智能巡線小車的多模式速度控制系統(tǒng)

摘要：介紹了基于Freescale HCS12系列單片機的智能巡線小車多模式速度控制系統(tǒng)的設計方案。該速度控制系統(tǒng)主要由直流電機驅動電路、速度檢測模塊和無線通信模塊構成，包含四種速度模式。介紹了速度控制系統(tǒng)的總體結構，并分析了其主要模塊的工作原理。介紹了軟件思想和程序設計流程圖。實驗結果表明，該多模式速度控制系統(tǒng)保證了智能巡線小車具有較好的穩(wěn)定性和快速跟隨性。
關鍵詞：單片機；多模式；制動；穩(wěn)定性；快速跟隨性

引言

目前，設計出具有智能化的產(chǎn)品已經(jīng)成為商家開發(fā)產(chǎn)品的目標之一，也是學生課外科技活動的熱點之一；其中，專門針對具有自主巡線功能的智能小車的設計更是數(shù)不勝數(shù)，但大多數(shù)智能巡線小車只是完成了“智能化”所要求的各部分的功能，在小車速度的穩(wěn)定性和快速性上考慮的相對比較少。本文主要針對具有自主巡線功能的智能小車，設計出了一種多模式速度控制系統(tǒng)，可以使智能小車具有較好的穩(wěn)定性和快速跟隨性。同時，該速度控制系統(tǒng)的多模式設計思想也可以用在以其它系列單片機為控制核心的智能模型車上。

1 控制系統(tǒng)原理

多模式速度控制系統(tǒng)的速度模式有4種：1、開環(huán)加速模式2、反接制動模式3、能耗制動模式4、速度閉環(huán)運行模式。系統(tǒng)模式通過速度測量值與給定值的偏差范圍進行選擇，速度給定值由前方傳感器檢測到的路徑形狀進行設定，而偏差范圍與模式選擇的關系根據(jù)電機自身的特性曲線和智能小車實際運行情況進行設定。

多模式速度控制系統(tǒng)由HCS12單片機、直流電機驅動電路、直流電機、速度檢測模塊和無線通信模塊組成。單片機產(chǎn)生的PWM波通過由H橋組成的驅動電路來控制直流電機的輸入電壓大小，速度檢測模塊通過旋轉編碼器把電機的轉速轉換為單位時間內(nèi)的脈沖個數(shù)，無線通信模塊實現(xiàn)對速度控制系統(tǒng)相關參數(shù)的實時監(jiān)測與調(diào)整，主要用于系統(tǒng)的調(diào)試和開發(fā)。整個速度控制系統(tǒng)的電源均由一節(jié)7.2V鎳鎘電池提供，控制系統(tǒng)原理圖如圖1所示。系統(tǒng)中使用低差壓穩(wěn)壓器LM2940將7.2V電源變?yōu)?V穩(wěn)壓電源輸出，可為單片機、速度檢測模塊和無線通信模塊等提供相應的電源，也可減少電池電壓不穩(wěn)定給控制系統(tǒng)各個部分帶來的不良影響，保證了控制系統(tǒng)的穩(wěn)定運行【1】。

圖1  控制系統(tǒng)原理圖

2 控制系統(tǒng)硬件設計

2.1 直流電機驅動電路

系統(tǒng)中采用的直流電機型號為RS—380H。直流電機驅動采用飛思卡爾公司的5A 集成H 橋芯片MC33886。MC33886芯片內(nèi)置了控制邏輯、電荷泵、門驅動電路以及低導通電阻的MOSFET 輸出電路，適合用來控制感性直流負載，可以提供連續(xù)的5A 電流，并且集成了過流保護、過熱保護、欠壓保護。直流電機驅動電路如圖2所示。

      
                         圖2  直流電機驅動電路

通過控制MC33886 的四根輸入線可以方便地實現(xiàn)電機正轉、反轉、能耗制動及反接制動。圖3為經(jīng)過簡化的H 橋電路，當S1、S4 導通且S2、S3 截止時，電流正向流過電機，電機正轉；S2、S3 導通S1、S4 截止時，電流反向流過電機，適當利用這個過程可以使電機處于反接制動狀態(tài)，迅速降低電機速度；當S3、S4導通且S1、S2 截止時，沒有電源加在電機上，可認為電機一端直接與另一端連接在一起，此時電機處于能耗制動狀態(tài)。

