1,电机速度检测
该部分功能主要由安装在变速齿轮上的一组透射式光电管实现.经计算得知:小车车轮每转过一圈,光电管便会相应产生16个脉冲信号,再经单片机计数最终实现小车速度检测(电路如图3所示).
在调速系统中,转速检测是提高精度的关键.测速的方法有M法,T法和M/T法.M法是在某一定时间间隔内测取数字测速器的脉冲个数,再送到CPU软件进行折算,这种方法在低速段误差较大,除非所取时间间隔很大.例如,若转速很低,以至于测速器的两个时间间隔大于采样周期TS,有可能测得的结果为零.T法是测量数字测速器输出的脉冲间隔,然后进行折算.这种方法在高速段误差较大.因为高速时测速器两脉冲时间间隔小,而计算机及电路动作需要时间,带来误差.M/T是一种取两者的优点的方法,兼顾低速和高速状态下检测精度.按照M/T法,所取时间间隔(采样周期TS)总是测速器输出脉冲时间间隔的整数倍,提高了低速检测精度.这样大的TS,对高速测量来说,可以忽略计算机的操作时间,提高了高速检测精度.因此,M/T法对高速和低速都有很高的检测精度.
2,方向控制
由于小车自身机械上的精度不高和小车在放置跑道时位置的不准确,均会引起小车在前进时偏离跑道的中心线而撞向挡板,从而影响小车速度.因此,我们在车头左右两侧安装了反射式红外光电管(有效距离3~4公分).通过实验,我们发现,小车的方向控制应是一个微调的过程.红外发光管为脉冲方式驱动,脉冲周期为5ms(电路原理见图4).当接收管接收到脉冲信号后,经舵向电机驱动电路(如图5中的全控桥),使舵向电机在脉冲信号的控制下,控制小车以小角度向左或向右转向,保证了小车平稳前进.
3,电机驱动电路
PWM全控桥式DC-DC变换电路由主电路,基极驱动电路和保护电路三部分组成,如图5所示.主电路由四只功率晶体管GTR1~GTR4构成H型双极性PWM DC-DC变换器,开关器件分为:GTR1,GTR4为一组,GTR2,GTR3为另一组.用一组来控制小车的前进,而用另一组来实现小车的后退.若开关为理想开关,同一桥臂的两只开关不同时接通.图中与各GTR反并联的二极管D1~D4为续流二极管.基极驱动电路由基极驱动电源和功率放大两部分组成.因为驱动GTR(电力晶体管),需要一定的驱动功率,因而经电压比较器,同向驱动等进行变换.最后再经过负载和电枢电感的平滑滤波作用,使电枢电流始终连续并且平稳.(如图5所示)
三,系统软件的设计及实现
1.数字PWM波形算法
PWM的固定周期由单片机的定时器T0产生.定时器T0每256微秒发生一次中断,CPU响应之后使产生PWM的I/O口置位,同时启动T1定时器.当T1定时完成时,使产生PWM的I/O口清零直至T0产生下一次中断.这样,PWM信号占空比就由预装入定时器T1内的初值决定(由于T1采用自动重装初值方式,则占空比由TH1决定).由此,实现了PWM波形发生.
为了根据特定的速度-时间曲线产生驱动电机的PWM波形,我们采用了下面的程序流程(如图6):
2.软件实现加速,减速,刹车控制的方法
为了使小车在高速区速度更快,小车电机采用了9.6V电源,这样也引入一些问题:如小车由静止启动加速时,不能采用恒定加速度的加速方式,否则会因电机受力突变而产生打滑现象.为此,我们采用了梯形加速曲线(如图7所示,梯形的两条斜边由正弦函数拟合生成)的方式来控制小车的加速度.这样小车的受力从零开始逐渐增大,使小车加速平稳,不会因受力突变而产生打滑现象.经计算得出,与图7所示的加速度-时间曲线相对应的速度-时间曲线如图8所示.
另一个需要注意的问题是:当我们采用反向驱动电机的方法减速或刹车时,如果给电机施加一恒定反向驱动的较大的力,则同样会造成车轮打滑,故我们仍利用上述的加速度曲线,使电机反向驱动的力从零平滑的上升到一定值,这样就可以使小车平稳的减速或刹车.
利用上述的加速,减速的速度-时间曲线,可通过软件在全程实现如下的路程-速度曲线(如图9):
3,程序流程图
对于小车在不同区间的行驶状态,程序作分别处理,各段调用不同的函数控制电机运动方式.其流程图如图10所示:
4.发挥部分的软件设计
(1)全程路程测量:
单片机通过对电机上的透射式光电检测器送来的信号进行计数,即可完成路程测量.其精度约为1cm .
(2)全程时间测量:
由于用来产生PWM固定周期的定时器T0始终打开,所以通过复用T0,并对T0中断次数计数,即可实现全程时间测量.其精度小于1ms.
这样,可以比较精确地完成发挥部分的要求.

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