李文龍

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自動控制電力電子小車的設(shè)計(jì)與研究

李文龍

重慶航天職業(yè)技術(shù)學(xué)院，重慶 400021

自動控制電子電力小車是當(dāng)前一種較為先進(jìn)的設(shè)備，隨著自動化控制技術(shù)的發(fā)展與應(yīng)用，在很多相關(guān)的領(lǐng)域當(dāng)中，智能控制技術(shù)已經(jīng)得到了十分好的應(yīng)用，例如海底作業(yè)的機(jī)器人、生產(chǎn)線的機(jī)械手臂等。其中，自動控制電力電子小車是一項(xiàng)非常重要的技術(shù)，基于此對自動控制電力電子小車的設(shè)計(jì)進(jìn)行了相關(guān)的研究。

自動控制；電力電子小車；設(shè)計(jì)與研究

自動控制電力電子小車配備了多種不同的傳感器，具有聲光報(bào)警、障礙物探尋、自動尋線等功能。小車的控制核心為AT89C51單片機(jī)，速度利用PWM技術(shù)進(jìn)行調(diào)整，轉(zhuǎn)向由步進(jìn)電機(jī)進(jìn)行控制，利用光電傳感器、金屬傳感器等，對外部信號進(jìn)行采集，并且向單片機(jī)當(dāng)中進(jìn)行傳輸和處理。通過這一系列的控制，能夠?qū)崟r(shí)的監(jiān)控和檢測小車的運(yùn)行狀態(tài)、路面的實(shí)際情況等，從而更好的完成工作任務(wù)。

1 小車的設(shè)計(jì)方案

1.1 整體方案

小車的前后輪分別進(jìn)行控制，其中，后輪由普通直流電機(jī)驅(qū)動，前輪則由步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動，同時(shí)對小車行進(jìn)方向進(jìn)行調(diào)整。車載傳感器向車載單片機(jī)傳遞信息，單片機(jī)對小車的行進(jìn)方向、速度等進(jìn)行調(diào)整，以此形成了一個(gè)閉環(huán)控制系統(tǒng)。

1.2 供電方案

隔離了電動機(jī)驅(qū)動電源、單片機(jī)、周圍電路，采取雙電源供電，信號傳輸由光電耦合實(shí)現(xiàn)。這種方式雖然靈活性不如單電源，但是能夠徹底消除電動機(jī)帶來的干擾，使得系統(tǒng)穩(wěn)定性得到了保障。

1.3 傳感器

跟蹤檢測金屬絲導(dǎo)引線，采用集成金屬接近開關(guān)，經(jīng)過一級光耦之后，可在單片機(jī)I/O接口上直接連接。采用激光傳感器對距離進(jìn)行檢測，具有亮度高、傳輸速度快、單色性好、方向性強(qiáng)等特點(diǎn)，反應(yīng)速度、測量精度、抗干擾性等都十分優(yōu)越。激光的傳播速度為光速，因此在時(shí)間、距離之間，要滿足2S=C×T的條件[1]。小車與障礙物的距離在2米以內(nèi)，因此時(shí)間T不會超過1.33×10-8秒。單片機(jī)機(jī)器時(shí)鐘為晶體振蕩的十二分之一，因此，在單片機(jī)接收過程中，要添加外部發(fā)射電路。

1.4 電機(jī)電路

電樞電壓控制、勵磁控制等能夠控制直流電機(jī)的轉(zhuǎn)速。其中勵磁控制功率雖小，但在低速狀態(tài)下，磁飽和會對其產(chǎn)生影響，高速狀態(tài)下，換向器結(jié)構(gòu)、換向火花會對其造成影響。因此，電樞電壓控制法是常用的控制方法。在被控對象、控制電路之間，由功率驅(qū)動電路進(jìn)行連接。通過轉(zhuǎn)換控制電路輸出信號，對被控對象進(jìn)行驅(qū)動。通常情況下，采用功率場效應(yīng)管、三極管等實(shí)現(xiàn)功率驅(qū)動。

1.5 控制系統(tǒng)

在各個(gè)傳感器當(dāng)中，電車停車時(shí)的聲光信號、以及小車電動機(jī)的動作等，由傳感器的相應(yīng)控制器進(jìn)行控制、辨認(rèn)和接收。在系統(tǒng)設(shè)計(jì)當(dāng)中，采用了單片機(jī)作為控制器。

2 系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)

