基于MK60單片機(jī)的坡道循跡電動小車設(shè)計--2020電子設(shè)計競賽C題試析

余搏立

摘要：基于2020年大學(xué)生電子設(shè)計競賽中C題“坡道行駛電動小車”的任務(wù)要求，采用NXP MK60FX512VLQ15單片機(jī)作為主控芯片，研制搭載了直流四輪驅(qū)動坡道行駛電動小車，設(shè)計循跡檢測、速度調(diào)節(jié)、聲音提示、運行參數(shù)顯示和電源等功能模塊。采用4路紅外線發(fā)射與接收管檢測電路實現(xiàn)路線循跡，以IRLR7843構(gòu)建光耦隔離全橋電路實現(xiàn)電機(jī)驅(qū)動，設(shè)計基于增量PID的轉(zhuǎn)速-電流雙閉環(huán)控制算法有效實現(xiàn)電動小車坡道運行的調(diào)速需求。經(jīng)測試，電動小車能夠按照設(shè)定行駛時間應(yīng)對不同坡度角的路線騎行任務(wù)，系統(tǒng)調(diào)節(jié)過程短，小車運行平穩(wěn)，誤差在可控范圍內(nèi)，具有良好的人機(jī)交互功能，作品獲得本次競賽安徽省TI杯。

關(guān)鍵詞：MK60;循跡;全橋電路;雙閉環(huán)控制

中文分類號：TP27? ? 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A

文章編號：1009-3044（2021）20-0162-03

本文的研究背景來源于2020年全國TI杯大學(xué)生電子設(shè)計競賽C題“坡道行駛電動小車”。該競事主辦方為教育部，經(jīng)過多年發(fā)展，已是全國本科、高職院校電子信息類專業(yè)學(xué)生廣泛參與的典型學(xué)科技能競賽，以電子產(chǎn)品設(shè)計解決實際問題為出題要點;同時指導(dǎo)教師能夠借助競賽成果組織開展專業(yè)與課程建設(shè)改革，促進(jìn)人才培養(yǎng)質(zhì)量提升[1]。目前，大學(xué)生電動小車類作品的設(shè)計方法和理論較為成熟，本賽題的難點在于小車應(yīng)對不同坡度角的驅(qū)動控制和84小時內(nèi)實現(xiàn)小車整體設(shè)計、制作與調(diào)試[2]。采用模塊化設(shè)計理念，以NXP MK60FX512VLQ15單片機(jī)作為核心控制器，本文設(shè)計一種多角度坡道循跡電動小車，設(shè)計方案基于滿足賽題的具體要求，以期為同類大學(xué)生電子設(shè)計作品提供方案設(shè)計、硬件電路設(shè)計和軟件設(shè)計等方面的具體經(jīng)驗借鑒。

1 方案設(shè)計

1.1技術(shù)指標(biāo)

經(jīng)過賽題研讀、技術(shù)指標(biāo)設(shè)計、可行性需求分析、功能模塊驗證、技術(shù)指標(biāo)確定五個環(huán)節(jié)，設(shè)計出電動小車技術(shù)指標(biāo)一覽表，如下表1所示。將技術(shù)指標(biāo)作為進(jìn)行實驗平臺設(shè)計的標(biāo)準(zhǔn)，可以有效避免出現(xiàn)返工等延誤設(shè)計進(jìn)度的失誤情況。

1.2 系統(tǒng)方案

本設(shè)計按照如圖1所示的系統(tǒng)設(shè)計框圖搭建功能模塊。該小車控制系統(tǒng)主要由MCU主控制器、傳感器循跡檢測、運行時間設(shè)定、電機(jī)驅(qū)動、液晶顯示、聲音提示和供電電源等部分組成，通過螺釘固定在2.55mm厚度黑色玻纖板制作的小車底盤上。選擇NXP MK60FX512VLQ15單片機(jī)作為小車的控制核心;采用紅外線對管傳感器識別黑白方格路線，經(jīng)單片機(jī)程序設(shè)計，實現(xiàn)電動小車能夠按照預(yù)設(shè)的工作模式完成多角度坡道行走的控制功能。結(jié)合賽題任務(wù)要求，電動小車的運行速度以時間為單位進(jìn)行設(shè)定，通過OLED顯示設(shè)定時間與實際行駛時間，小車停止行駛后，發(fā)出聲音提示。

