2008电动车跷跷板设计讲课用01.docVIP

电动车跷跷板自动平衡控制系统设计 1 方案设计 按照任务书给定的功能要求，我们设计的电动车跷跷板自动平衡控制系统结构框图如图1-1所示，被控对象由电动小车与跷跷板组成。 通过安装在小车上的角度传感器测量小车平衡位置，平衡状态下传感器输出角度值作为系统给定值，实时状态下的传感器输出作为系统输出值。 1 控制原理 在电动车运行中，实时采集输出值，与给定值比较，不平衡时，根据偏差通过控制算法计算出输出，作用于电动车驱动电路，使车前后运动，最终达到平衡。 电动车在行走与寻找平衡的过程中，需要自动寻迹，这个过程也是一个反馈控制过程，其结构图如图1-2所示。该系统的输入即给定轨迹是电动车正常行驶对应的位置信号，系统的输出即实际轨迹是实时测量获得的电动车位置信号。本设计采用五组光电对管，产生五个位置信号分别用于前进与后退时轨迹的测量，同时也用于车位测量。根据信号的组合判断电动车运行状态及应该调整的方向，控制电动车转向从而自动寻迹，或者根据车位控制电动车行走与停车。根据上述思想，设计了自动控制系统的具体电路，系统结构图如图1-3所示。 2 系统硬件设计与实现 2．1 单片机及其扩展电路 按照性能价格比高的原则，选择8位单片机PIC16F877A作为系统的控制核心，在此基础上根据系统要求设计了单片机扩展电路。主要包括时间显示、平衡状态指示及其输入输出接口。 PIC系列单片机指令系统精练，它可以实现在线调试和在线编程。PIC单片机内集成了上电复位电路、I/O引脚上拉电路、看门狗定时器等，对于本设计来讲，利用其片内集成的10位A/D电路，可以最大程度地减少外接器件。 2．2 电机驱动模块的电路设 计与实现 本系统电动车驱动使用直流电动机，采用H型驱动电路，电压控制采用PWM方式以方便调速。这种电路由于工作在管子的饱和或截止状态下，效率非常高，有利于节省能源。该电路电子开关的速度很快，稳定性也很强，可以简单的实现转向控制。电路采用两对互补型晶体管945（PNP），5609（NPN）接成桥式电路，两个斜对角晶体管导通，分别对应电机正转和反转。用互补型对管的目的是为了用最简单的电路实现晶体管的驱动。驱动电路的前级门电路是为了防止每边两个晶体管对直流短路而设计的。考虑功耗、可靠性、价格便宜等因素，选用了945和5609晶体管对，它们的最大电压为80伏，最大电流为5安。图中各个电阻的选择原则是确保各晶体管工作在开关状态，原理图如图2-1所示。 2．3平衡检测电路的设计与实现 采用角度传感器检验小车是否处于平衡范围之内。选用的传感器：输入0～360°,输出0.5V～4.5V，根据系统几何尺寸与平衡定义（d = ︳dA-dB ︳≤40mm），通过计算选择A/D的位数。平衡位置示意图如图2-2所示，跷跷板总长1600mm，虚线之间为平衡区域，平衡时对应的小车与水平面最大夹角为α，且α=arc sin20/800=1.43°。针对选用的传感器而言。10位A/D每位数字量对应的角度是0.44°，平衡波动范围是正负三个数字量，所以10位A/D可以满足精度要求。 将角度传感器的输出经过射极跟随器进行输入输出阻抗匹配后接到PIC单片机的A/D输入端RA0脚，电路图如图2-3所示。 2．4 寻迹与定位功能电路的设 计与实现 我们采用反射式光电发射—接收器作为小车运行轨迹与位置检测传感器，根据小车位置，传感器的输出通过电压比较器生成0或者1状态输入给单片机，电路原理如图2-4。当小车偏离黑色引导线时，根据检测结果调用相应判断程序引导小车回到正常轨迹。当小车运行到规定位置时停车。 2．5 时间显示与平衡指示电路的设计和实现 时间显示采用的是LED数码管，静态显示方式，通过专用芯片74HC595实现，电路如图2-5所示。平衡指示采用四只发光二极管，平衡时发光管闪烁。 3 控制算法设计 根据图1-1，按照自动控制理论，可以通过系统校正的方法设计控制器，但由于被控对象的模型较难计算与辨识，常规的控制设计方法有困难。因此我们采用了仿人智能控制的思想设计了控制算法。首先我们看一下人开车找平衡这样一个过程：正常速度行驶，当超过平衡点后，平衡被打破，需要倒车，趋于平衡。如果掌握的好，可直接倒车到平衡点；如果掌握不好超过平衡点时，则需要再次前进，反复多次，即可达到平衡。当然，人开车的时候，会根据平衡趋势提前控制车速，从而加快实现平衡的目的。 基于上述人工操作过程，将其操作总结成控制规则，用计算机程序即可实现仿人智能控制算法。 我们设计的仿人智能控制算法规则如下： IF ∣e∣Es U=0 IF ∣e∣≤E1 e0, U=+U1 IF ∣e∣≤E1 e0, U=-U1 IF ∣e∣≤E2 e0,