智能小车直流电机控制控制系统设计.docx
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智能小车直流电机控制控制系统设计
实用标准文案
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：
0912********
学生姓名：
黄雄丰
指导教师：
车海军
教师职称：
讲师
文档
实用标准文案
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0912********学生姓名黄雄丰专业（班级）过控09-2
设计题
智能小车直流电机控制控制系统设计
设目
设1、设计智能小车直流电机控制系统原理图；
计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。
术
参
数
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；
设
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。
计
3、元器件标明型号参数。
要
求
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
工用钢笔或圆珠笔书写，字迹应工整、清晰（打印也可）；
作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
量用计算机绘制打印，应符合相关制图标准；
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、
工
作
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
计
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
划
原理图设计3、撰写设计说明书
1、?
电力拖动自动控制系统?
陈伯时
主编（教材）
参
2、?
电力电子变流技术?
黄俊
主编（教材）
考3、?
电气传动自动化技术手册?
4、?
电气控制?
李仁主编（教材）
料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
刘福才
字
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。
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实用标准文案
2021-5-16
文档
实用标准文案
文档
实用标准文案
摘要
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
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实用标准文案
文档
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第一章智小直流机控制系
...................................3
背景⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯
3
智能小控制系要求⋯⋯.⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯
4
智能小机控制系分
析⋯⋯⋯⋯⋯⋯6
直流机控制系硬件路
⋯...⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯.6
PWM主路
⋯...⋯⋯⋯⋯⋯⋯.⋯⋯⋯..⋯⋯⋯..⋯.7
控制路
⋯⋯..⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯...⋯7
智能小MC9S12DG128片机系⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯
8
速模
⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯..⋯⋯..⋯⋯...10
第二章PWM控制系⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯...12全数字速直流双速系⋯⋯⋯.⋯⋯..⋯.12
数字流器的⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯.⋯⋯⋯⋯
13
确定流器常数⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯
13
流器构的⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯14
流器参数的算⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯14
数字速器的
⋯⋯⋯⋯⋯⋯.⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯.15
文档
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速器构的⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯
15
速器参数算⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯
15
PWM信号生路
⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯.⋯..16控制件流程
⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯.17参考文
献⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯...⋯⋯⋯.19
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第一章智能小车系统的设计
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。
在西方兴旺国家,移动式自主服
务机器人已广泛应用于医疗福利效劳、商场超市效劳、家庭效劳等领域;AGV
在军事领域也有着重要的应用价值,美国军方把局部机器人技术视为未来战
斗系统（FutureCombatSystem）的重要组成局部[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。
反应闭环控制系统具有良好的抗扰性能，它对于被反应环的前向通道上的一切扰动作用都能有效的加以抑制。
采用转速负反应和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。
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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）电源局部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,速度反应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。
智能小车的方向由舵机（转向伺服电机）控制,设计中采用FutabaS
3010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
舵机驱动
Futaba
控制
S3010
芯片
MC9S12
CCD摄像头
DGl28
电源管理
车速检测电机驱动RS-380SH
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图1控制系统结构框图
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。
LMD
18200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，当结温到达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LMD1820
0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
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L
MD18200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。
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直流电机控制系统硬件电路设计
PWM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：
PT5
3
C63220uF
VS
3
DIR
OUT
PWM3
5
C62
10uF
PWM
BootS1
8
M
CurrentS0BootS2
9
C61
10uF
ThermalS0
OUT2
PT7
4
BRAKE
GND
LMD18200
图2LMD18200驱动电路
LMD18200驱动电路如图3所示,单片机PWM3端口输出
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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LMD18
