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(jī)的智能巡線小車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、速度檢測模塊和無線通信模塊構(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具有較好的穩(wěn)定性和快速跟隨性。
關(guān)鍵詞：單片機(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，專門針對具有自主巡線功能的智能小車的設(shè)計(jì)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(shè)計(jì)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(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(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)模式通過速度測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)、速度檢測模塊和無線通信模塊組成。單片機(jī)產(chǎn)生的PWM波通過由H橋組成的驅(qū)動(dòng)電路來控制直流電機(jī)的輸入電壓大小，速度檢測模塊通過旋轉(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)，無線通信模塊實(shí)現(xiàn)對速度控制系統(tǒng)相關(guān)參數(shù)的實(shí)時(shí)監(jiān)測與調(diào)整，主要用于系統(tǒng)的調(diào)試和開發(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)、速度檢測模塊和無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、門驅(qū)動(dòng)電路以及低導(dǎo)通電阻的MOSFET 輸出電路，適合用來控制感性直流負(fù)載，可以提供連續(xù)的5A 電流，并且集成了過流保護(hù)、過熱保護(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)過簡化的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)，電流反向流過電機(jī)，適當(dāng)利用這個(gè)過程可以使電機(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)。