余搏立

摘要：基于2020年大學生電子設計競賽中C題“坡道行駛電動小車”的任務要求，采用NXP MK60FX512VLQ15單片機作為主控芯片，研制搭載了直流四輪驅動坡道行駛電動小車，設計循跡檢測、速度調節(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構建光耦隔離全橋電路實現(xiàn)電機驅動，設計基于增量PID的轉速-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速需求。經測試，電動小車能夠按照設定行駛時間應對不同坡度角的路線騎行任務，系統(tǒng)調節(jié)過程短，小車運行平穩(wěn)，誤差在可控范圍內，具有良好的人機交互功能，作品獲得本次競賽安徽省TI杯。

關鍵詞：MK60;循跡;全橋電路;雙閉環(huán)控制

中文分類號：TP27? ? 文獻標識碼：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杯大學生電子設計競賽C題“坡道行駛電動小車”。該競事主辦方為教育部，經過多年發(fā)展，已是全國本科、高職院校電子信息類專業(yè)學生廣泛參與的典型學科技能競賽，以電子產品設計解決實際問題為出題要點;同時指導教師能夠借助競賽成果組織開展專業(yè)與課程建設改革，促進人才培養(yǎng)質量提升[1]。目前，大學生電動小車類作品的設計方法和理論較為成熟，本賽題的難點在于小車應對不同坡度角的驅動控制和84小時內實現(xiàn)小車整體設計、制作與調試[2]。采用模塊化設計理念，以NXP MK60FX512VLQ15單片機作為核心控制器，本文設計一種多角度坡道循跡電動小車，設計方案基于滿足賽題的具體要求，以期為同類大學生電子設計作品提供方案設計、硬件電路設計和軟件設計等方面的具體經驗借鑒。

1 方案設計

1.1技術指標

經過賽題研讀、技術指標設計、可行性需求分析、功能模塊驗證、技術指標確定五個環(huán)節(jié)，設計出電動小車技術指標一覽表，如下表1所示。將技術指標作為進行實驗平臺設計的標準，可以有效避免出現(xiàn)返工等延誤設計進度的失誤情況。

1.2 系統(tǒng)方案

本設計按照如圖1所示的系統(tǒng)設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、運行時間設定、電機驅動、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，經單片機程序設計，實現(xiàn)電動小車能夠按照預設的工作模式完成多角度坡道行走的控制功能。結合賽題任務要求，電動小車的運行速度以時間為單位進行設定，通過OLED顯示設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標記線構成，因此循跡檢測實質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記時，用于狀態(tài)顯示的開關指示燈點亮，且單片機接收到低電平信號，檢測距離2～30cm，檢測角度35°，采用5V供電。

2.2電機與驅動電路

為保障小車的動力性和通過性設計時采用四輪電機驅動，同時結合車體的尺寸設計，選用RS380馬達，其最大功率20W，空載轉速15000rpm。使用IR2104S和IR LR7843搭建光耦隔離H型全橋驅動電路，通過專用PWM通道輸出電機兩端直流電壓實現(xiàn)小車頻繁的快速啟動、制動和差速轉向的速度控制[4]，控制邏輯來源于循跡檢測模塊對騎行路線的識別結果。

3 軟件設計

3.1 增量式PID控制

由于車體設計結構參數(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構建精準的數(shù)學模型很難實現(xiàn)，因此模糊控制、神經網絡控制等算法的實現(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)調節(jié)，構建閉環(huán)反饋調節(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 轉速電流雙閉環(huán)調速系統(tǒng)

經多次試驗驗證發(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)調速系統(tǒng)，轉速電流雙閉環(huán)直流調速起動過程恒流升速，能夠充分發(fā)揮電機的過載能力，縮短起動過程，提供較高轉矩。如圖3所示，因此必須進行驅動電機的實際轉速檢測和母線電流檢測，設置不同采樣頻率，檢測值代入系統(tǒng)參與反饋調節(jié)控制，以速度外環(huán)控制為主[6]。

3.3程序設計流程圖

單片機軟件設計流程如圖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)能夠通過電位器設定電動小車運行時間，理論上時間設定范圍10～20s線性對應電位器電壓。中斷程序中進行騎行路線標記識別和轉速電流雙閉環(huán)直流電機調速，為實現(xiàn)控制電動小車能夠適應不同坡道運行和運行時間設定，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節(jié)，轉速閉環(huán)提高電動小車動態(tài)響應，電流閉環(huán)有效控制電機爬坡轉矩。

4 測試方案及測試數(shù)據(jù)

4.1測試設備及方式

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