本設計中使用兩片MC33886 并聯(lián)，一方面進一步減小導通電阻對電機特性的影響，另一方面減小過流保護電路對電機啟動及制動時的影響【2】。

                                      圖3  簡化的H橋電路

    2.2 速度檢測模塊

通過在電機驅動軸的齒輪上加裝小型旋轉編碼器,使旋轉編碼器齒輪與電機驅動軸的齒輪進行嚙合。這樣，就可通過實驗測定每個脈沖對應的智能小車運行的距離；同時，可設定一個合適的定時中斷作為脈沖采樣周期，根據(jù)每個采樣周期內(nèi)旋轉編碼器的輸出脈沖個數(shù)就可計算出智能小車的實際速度，這樣就使脈沖個數(shù)和智能小車實際速度具有了明確的對應關系，實際操作、測量非常方便。在本設計中，選用了OMRON E6A2-CS3E旋轉編碼器，該編碼器采用5v 供電，單相輸出，每圈輸出60個脈沖，用在本系統(tǒng)中比較合適【3】。在采樣周期的選取中，考慮到脈沖計數(shù)器所能允許的最大值及脈沖計數(shù)值要參與實際的運算，為了避免數(shù)據(jù)溢出，采樣周期不能選取過大。

2.3 無線通信模塊

本系統(tǒng)中的無線通信模塊是基于nRF403的無線數(shù)據(jù)傳輸模塊，并在此基礎上實現(xiàn)了MODBUS 通信協(xié)議。該模塊在智能小車參數(shù)測試及程序調(diào)試的過程中起到了很大的作用。在智能小車運行的過程中，可以通過下位機將與小車運行狀態(tài)有關的各項參數(shù)發(fā)送到上位機，并可通過簡單的VB程序在上位機上顯示出相應的狀態(tài)曲線，從而達到對智能小車的運行狀態(tài)進行實時監(jiān)測的目的。在PID參數(shù)整定過程中，根據(jù)小車的實際運行狀態(tài)和P、I、D參數(shù)對控制系統(tǒng)的影響，可以通過上位機來改變下位機的P、I、D參數(shù)而不用重新燒寫程序，給系統(tǒng)的在線調(diào)試帶來了很大的方便。

3 控制系統(tǒng)軟件設計

HCS12單片機內(nèi)置PWM模塊，在程序中只需調(diào)用相關函數(shù)設定PWM周期和寫入PWM占空比的值，就可以產(chǎn)生實際需要的PWM波【4】?？紤]到有多模式調(diào)節(jié)，對閉環(huán)控制的響應速度要求不高，閉環(huán)控制采用了速度單閉環(huán)控制和位置式的PI控制算法，PI運算的結果作為PWM占空比的設定值。采用速度單閉環(huán)控制既達到了多模式調(diào)節(jié)中閉環(huán)運行模式的效果，同時也降低了系統(tǒng)設計的復雜性。在PI控制算法中，P、I參數(shù)整定的比較弱，這樣智能小車在過彎時的速度有一定的自然降落，可以防止智能小車脫離軌道?？刂葡到y(tǒng)程序主要采用C語言編寫，PI控制算法程序流程圖如圖4【5】。本文設計的多模式速度控制系統(tǒng)，可以作為一個比較完整的模塊調(diào)用，這樣很容易與路徑檢測系統(tǒng)相結合，形成完整的具有自主巡線功能的智能小車。

圖4  PI控制算法程序流程圖

本控制系統(tǒng)選擇了一通過CMOS攝像頭進行道路識別的智能小車進行實驗，通過多次實驗及觀察得出：速度偏差在±5%以內(nèi)智能小車運行在速度閉環(huán)模式，小于-5%切換到開環(huán)加速模式，大于5%且小于6%切換到能耗制動模式，大于6%切換到反接制動模式，這樣可以使智能小車在不脫離軌道的情況下達到較快的速度，具有較好的穩(wěn)定性和快速跟隨性能。

4 總結

本文的創(chuàng)新點在于，設計的速度控制系統(tǒng)具有四種速度模式：1、開環(huán)加速模式2、反接制動模式3、能耗制動模式4、速度閉環(huán)運行模式。該多模式速度控制系統(tǒng)可以使智能小車在任何兩種速度模式之間進行快速的切換，同時保證智能小車仍能很穩(wěn)定地運行。該多模式速度控制系統(tǒng)適用于多種類型的智能小車，可以使智能小車根據(jù)路面條件的變化，在速度調(diào)節(jié)上具有更好的靈活性。