智能巡線小車(chē)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(jī)的智能巡線小車(chē)多模式速度控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方案。該速度控制系統(tǒng)主要由直流電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路、速度檢測(cè)模塊和無(wú)線通信模塊構(gòu)成，包含四種速度模式。介紹了速度控制系統(tǒng)的總體結(jié)構(gòu)，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(shè)計(jì)流程圖。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，該多模式速度控制系統(tǒng)保證了智能巡線小車(chē)具有較好的穩(wěn)定性和快速跟隨性。
關(guān)鍵詞：?jiǎn)纹瑱C(jī)；多模式；制動(dòng)；穩(wěn)定性；快速跟隨性

引言

目前，設(shè)計(jì)出具有智能化的產(chǎn)品已經(jīng)成為商家開(kāi)發(fā)產(chǎn)品的目標(biāo)之一，也是學(xué)生課外科技活動(dòng)的熱點(diǎn)之一；其中，專(zhuān)門(mén)針對(duì)具有自主巡線功能的智能小車(chē)的設(shè)計(jì)更是數(shù)不勝數(shù)，但大多數(shù)智能巡線小車(chē)只是完成了“智能化”所要求的各部分的功能，在小車(chē)速度的穩(wěn)定性和快速性上考慮的相對(duì)比較少。本文主要針對(duì)具有自主巡線功能的智能小車(chē)，設(shè)計(jì)出了一種多模式速度控制系統(tǒng)，可以使智能小車(chē)具有較好的穩(wěn)定性和快速跟隨性。同時(shí)，該速度控制系統(tǒng)的多模式設(shè)計(jì)思想也可以用在以其它系列單片機(jī)為控制核心的智能模型車(chē)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(kāi)環(huán)加速模式2、反接制動(dòng)模式3、能耗制動(dòng)模式4、速度閉環(huán)運(yùn)行模式。系統(tǒng)模式通過(guò)速度測(cè)量值與給定值的偏差范圍進(jìn)行選擇，速度給定值由前方傳感器檢測(cè)到的路徑形狀進(jìn)行設(shè)定，而偏差范圍與模式選擇的關(guān)系根據(jù)電機(jī)自身的特性曲線和智能小車(chē)實(shí)際運(yùn)行情況進(jìn)行設(shè)定。

多模式速度控制系統(tǒng)由HCS12單片機(jī)、直流電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路、直流電機(jī)、速度檢測(cè)模塊和無(wú)線通信模塊組成。單片機(jī)產(chǎn)生的PWM波通過(guò)由H橋組成的驅(qū)動(dòng)電路來(lái)控制直流電機(jī)的輸入電壓大小，速度檢測(cè)模塊通過(guò)旋轉(zhuǎn)編碼器把電機(jī)的轉(zhuǎn)速轉(zhuǎn)換為單位時(shí)間內(nèi)的脈沖個(gè)數(shù)，無(wú)線通信模塊實(shí)現(xiàn)對(duì)速度控制系統(tǒng)相關(guān)參數(shù)的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)與調(diào)整，主要用于系統(tǒng)的調(diào)試和開(kāi)發(fā)。整個(gè)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(jī)、速度檢測(cè)模塊和無(wú)線通信模塊等提供相應(yīng)的電源，也可減少電池電壓不穩(wěn)定給控制系統(tǒng)各個(gè)部分帶來(lái)的不良影響，保證了控制系統(tǒng)的穩(wěn)定運(yùn)行【1】。

圖1  控制系統(tǒng)原理圖

2 控制系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

2.1 直流電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路

系統(tǒng)中采用的直流電機(jī)型號(hào)為RS—380H。直流電機(jī)驅(qū)動(dòng)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(mén)驅(qū)動(dòng)電路以及低導(dǎo)通電阻的MOSFET 輸出電路，適合用來(lái)控制感性直流負(fù)載，可以提供連續(xù)的5A 電流，并且集成了過(guò)流保護(hù)、過(guò)熱保護(hù)、欠壓保護(hù)。直流電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路如圖2所示。

      
                         圖2  直流電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路

通過(guò)控制MC33886 的四根輸入線可以方便地實(shí)現(xiàn)電機(jī)正轉(zhuǎn)、反轉(zhuǎn)、能耗制動(dòng)及反接制動(dòng)。圖3為經(jīng)過(guò)簡(jiǎn)化的H 橋電路，當(dāng)S1、S4 導(dǎo)通且S2、S3 截止時(shí)，電流正向流過(guò)電機(jī)，電機(jī)正轉(zhuǎn)；S2、S3 導(dǎo)通S1、S4 截止時(shí)，電流反向流過(guò)電機(jī)，適當(dāng)利用這個(gè)過(guò)程可以使電機(jī)處于反接制動(dòng)狀態(tài)，迅速降低電機(jī)速度；當(dāng)S3、S4導(dǎo)通且S1、S2 截止時(shí)，沒(méi)有電源加在電機(jī)上，可認(rèn)為電機(jī)一端直接與另一端連接在一起，此時(shí)電機(jī)處于能耗制動(dòng)狀態(tài)。

本設(shè)計(jì)中使用兩片MC33886 并聯(lián)，一方面進(jìn)一步減小導(dǎo)通電阻對(duì)電機(jī)特性的影響，另一方面減小過(guò)流保護(hù)電路對(duì)電機(jī)啟動(dòng)及制動(dòng)時(shí)的影響【2】。

