智能小车直流电机控制控制系统设计.docx

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智能小车直流电机控制控制系统设计

燕山大学

课程设计说明书

题目：

智能小车直流电机控制控制系统设计

学院（系）：

电气工程系

年级专业：

09自动化

学号：

091203011096

学生姓名：

黄雄丰

指导教师：

车海军

教师职称：

讲师

燕山大学课程设计（论文）任务书

院（系）：

电气工程学院基层教学单位：

自动化系

学号

0912********

学生姓名

黄雄丰

专业（班级）

过控09-2

设计题目

智能小车直流电机控制控制系统设计

设

计

技

术

参

数

1、设计智能小车直流电机控制系统原理图；

2、直流电机驱动控制选用专用芯片；

3、采用数字控制芯片实现。

设

计

要

求

1、设计说明书和电气原理图必须按“电气图形符号”和“电气技术文字符号”的国家标准，并规定主回路用粗实线、控制回路用细实线；

2、设计说明书应包含封皮、目录、正文、参考文献等，字数要满足规定。

3、元器件标明型号参数。

工

作

量

1、完成设计说明书一份（包括原理的简要说明和主要参数的计算过程）；文稿用钢笔或圆珠笔书写，字迹应工整、清晰（打印也可）；

2、绘制电气原理图（包括主电路、控制回路）A2图纸一张，可用铅笔绘制或用计算机绘制打印，应符合相关制图标准；

工

作

计

划

第一周

1、查阅有关资料；2、分析并确定控制方案，完成操作、显示电路。

3、主回路的设计、计算，并确定主要元器件（包括必要的保护环节）；

第二周

1、转速、电流双闭环直流调速系统调节器参数的设计、计算。

2、电气原理图设计3、撰写设计说明书

参

考

资

料

1、《电力拖动自动控制系统》陈伯时主编（教材）

2、《电力电子变流技术》黄俊主编（教材）

3、《电气传动自动化技术手册》

4、《电气控制》李仁主编（教材）

5、智能小车有关资料

指导教师签字

车海军

基层教学单位主任签字

刘福才

说明：

此表一式四份，学生、指导教师、基层教学单位、系部各一份。

2013-5-16

摘要

󰀁控制电机运动，例如转向、速度、角度的控制，是单片机在机电控制中的一个典型应用。

本设计以MC9S12DGl28单片机为核心，由路径识别、车速检测、舵机控制、直流电机、电机驱动芯片LMD18200和电压转换芯片LM7525等模块组成,并详细阐述了控制系统的组成原理和软硬件设计。

