【導(dǎo)讀】一輛基于PLC的智能小車。通過與上位機(jī)的串口通信和無線遙控，實現(xiàn)點(diǎn)位與平面運(yùn)。智能小車設(shè)計的過程中，第一，建立小車運(yùn)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(jìn)行相應(yīng)的數(shù)學(xué)分析和推導(dǎo)。電路硬件與機(jī)械結(jié)構(gòu)將小車的模型完成。的制作，加深了對機(jī)械設(shè)計、電路制作的了解，達(dá)到對機(jī)械電子更深的學(xué)習(xí)。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(yùn)動模型進(jìn)行了研究，并對運(yùn)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(jī)驅(qū)動，前輪為兩?？刂频姆绞接袃煞N：一是計算機(jī)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(yùn)動，并發(fā)出警示聲音。的LED燈指示，轉(zhuǎn)彎、停止運(yùn)動狀況時，LED均有不同有輸出。智能小車運(yùn)動控制的重點(diǎn)是基于PLC的兩個電機(jī)的轉(zhuǎn)動速度與方向的控制。運(yùn)動控制等，具有一定的參考價值。

　　

【正文】 在電 動 機(jī)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(jī)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(jī)的，因為蓄電池提供直流電更為方便 直流電機(jī)基本概念 直流電機(jī) 是 實現(xiàn)直流電能和機(jī)械能互相轉(zhuǎn)換的 電機(jī) 。當(dāng)它作電動機(jī)運(yùn)行時是直流電動機(jī)，將電能轉(zhuǎn)換為機(jī)械能；作發(fā)電機(jī)運(yùn)行時是 直流發(fā)電機(jī) ，將機(jī)械能轉(zhuǎn)換為電能。 直流電動機(jī)具有以下特點(diǎn)： 西南交通大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計（論文） 第 18 頁 (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(fù)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(yùn)行要求等特點(diǎn)。 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(yuǎn)行性能的自動控制系統(tǒng)，例如冶金礦山、交通運(yùn)輻、紡織印染、造紙印刷以及化工與機(jī)床等工業(yè)。由于可以用薔電池電源供電運(yùn)行，它還可以用作停電時的備用電動機(jī)或在特殊環(huán)境中使用的電動機(jī)。 直流電機(jī)調(diào)速 （ 1） 直流電機(jī)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(jī)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(jī)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(jī)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(jī)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(jī)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(jī)在運(yùn)轉(zhuǎn)時比較穩(wěn)定；并且在采用單片機(jī)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(jī)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。 （ 1） H 橋電路原理 圖 中所示為一個典型的直流電機(jī)控制電路。如圖所示， H 橋式電機(jī)驅(qū)動電路包西南交通大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計（論文） 第 19 頁 括 4 個三極管和一個電機(jī)。要使電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)，必須導(dǎo)通對角線上的一對三極管。根據(jù)不同三極管對的導(dǎo)通情況，電流可能會從左至右或從右至左流過電機(jī)，從而控制電機(jī)的轉(zhuǎn)向。 圖 35 H 橋驅(qū)動電路 例如，如圖 所示，當(dāng) Q1 管和 Q4 管導(dǎo)通時，電流就從電源正極經(jīng) Q1 從左至右穿過電機(jī)，然后再經(jīng) Q4 回到電源負(fù)極。按圖中電流箭頭所示，該流向的 電流將驅(qū)動電機(jī)順時針轉(zhuǎn)動。當(dāng)三極管 Q1 和 Q4 導(dǎo)通時，電流將從左至右流過電機(jī)，從而驅(qū)動電機(jī)按特定方向轉(zhuǎn)動（電機(jī)周圍的箭頭指示為順時針方向）。 圖 36 H 橋電路驅(qū)動電機(jī)順時針轉(zhuǎn)動 圖 44 所示為另一對三極管 Q2 和 Q3 導(dǎo)通的情況，電流將從右至左流過電機(jī)。當(dāng)三極管 Q2 和 Q3 導(dǎo)通時，電流將從右至左流過電機(jī)，從而驅(qū)動電機(jī)沿另一方向轉(zhuǎn)動（電機(jī)周圍的箭頭表示為逆時針方向）。 圖 37 H 橋驅(qū)動電機(jī)逆時針轉(zhuǎn)動 （ 2）電機(jī)驅(qū)動芯片 LMD18200 直流電機(jī)的驅(qū)動采用的是 H 橋電機(jī)驅(qū)動芯片 LMD18200。 西南交通大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計（論文） 第 20 頁 LMD18200 是美國國家半導(dǎo)體公司 (NS)推出的專用于直流電動機(jī)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(jī)和增量型編碼器構(gòu)成一個完整的運(yùn)動控制系統(tǒng)。 