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091203011096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I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控制技术燕山大学本科生课程设计（论文）2燕山大学本科生课程设计（论文）II目录第一章智小车直流电机控制系统设计...................................31.1课题背景……………………………………………………31.2智能小车驱动控制系统要求…….………………………41.3智能小车驱动电机控制系统分析………………................61.4直流电机控制系统硬件电路设计…...…………………….61.4.1PWM主电路设计…...……………….………..………..….71.4.2控制电路设计……..……………………………………...…71.4.2智能小车MC9S12DG128单片机系统………………………81.4.2车速检测模块………………………………..……..……...10第二章PWM控制系统设计………………………………...122.1全数字转速直流双闭环调速系统设计……….……..….122.2数字电流调节器的设计……………………….…………132.2.1确定电流调节器时间常数……………………………132.2.2电流调节器结构的选择…………………………………142.2.3电流调节器参数的计算…………………………………142.3数字转速调节器的设计……………….………………….152.3.1转速调节器结构的选择…………………………………152.3.2转速调节器参数计算……………………………………152.4PWM信号发生电路设计…………………………….…..162.5控制软件流程图………………………………………….17参考文献……………………………………………...……….19燕山大学本科生课程设计（论文）I燕山大学本科生课程设计（论文）3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。燕山大学本科生课程设计（论文）51.2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。键盘显示CCD摄像头车速检测控制芯片MC9S12DGl28舵机驱动FutabaS3010电源管理电机驱动RS-380SH燕山大学本科生毕业设计（论文）6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。燕山大学本科生课程设计（论文）71.3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VSDIROUTPWMBootS1CurrentS0BootS2ThermalS0OUT2BRAKEGNDPT533PWM3589PT74C6210uFC6110uFMC63220uFLMD18200+7.2V燕山大学本科生毕业设计（论文）8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，可以在不产生燕山大学本科生课程设计（论文）9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