本次设计采用的直流电机是RS-380SH型直流电机。

以及采用转速、电流双闭环直流调速系统对直流电机实行控制。

本课题的核心是怎么样实行对智能小车发动机也就是直流电机的控制，直流电机的驱动本次是用了LMD18200电机驱动芯片，本文将详细的介绍LMD18200的驱动情况。

关键词：

单片机；直流电机；PWM控制技术

第一章智小车直流电机控制系统设计...................................3

1.1课题背景……………………………………………………3

1.2智能小车驱动控制系统要求…….………………………4

1.3智能小车驱动电机控制系统分析………………................6

1.4直流电机控制系统硬件电路设计…...…………………….6

1.4.1PWM主电路设计…...……………….………..………..….7

1.4.2控制电路设计……..……………………………………...…7

1.4.2智能小车MC9S12DG128单片机系统………………………8

1.4.2车速检测模块………………………………..……..……...10

第二章PWM控制系统设计………………………………...12

2.1全数字转速直流双闭环调速系统设计……….……..….12

2.2数字电流调节器的设计……………………….…………13

2.2.1确定电流调节器时间常数 ……………………………13

2.2.2电流调节器结构的选择…………………………………14

2.2.3电流调节器参数的计算…………………………………14

2.3数字转速调节器的设计……………….………………….15

2.3.1转速调节器结构的选择…………………………………15

2.3.2转速调节器参数计算……………………………………15

2.4PWM信号发生电路设计…………………………….…..16

2.5控制软件流程图………………………………………….17

参考文献……………………………………………...……….19

第一章智能小车系统的设计

1.1课题背景

智能小车是轮式移动机器人研究领域的一项重要内容,涵盖了机械、汽车电子、电气、计算机、检测技术、模式识别与智能控制等多个学科。

它是陆地自主行驶车辆（AutonomousGroundVehicle,AGV）的一种。

AGV在社会生活的各个领域都有着非常广阔的应用前景。

在西方发达国家,移动式自主服务机器人已广泛应用于医疗福利服务、商场超市服务、家庭服务等领域;AGV在军事领域也有着重要的应用价值,美国军方把部分机器人技术视为未来战斗系统（FutureCombatSystem）的重要组成部分[1]。

本文研究的智能小车主要采用专用赛道作为使用环境。

智能小车的实现主要是控制其移动速度和方向。

由路径识别、电机驱动、车速检测、方向舵机控制、电源管理及控制策略等功能模块组成。

智能小车的采用直流电机，直流电机采用高性能可控电力拖动的直流调速系统。

它具有动态响应快、抗干扰能力强的优点。

反馈闭环控制系统具有良好的抗扰性能，它对于被反馈环的前向通道上的一切扰动作用都能有效的加以抑制。

采用转速负反馈和PI调节器的单闭环调速系统可以在保证系统稳定的条件下实现转速无静差。

1.2智能小车驱动控制系统要求

智能小车控制系统结构如图1所示,控制系统以单片机MC9S12DGl28为核心,由电源管理模块、CCD摄像头传感器路径识别模块、直流电机驱动模块、车速检测模块,键盘与显示模块、舵机控制模块等组成。

