片機的計數(shù)器口，對于 MC9S12XS128 的計數(shù)器口具有輸入捕捉的功能 ，則如果能夠測得讀到兩個上升沿直接的時間間隔 t，再加上兩個上升沿之間，小車行進的距離 s，即可得到速度。兩個上升沿之間小車行進的距離 s 需要通過實驗得到：讓小車在摩擦力足夠（小車不會打滑）的平面上行駛一段距離 S，同時用單片機記錄光電編碼器在小車行駛 S 距離的過程中的脈沖數(shù) N。經(jīng)過多次測量取平均值，便可得到編碼器經(jīng)過兩個上升沿（一個脈沖），小車行進的距離： s = ∑SiNini=1 () 其中， n 表示測量的次數(shù)。單片機讀到編碼器送入的第一個上升沿 后，獲取自由運行計數(shù)器中的值 t1，并將自由運行 計數(shù)器溢出次數(shù) time 清 0；當讀到第二個上升沿之后，獲得自由運行計數(shù)器中的值 t2，和自由運行計數(shù)器溢出次數(shù) time。則兩上升沿直接的時間為 : t = (time65536 ? t1+t2) tk () 其中， tk表示自由運行計數(shù)器加 1 所對應的時間時間。 由以上可得小車的速度： V = st () M/T 測速 方法 測速時可將 自制法蘭盤測速中的 CD40106 脈沖輸出或者編碼器的 A 相或 B 相脈沖經(jīng)接口電路輸入計算機，由計數(shù)器對一定測速時間 Ts內的光電碼盤輸入脈沖進行計數(shù)，脈沖個數(shù)計為 M1。與此同時，由時鐘脈沖計數(shù)器對 f0頻率工作的時鐘脈沖在相同時間內計數(shù)，計得的時鐘脈沖個數(shù)為 M2，則測速時間可由已知的時鐘脈沖頻率 f0和測得的時鐘脈沖個數(shù) M2計算為 ： 東北大學秦皇島分校畢業(yè)設計（論文） 第 24 頁 Ts = M2f0 () 由 Ts時間內光電碼盤脈沖個數(shù) M1計算的 車輪的 轉速為 ： n = 60M1KZTs= 60M1f0KZM2 () 式中， Z 為碼盤的柵縫數(shù) ， K 為比例系數(shù)，如果采用自制的法蘭盤測速， K=1，否則 K為車輪轉速與電機轉速比 。由于式 中未對計數(shù)時間加以限制，通常以一個采樣周期計。按上述方法測得的轉速稱為 M/T 法測速。 事實上， M/T 法測速是 M 法測速與 T 法測速合成的產物。 所謂 M 法測速是指在測速時間 Ts內對測得的光電脈沖個數(shù) M1按如下關系式計算轉速，即 ： n = 60M1KZTs () 速度較慢時， M1值比較小，量化誤差較大，所以， M 法測速不適于慢速時的測速。 T 法測速是指在一定時間內（通常指一個光電脈沖周期 T）對 f0頻率的時鐘脈沖計數(shù)， 脈沖個數(shù)為 M2，則由 M2計算的 T 法轉速為 ： n = 60f0KZM2 (） 電動機轉速較高時， M2值比較小，量化誤差較大，所以， T 法測速不適于快速時的測速。M/T 法測速則避開了二者的不足之處，高速時相當于 M 法測速，低速 M1 = 1時，為 T法測速 ，所以本系統(tǒng)采用此測速方法 。 電機控制模塊 MC33886 電機 驅動及原理 33886 作為一個單片電路 H 橋，是理想的功率分流直流馬達和雙向推力電磁鐵控制器。它的集成電路包含內部邏輯控制 ,電荷泵 ,門控驅動 ,及低讀選通 (on)金屬 氧化物半導體場效應晶體管輸出電路。 東北大學秦皇島分校畢業(yè)設計（論文） 第 25 頁 33886 能夠控制連續(xù)感應直流負載上升到 安培，輸出負載脈寬調制 (PWMed)的頻率可達 10 千赫一個故障狀態(tài)輸出可以報告欠壓 ,短路 ,過熱的情況。兩路獨立輸入控制兩個半橋的推拉輸出電路的輸出，兩個無效輸入使 H橋產生三態(tài)輸出 (呈現(xiàn)高阻抗 )。33886 制定的參數(shù)范圍是 40176。C≤TA≤125176。C 、 ≤V+≤28V。集成電路也可以工作在 40V通過降低規(guī)定的定額值。 特點 ： ? 至 40v 連續(xù)運轉 ?120mΩRDS(ON)H橋 MOSFETs ?TTL/CMOS 兼容輸入 ?PWM的頻率可達 10 千赫 [5] ?通過內部常定時關閉對 PWM 有源電流限制 (依靠降低溫度的閾值 ) ?輸出短路保護 ?欠壓關閉 ?