1） LMD18200 的 主要性能 ： 6A，連續(xù)輸出電流達(dá) 3A； 55V； RDS(ON) typically per switch； ； “shoot through” 電流； 和過熱與短路保護(hù)功能； 145℃ ，結(jié)溫達(dá) 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 圖 39 LMD18200 內(nèi)部電路框圖 西南交通大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計（論文） 第 21 頁 3)LMD18200 工作原理 部集成了四個 DMOS 管，組成一個標(biāo)準(zhǔn)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(jī)電樞，正轉(zhuǎn)時電流的方向應(yīng)該從引腳步到引腳 10；反轉(zhuǎn)時電流的方向應(yīng)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(hù)電路設(shè)置的過電流閾值為 10A，當(dāng)超過該值時會自動封鎖輸出，并周期性的自動恢復(fù)輸出。如果過電流持續(xù)時間較長，過熱保護(hù)將關(guān)閉整個輸出。過熱信號還可通過引腳 9 輸出，當(dāng)結(jié)溫達(dá)到 145度時引腳 9 有 輸出信號。 （ 3）電機(jī)驅(qū)動電路 雙直流電機(jī)的驅(qū)動電路如圖 310 所示。 西南交通大學(xué)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(yīng)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(qiáng)，能量消耗緩慢，在介質(zhì)中傳播的距離較遠(yuǎn)，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(dá)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(xué)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(jìn)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(jìn)行測量將因為干擾產(chǎn)生錯誤信號 ,采用對 反射光強(qiáng)進(jìn)行測量的方法可以提高系統(tǒng)的可靠性和準(zhǔn)確性。 紅外反射光強(qiáng)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(qiáng)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(yīng)曲線是非線性的 ,如圖 313 所示。設(shè)定輸出電壓達(dá)到某一西南交通大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計（論文） 第 24 頁 閾值時作為目標(biāo) ,不同的目標(biāo)距離閾值電壓是不同的。 圖 313 光強(qiáng)度與電壓相應(yīng)曲線 反射式紅外傳感器的參數(shù)及應(yīng)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(dāng)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(xué)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(jī)的轉(zhuǎn)動，從而達(dá)到控制小車運(yùn)動的目的。但是由于小車運(yùn)動環(huán)境的不同，小車自己機(jī)械的阻力和其它相關(guān)原因， PLC 控制電機(jī)的轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn) 動的角度只是理論上的，而實際常駐機(jī)構(gòu)常與之有較大的差別。為了達(dá)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?zhàn)饔玫脑?，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(jī)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(yīng)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(jī)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(yīng)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(jī)同軸，電動機(jī)旋轉(zhuǎn)時，光柵盤與電動機(jī)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(dāng)前電動機(jī)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(xué)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(xué)式、磁式、感應(yīng)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(zhǔn)點(diǎn)定位。它的優(yōu)點(diǎn)是原理構(gòu)造簡單，機(jī)械平均壽命可在幾萬小時以上，抗干擾能力強(qiáng)，可靠性高，適合于長距離傳輸。其缺點(diǎn)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 319 編碼器的接線示意圖 西南交通大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計（論文） 第 27 頁 圖 620 編碼器的 NPN 集電極開路輸出 圖 321 編碼器的輸出波形 系統(tǒng)硬件配置 在串口控制和無線遙控過程中， 采用光電編碼器作為速度、行程的反饋；采用紅外反射 傳感器，用來檢測障礙物。當(dāng)防撞傳感器檢測到障礙物時， PLC 立刻