（1）控制系统16位MC9S12DGl28单片机,该单片机包含高速A/D、PWM、硬件看门狗、电源监控、内部集成PLL锁相环等功能模块。

采用上电自动复位方式,时钟频率为24MHz。

（2）路径识别是智能小车控制系统的关键模块之一,路径识别方案的好坏,直接关系到最终性能的优劣。

通常采用的路径识别方案有红外光电传感器寻迹和CCD摄像头寻迹两种方案。

本设计采用了面阵型CCD摄像头传感方案,标准供电电压为5V。

图像传感器输出PAL制式模拟信号,模拟信号由复合同步信号、复合消隐信号和视频信号组成。

（3）电源部分的稳定对整个系统的可靠工作起着至关重要的作用,智能小车系统根据各部件正常工作的需要,对车模用7.2V2000mAhNi-cd蓄电池进行电压调节。

（4）智能小车由直流电机驱动,其精确的位置控制需采用转速闭环控制,速度反馈常用的测量方法有光码盘、编码器和测速电机三种。

设计中采用E30S-360-3-2型旋转编码器。

（5）智能小车的方向由舵机（转向伺服电机）控制,设计中采用FutabaS3010型舵机,该舵机可以输出力矩驱动智能小车转向。

（6）车速控制采用美国国家半导体公司专用于直流电动机驱动的H桥组件LMD18200。

LMD18200提供双极性驱动方式和单极性驱动方式。

本次课题主要研究设计智能小车的直流电机的驱动设计。

图1控制系统结构框图

1.3智能小车驱动电机控制系统分析

车速控制采用美国国家半导体公司专用于直流电动机驱动的H桥组件LMD18200。

LMD18200提供双极性驱动方式和单极性驱动方式。

LMD18200内部集成了四个DMOS管，组成一个标准的H型驱动桥。

通过充电泵电路为上桥臂的2个开关管提供栅极控制电压，充电泵电路由一个300kHz左右的工作频率。

可在引脚1、11外接电容形成第二个充电泵电路，外接电容越大，向开关管栅极输入的电容充电速度越快，电压上升的时间越短，工作频率可以更高。

引脚2、10接直流电机电枢，正转时电流的方向应该从引脚步到引脚10；反转时电流的方向应该从引脚10到引脚2。

电流检测输出引脚8可以接一个对地电阻，通过电阻来输出过流情况。

内部保护电路设置的过电流阈值为10A，当超过该值时会自动封锁输出，并周期性的自动恢复输出。

如果过电流持续时间较长，过热保护将关闭整个输出。

过热信号还可通过引脚9输出，当结温达到145度时引脚9有输出信号。

单极性驱动方式是指在一个PWM周期内,电动机电枢只承受单极性的电压,电机的转大小只与PWM的占空比有关,占空比越大,转速越大。

电机转向由LMD18200的引脚3控制,引脚3输出高电平时,电机正转,引脚3输出低电平时,电机反转。

设计中采用单极性驱、驱动方式,为了散热方便,采用LMD18200集成电路芯片,全部驱动电路都集成在芯片中,使整个驱动电路大为简化。

考虑到智能小车在直线加速区间的末端可能会遇到突然出现的拐弯区间,智能小车由直道高速进入弯道时需要急速降速和停车,而LMD18200具有制动的功能,在行驶过程中可以通过单片机的控制使直流电机紧急制动。

1.3直流电机控制系统硬件电路设计

1.3.1PWM主电路设计

直流电机调速系统总体电路设计由单片机产生控制PWM信号发生电路产生PWM信号的数据，控制直流电机调速电路对电机进行调速。

通过单片机给的PWM占空比的不同实现电机的调速控制，二在驱动方面通过单片机给定PWM再通过LMD18200H型桥式电路器件实现电机的驱动。

本次设计的电机驱动电路如图2采用LMD18200，简单的介绍如下：

图2LMD18200驱动电路

LMD18200驱动电路如图3所示,单片机PWM3端口输出的PWM控制信号输入到LMD18200引脚5,单片机PT5端口输出的DIR转向信号,从LMD18200引脚3输入。

当智能小车需要减速制动或紧急停车时,单片机PT7端口输出的BRAKE信号,从LMD18200引脚4输入。

LMD18200根据PWM控制信号的占空比来控制直流电机的转速,实现对智能小车的车速控制。

智能小车的驱动电机采用RS-380SH型直流电机。

1.3.3智能小车MC9S12DGl28单片机系统

目前，直流电动机调速系统数字化已经走向实用化，伴随着电子技术的高度发展，促使直流电机调速逐步从模拟化向数字化转变，特别是单片机技术的应用，使直流电机调速技术又进入到一个新的阶段，智能化、高可靠性已成为它发展的趋势。

单片机直流电机调速简介：

单片机直流调速系统可实现对直流电动机的平滑调速。

本系统以MC9S12DG128单片机为核心，通过单片机控制，C语言编程实现对直流电机的平滑调速。

系统控制方案的分析：

本直流电机调速系统以单片机系统为依托，根据PWM调速的基本原理，以直流电机电枢上电压的占空比来改变平均电压的大小，从而控制电动机的转速为依据，实现对直流电动机的平滑调速，并通过单片机控制速度的变化。

端口介绍T和端口P

端口T被连接到内部定时器模块，8个外部引脚均具有输入捕捉（IC，InputCapture）和输出比较（OC，OutputCompare）功能，通过设置TIOS寄存器中的IOSX位可以在输入捕捉与输出比较功能之间切换。

当ECT工作在输入捕捉工作模式下，端口T的8个输入捕捉通道中，PT7/IOC7～PT4/IOC4四个通道为普通的输入捕捉通道。

每发生一次输入捕捉，新的计数器值会覆盖输入捕捉锁存器中原来的内容。

PT3/IOC3～PT0/IOC0四个通道为带有缓冲的输入捕捉通道，由于其内部带有一个保持寄存器，因此，可以在不产生中断的条件下，连续记录两次自由计数器的值。

端口P与片内的脉宽调制模块PWM和1个SPI模块相连，8个引脚与通用I/O共享，既可以作为脉宽调制波形的输出引脚，也可以作为外部中断输入引脚。

如果端口P作为PWM使用，则除了PP7可以作为PWM输入或输出外，其他引脚都只能是PWM输出通道。

一旦PWM允许启用，对应引脚通用I/O功能被禁止。

本次设计启用p端口PWM。

图3MC9S12DGl28单片机小车系统

1.3.4车速检测模块

智能小车由直流电机驱动,其精确的位置控制需采用转速闭环控制,速度反馈常用的测量方法有光码盘、编码器和测速电机三种。

设计中采用E30S-360-3-2型旋转编码器,编码器的中轴上有一直径为4cm的齿轮1,与智能小车驱动后轮同轴的传动齿2相咬合,当直流驱动电机驱动后轮旋转时,齿轮2和齿轮1将驱动旋转编码器转动产生脉冲。