故障狀況報告 33886 簡化內部結構圖 如圖 所示 : 圖 MC33886 芯片內部封裝圖 芯片的封裝 如圖 所示 ： 圖 MC33886 芯片外部引腳的封裝圖 東北大學秦皇島分校畢業(yè)設計（論文） 第 26 頁 各個引腳的功能 如表 所示 ： 表 MC33886引腳對應功能列表 終端 終端名稱 正式名稱 定義 1 AGND 模擬接地 低電流模擬信號接地 2 FS H 橋故障狀態(tài) 故障狀態(tài)場效應管低電平有效，要求上拉電阻上升到 5V 3 IN1 邏輯輸入控制 1 實際邏輯輸入控制的 1 口 4， 5， 16 V+ 電源供電 正電源連接 6， 7 OUT1 H 橋輸出 1 H 橋輸出 1 8， 20 DNC 靜止連接 在應用中不連接或者接地 912 PGND 電源接地 裝置電流高功率接地 13 D2 無效 2 輸入低電位有效，用于使兩個 H 橋輸出同時三態(tài)無效。當 D2 為邏輯低，輸出都是三態(tài) 14， 15 OUT2 H 橋輸出 2 H 橋輸出 2 17 CCP 電荷泵電容器 外部充電電容器連接內部電荷泵電容器 18 D1 無效 1 輸入低電位有效，用于使兩個 H 橋輸出同時三態(tài)無效。當 D1 為邏輯低，輸出都是三態(tài) 19 IN2 邏輯輸入控制 2 實際邏輯輸入控制的 2 口 在調速過程中發(fā)現(xiàn)，芯片內通過電流太大， MC33886 發(fā)熱量很大，導致 MC33886的 FS 引腳置位，從而使其不工作，反向制動后這種情況更為嚴重。 所以， 改用兩片MC33886 并聯(lián)，使用兩片 MC33886 將堵轉時通過電流的極限值提升了 ，降低 了 其工作時的溫度 ， 提高整個驅動系統(tǒng)的可靠性 。 TD340 和 H 橋電機驅動及原理 由分立元件制作的直流電動機可逆雙極型橋式驅動器，其功率元件由四支 N 溝道功率 MOSFET 管組成，額定工作電流可以輕易達到 70A 以上，相對與 MC33886 能提供的最大 6A 的電流來說，大大提高了電動機的工作轉矩和轉速。該驅動器主要由以下部分組成： PWM 信號輸入接口、功率 MOSFET 管柵極驅動電路、橋式功率驅動電路等。功 東北大學秦皇島分校畢業(yè)設計（論文） 第 27 頁 率 MOSFET 管的驅動芯片為 TD340。由功率 MOSFET 管搭建的驅動電路原理如 圖 所示 。 圖 由 MOSFET 管構成的 H 型 PWM 變換器電路 直流電機脈寬調速通過改變控制電壓的脈沖寬度來改變加在直流電機上的平均電樞電壓的大小 ,從而改變直流電機的轉速。圖 所示為可逆的 PWM 變換器主電路的 H型結構形式。圖中 ,4 個 MOSFET 管的基極驅動電壓分為兩組 ,其中 Q2L 和 Q1H 為一組 ,當 Q2L 接收 PWM 信號導通時 ,Q1H 常開 。而 Q2H 和 Q1L 截止。這時 ,電機兩端得到電壓而旋轉 ,而且占空比越大 ,轉速越高。由于直流電機是一個感性負載 ,當 MOSFET 關斷時 ,電機中的電流不能立即降到零 ,所以必須給這個電流提供一條釋放通路 ,否則將產生高壓破壞器件。處理這種情況的通常方法是在 MOSFET 管旁邊并聯(lián)一個二極管 ,使電流流過二極管 , 最后通過歐姆耗散的方式在二極管中消失。對于大電流 ,耗散是重要的排放方法。這里必須使用高速二極管。電機反轉時道理相同。 TD340 的模擬輸入控制電路如圖 所示。 圖 TD340 的模擬輸入控制電路 東北大學秦皇島分校畢業(yè)設計（論文） 第 28 頁 TD340 驅動器芯片是 ST 微電子公 司推出的一種用于直流電機的控制器件 ,TD340 芯片是 N 溝道功率 MOS 管驅動器 ， 適合于直流電機控制。圖 為 TD340 的輸入電壓與輸出 PWM 間的特性曲線。該器件內集成有可驅動 N 溝道高邊功率 MOS 管的電荷泵和內部 PWM 發(fā)生器 ,可進行速度和方向控制而且功耗很低 ， 同時具有過壓 (20V)、欠壓()保護功能 ， 以及反向電源有源保護功能。 TD340 內含可調的頻率開關 (0～ 25kHz)及待機模式 ， 且集成有看門狗和復位電路。除此之外 ， TD340 芯片還具有 H 橋直流電機部分和微控制器之間的必要接口。直流電機的速度和 方向可由外界輸入給 TD340 的信號來控制。其中速度由 PWM 來控制 ， 當然 ， 也可以接受外部的 PWM 信號。