2 硬件設(shè)計

2.1循跡檢測模塊

循跡檢測模塊用于識別小車的行駛路徑，而行駛路徑由黑白間隔的紙質(zhì)標(biāo)記線構(gòu)成，因此循跡檢測實質(zhì)就是黑白兩種顏色及木工板背景色的實時檢測。從傳感器易于獲取、便于車體安裝、工作狀態(tài)穩(wěn)定以及外圍電路簡單等方面綜合考慮，選用紅外線發(fā)射與接收管進(jìn)行循跡檢測[3]。裝載在車體上的四路紅外對管發(fā)射端通電后持續(xù)發(fā)出紅外光線，依據(jù)紅外光線的反射特性，若騎行線路上出現(xiàn)黑色標(biāo)記則紅外對管的接收端無返回信號，反之對于騎行路線上的白色標(biāo)記能夠反射接收紅外光線，以此識別黑線位置。如圖8所示，循跡檢測模塊識別出白色標(biāo)記時，用于狀態(tài)顯示的開關(guān)指示燈點亮，且單片機(jī)接收到低電平信號，檢測距離2～30cm，檢測角度35°，采用5V供電。

2.2電機(jī)與驅(qū)動電路

為保障小車的動力性和通過性設(shè)計時采用四輪電機(jī)驅(qū)動，同時結(jié)合車體的尺寸設(shè)計，選用RS380馬達(dá)，其最大功率20W，空載轉(zhuǎn)速15000rpm。使用IR2104S和IR LR7843搭建光耦隔離H型全橋驅(qū)動電路，通過專用PWM通道輸出電機(jī)兩端直流電壓實現(xiàn)小車頻繁的快速啟動、制動和差速轉(zhuǎn)向的速度控制[4]，控制邏輯來源于循跡檢測模塊對騎行路線的識別結(jié)果。

3 軟件設(shè)計

3.1 增量式PID控制

由于車體設(shè)計結(jié)構(gòu)參數(shù)和環(huán)境參數(shù)具有一定的不確定性，在競賽較短的時間內(nèi)構(gòu)建精準(zhǔn)的數(shù)學(xué)模型很難實現(xiàn)，因此模糊控制、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制等算法的實現(xiàn)不符合實際。在電力拖動控制系統(tǒng)中傳統(tǒng)PID算法具備易于實現(xiàn)、系統(tǒng)穩(wěn)定、參數(shù)調(diào)試步驟簡單等優(yōu)勢，而增量式PID誤動作時影響小，適用于坡道小車動態(tài)調(diào)節(jié)，構(gòu)建閉環(huán)反饋調(diào)節(jié)器，其輸出是控制量的增量[5]：

[?uk=uk-uk-1=Kp?ek+Kiek+Kd[?ek-?e（k-1）]]

3.2 轉(zhuǎn)速電流雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)

經(jīng)多次試驗驗證發(fā)現(xiàn)，坡道小車在起動時易出現(xiàn)打滑現(xiàn)象。相比較單閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)，轉(zhuǎn)速電流雙閉環(huán)直流調(diào)速起動過程恒流升速，能夠充分發(fā)揮電機(jī)的過載能力，縮短起動過程，提供較高轉(zhuǎn)矩。如圖3所示，因此必須進(jìn)行驅(qū)動電機(jī)的實際轉(zhuǎn)速檢測和母線電流檢測，設(shè)置不同采樣頻率，檢測值代入系統(tǒng)參與反饋調(diào)節(jié)控制，以速度外環(huán)控制為主[6]。

3.3程序設(shè)計流程圖

單片機(jī)軟件設(shè)計流程如圖4所示，由主程序和中斷程序組成，其中主程序中主要實現(xiàn)能夠通過電位器設(shè)定電動小車運行時間，理論上時間設(shè)定范圍10～20s線性對應(yīng)電位器電壓。中斷程序中進(jìn)行騎行路線標(biāo)記識別和轉(zhuǎn)速電流雙閉環(huán)直流電機(jī)調(diào)速，為實現(xiàn)控制電動小車能夠適應(yīng)不同坡道運行和運行時間設(shè)定，采用差速控制實現(xiàn)電動小車彎道行走，PWM占空比通過外部電位器調(diào)節(jié)，轉(zhuǎn)速閉環(huán)提高電動小車動態(tài)響應(yīng)，電流閉環(huán)有效控制電機(jī)爬坡轉(zhuǎn)矩。

4 測試方案及測試數(shù)據(jù)

4.1測試設(shè)備及方式

基于易于獲取和測量精度要求，選用如下測試設(shè)備：手機(jī)、直尺、電子天平、秒表、萬用表、示波器等。測試方法描述如下：