200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。
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
度开展，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
成为它开展的趋势。
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调速的根本原理，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）和输出比拟（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拟功能之间切换。
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存放器，因此，可以在不产生
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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
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P作为PWM使用，那么除了PP7可以作为PWM输入或输出外，其他引脚都只能是PWM输出通道。
一旦PWM允许启用，对应引脚通用I/O
功能被禁止。
本次设计启用p端口PWM。
C2
C1
XTAL1
PT0
1nF
PT1
PT2
PT3
PT4
PT5
VCC
CRYSTAL
PT6
XTAL2
PT7
C31nF
RST
VCC
PSEN
ALE
EA
PWM0
PWM1
PWM2
PWM3
PWM4
PWM5
PWM6
PWM7
图
图
图
图3MC9S12DGl28单片机小车系统
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1.车速检测模块
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,
速度反应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,编码器的中轴上有一直径为4cm的齿轮1,与智能小车驱动后轮同轴的传动齿2相咬合,当直流驱动电机驱动后轮旋转时,齿轮2和齿轮1将驱动旋转编码器转动产生脉冲。
由
于齿轮1和齿轮2的齿数比为1:
1,所以智能小车车轮转动一圈即可以
360个脉冲表示,只需要测量一定周期内累加器的数值就能准确地计算
出车速。
用旋转编码器作为车速检测器件,不仅硬件电路简单,而且信号采集速度快。
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第二章PWM控制系统的设计
全数字转速直流双闭环调速系统设计
根据设计要求，本系统设计为全数字式控制方式，因此要求微型计算机完成：
电流环控制器运算、速度环控制器运算、位置环控制器运算，以及与它们相应的反应信号的采样和数字信号处理。
目前，需要高性能可控电力拖动的领域都采用直流调速系统。
它具有动态响应快、抗干扰能力强的优点。
反应闭环控制系统具有良好的抗扰性能，它对于被反应环的前向通道上的一切扰动作用都能有效的加以抑制。
采用转速负反应和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。
所以本次直流电机才有转速—直流双闭环调速系统。
为了实现转速和电流两种负反应分别起作用，在系统中设置了两个调节器，分别调节转速和电流，二者之间实行串级连接，即把转速调节器的输出当作电流调节器的输入，再用电流调节器的输出去控制晶闸管整流器的触发装置。
从闭环结构上看，电流调节环在里面，叫做内环；转速环在外面，叫
做外环。
这样就形成了转速、电流双闭环调速系统。
该双闭环调速系统的两个调节器ASR和ACR一般都采用PI调节器。
因为PI调节器作为校正装置既可以保证系统的稳态精度，使系统在稳态运行时得到无静差调速，又能提高系统的稳定性；作为控制器时又能兼顾快速响应和消除静差两方面的要
求。
一般的调速系统要求以稳和准为主，采用PI调节器便能保证系统获得良好的静态和动态性能。
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U*n
U*i
+
AC
UPE
Id
ASR
M
R
Ud
n
T
图4.转速、电流双闭环直流调速系统结构ASR—转速调节器ACR
—电流调节器TG—测速发电机TA—电流互感器UPE—电力电子变换
器。
数字电流调节器的设计
反应系数确实定：
电枢电流是双极性的，
A/D转换的结果为
10位二进制
数转速反应系数：
α=
电流反应系数：
β=
确定电流调节器时间常数
1〕
整流装置滞后时间常数。
2〕
电流滤波时间常数
Toi:
取。
3〕
电流环小时间常数之T∑i近似处理，取T∑
i。
4〕电枢回路电磁时间常数Tl
Tl＝L/R＝＝
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5〕电力拖动系统时间常数Tm
Tm=40ms＝
电流调节器结构的选择
根据设计要求并保证稳态电流无差，可按典型I型系统设计电流调节器。
电流环控制对象是双惯性型的，因此可用PI型电流调节器，其传递函数为
WACR〔S〕=Ki〔τis+1〕/τis
Ki-------电流调节器的比例系数；τi------电流调节器的超前时间常
数。
检查对电源电压的抗干扰性能：
Tl/T∑I=0.0167s/0.0022s=7.6,参照教材中表2-3的典型型系统动
态抗扰性能，各项指标都是可以接受的。
*（s）
Id（s）
Ui
+
KS
ACR
R
（TLS
1）（TIS1）
-
Ui（s）
图5电流环等效近似处理后校正成为典型I系统框图
电流调节器参数计算
电流调节器超前时间常数：
电流环开环增益：
要求σi≤5％时,查表得KIT∑i=0.5,因此
于是，ACR的比例系数为：
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Ki=KIτiR/Ksβ×××14.4）＝
电流环采样角频率：
Wsi=10Wci=2273s-1
电流环采样时间：
数字转速调节器的设计
转速调节器结构的选择
转速环开环传递函数应共有两个积分环节，所以应该设计成典型II系统，
系统同时也能满足动态抗扰性能好的要求。
Un*（s）/a
KN（n*s1）
*
ss（Tn*s1）
+
_
n（s）
图6转速环等效近似处理后校正成为典型II系统框图ASR也应该采
用PI调节器，其传递函数为：
WASR〔s〕=Kn〔τns+1〕/τns
Kn-------转速调节器的比例系数；τn------转速调节器的超前时间常
数。
转速调节器参数计算
按跟随和抗扰性能都较好的原那么，取h=5，那么ASR的超前时间常数为
τn=hT∑n=5×
转速开环增益：
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KN=（h+1）/2h2T∑n2=6/（2×52×
ASR的比例系数为：
Kn=（h+1）βCeTm/2hαRT∑n=6×××/（2×5×1××
转速环采样角频率：
电流环采样时间：
PWM信号发生电路设计
PWM波可以由具有PWM输出的单片机通过编程来得以产生，也可以采用PWM专用芯片来实现。
当PWM波的频率太高时，它对直流电机驱动的功率管要求太高，而当它的频率太低时，其产生的电磁噪声就比拟大，在实际应用中，当PWM波的频率在18KHz左右时，效果最好。
在本系统内，采用了两片4位数值比拟器4585和一片12位串行计数器4040组成了PWM信号发生电
路。
两片数值比拟器4585，即图上U2、U3的A组接12位串行4040计数输出端Q2—Q9，而U2、U3的B组接到单片机的P1端口。
只要改变P1端口的输出值，那么就可以使得PWM信号的占空比发生变化，从而进行调速控制。
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U2
PWM
vcc
XTAL2
GND
A>BA3
A2
A1
A0
B3
B2
B1
B0A=B
AU3
B3AB2A=B
B1A>B
B0
AA=BA2
A>BA1
A0
图7PWM生成电路图
Q9
Q8
Q7CLK
Q6
Q5
Q4RST
Q3
Q2
4040
控制软件流程图
主程序主程序是一个循环程序，其主要思路是，先设定好速度初始值，
这个初始值与测速电路送来的值相比拟得到一个误差值，然后用PI算法输
出控制系数给PWM发生电路改变波形的占空比，进而控制电机的转速。
其程
序流程图如下图。
软件由1个主程序、1个中断子程序和1个PI控制算
法子程序组成。
主程序主程序是一个循环程序，其主要思路是由单片机P1
口生数据送到PWM信号发生电路，然后用PI算法输出控制系数给PWM发生
电路改变波形的占空比进而控制电机的转速。
主程序流程图如图8所示：
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开始
系统初始化
否
否
按键是
否按下
是
读取键值
是
是
是
否
正转反转
否否
减速加速
加速减速
是
否
是是
PWM启动调制
PI口数值减小
PWM启动调制
PI口数值增加
停机
否否
停机
程序
图8控制软件流程图
文档
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参考文献
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李仁
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