2.1 控制電路

AT89C51單片機(jī)具有高性能、低電壓的特點(diǎn)，其帶有的只讀存儲器具有可擦除、可編程、4K字節(jié)閃爍等特點(diǎn)，是一種CMOS8位微處理器。該單片機(jī)采用了ATMEL高密度非易失存儲器制造技術(shù)進(jìn)行制造，其與工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)MCS指令集、輸出管腳之間，具有良好的兼容性[2]。在單片機(jī)當(dāng)中，外接了障礙物探測電路、金屬檢測電路、聲光報(bào)警電路等，前二者是信號的輸入，而后者則是信號的輸出。單片機(jī)當(dāng)中采用接口引出了大部分的引腳，從而為單片機(jī)引腳的使用提供了便利。單片機(jī)接口接入接近開關(guān)接入中斷前后向光電開關(guān)，并在相應(yīng)接口輸出聲光報(bào)警信號。包括聲音報(bào)警電路、左右轉(zhuǎn)向指示燈、紅色和黃色LED等。在相應(yīng)接口輸出電機(jī)驅(qū)動，并將步進(jìn)電機(jī)、直流電動機(jī)等接在相應(yīng)接口。

2.2 光電隔離電路

對于外部驅(qū)動電路、控制器之間的隔離，采用光電隔離電路。其中光電隔離電路是由光隔離器所構(gòu)成的。通過這種方式，控制系統(tǒng)不會由于受到外部電路的變化而發(fā)生損壞和故障，系統(tǒng)的可靠性也得到了良好的增強(qiáng)，抗干擾的能力也有了顯著的提升。在光隔離器當(dāng)中，電流傳輸比CTR是最為重要的參數(shù)之一，一般情況下，該參數(shù)數(shù)值大約在0.2到0.9之間。在數(shù)字信號的輸出中，提供5毫安到10毫安左右的電流，光隔離器才會將放大數(shù)字電平輸出。在連接光隔離器的過程中，對于信號的正負(fù)邏輯，應(yīng)當(dāng)特別加以注意。在光隔離器的輸出端和輸入端，應(yīng)當(dāng)將地線有效隔開。對于輸出端和輸入端，應(yīng)當(dāng)分別利用兩個(gè)電源單獨(dú)進(jìn)行供電。如果采用了同一個(gè)電源，則可能會在系統(tǒng)當(dāng)中串入外部干擾信號。

2.3 功率驅(qū)動電路

非門驅(qū)動和門驅(qū)動共同構(gòu)成的H型橋式電路場效應(yīng)管作為功率驅(qū)動電路。當(dāng)一個(gè)是低電平、另一個(gè)是高電平的時(shí)候，直流電機(jī)為正轉(zhuǎn)狀態(tài)。如果兩個(gè)皆為高電平，則直流電機(jī)為反轉(zhuǎn)狀態(tài)[3]。因此，將場效應(yīng)管的導(dǎo)通頻率進(jìn)行更改，就能夠使電極的轉(zhuǎn)動速度發(fā)生變化。

2.4 聲光報(bào)警電路

在聲光報(bào)警電路當(dāng)中，由反相器對蜂鳴器、LED顯示燈進(jìn)行驅(qū)動。在反相器之后，添加了一級三極管對蜂鳴器進(jìn)行驅(qū)動。如果單片機(jī)的輸出為低電平，蜂鳴器就會發(fā)聲報(bào)警。如果單片機(jī)的輸出為高電平，則二極管會發(fā)光。

2.5 傳感器接口電路

在傳感器當(dāng)中，輸出的是開關(guān)量，因此，在經(jīng)過一級光耦處理之后，可在單片機(jī)的I/O接口上，直接連接傳感器的輸出端。光電開關(guān)在外部中斷上進(jìn)行連接，接近開關(guān)也連接到相應(yīng)接口。

3 結(jié)論

自動控制電力電子小車具有十分廣泛的應(yīng)用，在很多領(lǐng)域中都發(fā)揮了良好的作用。通過本文的設(shè)計(jì)研究，小車能夠自動沿著事先敷設(shè)的金屬絲前進(jìn)，如果遇到障礙物，能夠自動停車并發(fā)出聲光警報(bào)。在移開障礙物之后，小車能夠繼續(xù)前進(jìn)。在轉(zhuǎn)彎過程中，小車能夠自動點(diǎn)亮相應(yīng)的轉(zhuǎn)向燈。通過這些功能，可以更為有效的完成很多工作，因而在相關(guān)領(lǐng)域中具有較為重要的意義。

[1]袁海文，弭寒光.面向電力電子控制系統(tǒng)開發(fā)的自動定制技術(shù)研究[J].電力電子，2012（02）：6-9.

[2]高強(qiáng).單片機(jī)在自動小車控制系統(tǒng)的應(yīng)用[J].黑龍江科技信息，2012（20）：79.

[3]徐錦鋼，楊克，沈緐.大學(xué)生電子設(shè)計(jì)競賽智能小車的制作研究[J].江西電力職業(yè)技術(shù)學(xué)院學(xué)報(bào)，2013（04）：62- 64.

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1009-6434（2016）01-0059-01