由于齿轮1和齿轮2的齿数比为1:

1,所以智能小车车轮转动一圈即可以用360个脉冲表示,只需要测量一定周期内累加器的数值就能准确地计算出车速。

用旋转编码器作为车速检测器件,不仅硬件电路简单,而且信号采集速度快。

第二章PWM控制系统的设计

2.1全数字转速直流双闭环调速系统设计

根据设计要求，本系统设计为全数字式控制方式，因此要求微型计算机完成：

电流环控制器运算、速度环控制器运算、位置环控制器运算，以及与它们相应的反馈信号的采样和数字信号处理。

目前，需要高性能可控电力拖动的领域都采用直流调速系统。

它具有动态响应快、抗干扰能力强的优点。

反馈闭环控制系统具有良好的抗扰性能，它对于被反馈环的前向通道上的一切扰动作用都能有效的加以抑制。

采用转速负反馈和PI调节器的单闭环调速系统可以在保证系统稳定的条件下实现转速无静差。

所以本次直流电机才有转速—直流双闭环调速系统。

为了实现转速和电流两种负反馈分别起作用，在系统中设置了两个调节器，分别调节转速和电流，二者之间实行串级连接，即把转速调节器的输出当作电流调节器的输入，再用电流调节器的输出去控制晶闸管整流器的触发装置。

从闭环结构上看，电流调节环在里面，叫做内环；转速环在外面，叫做外环。

这样就形成了转速、电流双闭环调速系统。

该双闭环调速系统的两个调节器ASR和ACR一般都采用PI调节器。

因为PI调节器作为校正装置既可以保证系统的稳态精度，使系统在稳态运行时得到无静差调速，又能提高系统的稳定性；作为控制器时又能兼顾快速响应和消除静差两方面的要求。

一般的调速系统要求以稳和准为主，采用PI调节器便能保证系统获得良好的静态和动态性能。

图4.转速、电流双闭环直流调速系统结构ASR—转速调节器ACR—电流调节器TG—测速发电机TA—电流互感器UPE—电力电子变换器。

2.2数字电流调节器的设计 

反馈系数的确定：

电枢电流是双极性的，A/D转换的结果为10位二进制数 转速反馈系数：

 α= 1V.min/r 

电流反馈系数：

 β= U*im/Idm=1023/（71.7*2）=14.4/A  

2.2.1 确定电流调节器时间常数  

1） 整流装置滞后时间常数Ts=0.0017s。

2） 电流滤波时间常数 Toi:

取Toi=0.5ms=0.0005s。

3） 电流环小时间常数之T∑i近似处理，取T∑i =Ts+Toi=0.0022s。

 4） 电枢回路电磁时间常数Tl 

Tl＝L/R＝0.781/52.3＝0.0167s 

5）   电力拖动系统时间常数Tm 

Tm=40ms＝0.04s 

6）Ks=Uc-（-Uc）/fpwm=2*296.01/（100*1000）=0.00592

2.2.2电流调节器结构的选择  

根据设计要求并保证稳态电流无差，可按典型I型系统设计电流调节器。

电流环控制对象是双惯性型的，因此可用PI型电流调节器，其传递函数为 

WACR（S）=Ki（τis +1）/τis 

Ki-------电流调节器的比例系数； τi------电流调节器的超前时间常数。

 检查对电源电压的抗干扰性能：

Tl /T∑I  =0.0167s/0.0022s=7.6,参照教材中表2-3的典型型系统动态抗扰性能， 各项指标都是可以接受的。

图5 电流环等效近似处理后校正成为典型I系统框图

2.2.3电流调节器参数计算  

电流调节器超前时间常数：

τi=Tl=0.0167s 

电流环开环增益：

要求σi≤5％时,查表得KIT∑i=0.5,因此 

KI=0.5/0.0022s=227.3s-1 

于是，ACR的比例系数为：

     Ki=KIτiR/Ksβ=227.3×0.00278×1.8/（0.00592×14.4）＝13.34 

电流环采样角频率：

Wsi=10Wci=2273s-1 

电流环采样时间：

Ti=1/（Wsi/2pi）=0.028s

2.3数字转速调节器的设计

2.3.1转速调节器结构的选择  

转速环开环传递函数应共有两个积分环节，所以应该设计成典型II系统，系统同时也能满足动态抗扰性能好的要求。

图6转速环等效近似处理后校正成为典型II系统框图 ASR也应该采用PI调节器，其传递函数为：

WASR（s）= Kn（τns +1）/τns 

Kn-------转速调节器的比例系数； τn------转速调节器的超前时间常数。

2.3.2转速调节器参数计算  

按跟随和抗扰性能都较好的原则，取h=5，则ASR的超前时间常数为 

τn=hT∑n=5×0.0044s=0.027s 

转速开环增益：

KN=（h+1）/2h2T∑n2=6/（2×52×0.00542）=4115.2s-2 

ASR的比例系数为：

       Kn=（h+1）βCeTm/2hαRT∑n=6×14.4×0.1290×0.2015 /（ 2×5×1×1.8×0.0054）=23.10 

转速环采样角频率：

Wsn=10Wcn=1111.1s-1 

电流环采样时间：

Tn=1/（Wsn/2pi）=0.00565s

2.4PWM信号发生电路设计

PWM波可以由具有PWM输出的单片机通过编程来得以产生，也可以采用PWM专用芯片来实现。

当PWM波的频率太高时，它对直流电机驱动的功率管要求太高，而当它的频率太低时，其产生的电磁噪声就比较大，在实际应用中，当PWM波的频率在18KHz左右时，效果最好。

在本系统内，采用了两片4位数值比较器4585和一片12位串行计数器4040组成了PWM信号发生电路。

两片数值比较器4585，即图上U2、U3的A组接12位串行4040计数输出端Q2—Q9，而U2、U3的B组接到单片机的P1端口。

只要改变P1端口的输出值，那么就可以使得PWM信号的占空比发生变化，从而进行调速控制。

图7PWM生成电路图

2.5控制软件流程图

主程序主程序是一个循环程序，其主要思路是，先设定好速度初始值，这个初始值与测速电路送来的值相比较得到一个误差值，然后用PI算法输出控制系数给PWM发生电路改变波形的占空比，进而控制电机的转速。

其程序流程图如图所示。

软件由1个主程序、1个中断子程序和1个PI控制算法子程序组成。

主程序主程序是一个循环程序，其主要思路是由单片机P1口生数据送到PWM信号发生电路，然后用PI算法输出控制系数给PWM发生电路改变波形的占空比进而控制电机的转速。

 主程序流程图如图8所示：

图8控制软件流程图

参考文献

[1]梁丽勤,王岩,张宝健.基于Freescale单片机的智能赛车

设计[J].机电产品开发与创新,2010（6）:

114-116.

[2]周泉,王贵勇,贾现广,等.基于MC9S12DG128B的智能

模型车设计[J].昆明理工大学学报,2010（5）:

37-40.

[3]葛广军,董燕飞,王磊.基于STC12C5410AD的新型摄像

摇臂云台控制器设计[J].河南城建学院学报,2011

（2）:

63-66.

[4]魏楠,周斌.基于S12微控制器的智能车软件设计[J].

微计算机应用,2010（11）:

28-33.

[5]袁东风,韩冰,曹志刚.Rayleigh衰落信道中多级编码调制的不等错误保护[J].电子学报,2001,29（4）:

495-498.

[6]《电力拖动自动控制系统》陈伯时主编（教材）

[7]《电力电子变流技术》黄俊主编（教材）

[8]《电气传动自动化技术手册》

[9]《电气控制》李仁主编（教材）

燕山大学课程设计评审意见表

指导教师评语：

成绩：

指导教师：

年月日

答辩小组评语：

成绩：

评阅人：

年月日

课程设计总成绩：

答辩小组成员签字：

年月日