                                      圖3  簡(jiǎn)化的H橋電路

    2.2 速度檢測(cè)模塊

通過(guò)在電機(jī)驅(qū)動(dòng)軸的齒輪上加裝小型旋轉(zhuǎn)編碼器,使旋轉(zhuǎn)編碼器齒輪與電機(jī)驅(qū)動(dòng)軸的齒輪進(jìn)行嚙合。這樣，就可通過(guò)實(shí)驗(yàn)測(cè)定每個(gè)脈沖對(duì)應(yīng)的智能小車(chē)運(yùn)行的距離；同時(shí)，可設(shè)定一個(gè)合適的定時(shí)中斷作為脈沖采樣周期，根據(jù)每個(gè)采樣周期內(nèi)旋轉(zhuǎn)編碼器的輸出脈沖個(gè)數(shù)就可計(jì)算出智能小車(chē)的實(shí)際速度，這樣就使脈沖個(gè)數(shù)和智能小車(chē)實(shí)際速度具有了明確的對(duì)應(yīng)關(guān)系，實(shí)際操作、測(cè)量非常方便。在本設(shè)計(jì)中，選用了OMRON E6A2-CS3E旋轉(zhuǎn)編碼器，該編碼器采用5v 供電，單相輸出，每圈輸出60個(gè)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(jì)數(shù)器所能允許的最大值及脈沖計(jì)數(shù)值要參與實(shí)際的運(yùn)算，為了避免數(shù)據(jù)溢出，采樣周期不能選取過(guò)大。

2.3 無(wú)線通信模塊

本系統(tǒng)中的無(wú)線通信模塊是基于nRF403的無(wú)線數(shù)據(jù)傳輸模塊，并在此基礎(chǔ)上實(shí)現(xiàn)了MODBUS 通信協(xié)議。該模塊在智能小車(chē)參數(shù)測(cè)試及程序調(diào)試的過(guò)程中起到了很大的作用。在智能小車(chē)運(yùn)行的過(guò)程中，可以通過(guò)下位機(jī)將與小車(chē)運(yùn)行狀態(tài)有關(guān)的各項(xiàng)參數(shù)發(fā)送到上位機(jī)，并可通過(guò)簡(jiǎn)單的VB程序在上位機(jī)上顯示出相應(yīng)的狀態(tài)曲線，從而達(dá)到對(duì)智能小車(chē)的運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)的目的。在PID參數(shù)整定過(guò)程中，根據(jù)小車(chē)的實(shí)際運(yùn)行狀態(tài)和P、I、D參數(shù)對(duì)控制系統(tǒng)的影響，可以通過(guò)上位機(jī)來(lái)改變下位機(jī)的P、I、D參數(shù)而不用重新燒寫(xiě)程序，給系統(tǒng)的在線調(diào)試帶來(lái)了很大的方便。

3 控制系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

HCS12單片機(jī)內(nèi)置PWM模塊，在程序中只需調(diào)用相關(guān)函數(shù)設(shè)定PWM周期和寫(xiě)入PWM占空比的值，就可以產(chǎn)生實(shí)際需要的PWM波【4】?？紤]到有多模式調(diào)節(jié)，對(duì)閉環(huán)控制的響應(yīng)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(yùn)算的結(jié)果作為PWM占空比的設(shè)定值。采用速度單閉環(huán)控制既達(dá)到了多模式調(diào)節(jié)中閉環(huán)運(yùn)行模式的效果，同時(shí)也降低了系統(tǒng)設(shè)計(jì)的復(fù)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(chē)在過(guò)彎時(shí)的速度有一定的自然降落，可以防止智能小車(chē)脫離軌道?？刂葡到y(tǒng)程序主要采用C語(yǔ)言編寫(xiě)，PI控制算法程序流程圖如圖4【5】。本文設(shè)計(jì)的多模式速度控制系統(tǒng)，可以作為一個(gè)比較完整的模塊調(diào)用，這樣很容易與路徑檢測(cè)系統(tǒng)相結(jié)合，形成完整的具有自主巡線功能的智能小車(chē)。

圖4  PI控制算法程序流程圖

本控制系統(tǒng)選擇了一通過(guò)CMOS攝像頭進(jìn)行道路識(shí)別的智能小車(chē)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，通過(guò)多次實(shí)驗(yàn)及觀察得出：速度偏差在±5%以?xún)?nèi)智能小車(chē)運(yùn)行在速度閉環(huán)模式，小于-5%切換到開(kāi)環(huán)加速模式，大于5%且小于6%切換到能耗制動(dòng)模式，大于6%切換到反接制動(dòng)模式，這樣可以使智能小車(chē)在不脫離軌道的情況下達(dá)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(jié)

本文的創(chuàng)新點(diǎn)在于，設(shè)計(jì)的速度控制系統(tǒng)具有四種速度模式：1、開(kāi)環(huán)加速模式2、反接制動(dòng)模式3、能耗制動(dòng)模式4、速度閉環(huán)運(yùn)行模式。該多模式速度控制系統(tǒng)可以使智能小車(chē)在任何兩種速度模式之間進(jìn)行快速的切換，同時(shí)保證智能小車(chē)仍能很穩(wěn)定地運(yùn)行。該多模式速度控制系統(tǒng)適用于多種類(lèi)型的智能小車(chē)，可以使智能小車(chē)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。