基于STC8A微控制器的節(jié)能車模系統(tǒng)*

*節(jié)選自《第十五屆全國(guó)大學(xué)生智能汽車邀請(qǐng)賽技術(shù)報(bào)告》的“紫丁香四隊(duì)”《無(wú)線節(jié)能組技術(shù)報(bào)告》。

指導(dǎo)教師：齊超，王盼寶；帶隊(duì)教師：張依。

1   車模主要技術(shù)參數(shù)

智能車主要技術(shù)參數(shù)包括物理尺寸、電路指標(biāo)等，具體參數(shù)見表 1，智能車實(shí)物圖見圖1。

2   無(wú)線充電接收電路設(shè)計(jì)

為了實(shí)現(xiàn)對(duì)充電的控制，利用半橋電路通過調(diào)節(jié)PWM 信號(hào)，來實(shí)現(xiàn)對(duì)充電部分的控制。電路圖如圖2所示，采用BTN7971 集成半橋，實(shí)現(xiàn)對(duì)輸出電壓的控制。

圖1 智能車實(shí)物

系統(tǒng)電源的來源由線圈接收的電壓經(jīng)過全橋整流濾波后，得到約24 V 的直流電壓，利用LM2596 得到5 V，給微控制器提供工作電壓^[1-3]，從而產(chǎn)生控制信號(hào)。

2.1 無(wú)線充電控制設(shè)計(jì)

通過反饋控制，達(dá)到充電功率恒定。方法是首先能夠?qū)τ诔潆姽β蔬M(jìn)行測(cè)量，然后根據(jù)實(shí)際的充電功率與功率設(shè)定值進(jìn)行比較，利用誤差信號(hào)，通過PID 控制算法，改變PWM 占空比，進(jìn)而改變充電功率，使其達(dá)到與功率設(shè)定值相同并保持穩(wěn)定。其中功率測(cè)量部分，利用AD8217 對(duì)通過采樣電阻的電壓進(jìn)行放大，從而將電流信號(hào)轉(zhuǎn)為電壓信號(hào)，利用分壓電阻將電壓降到微控制器的采樣范圍內(nèi)，再利用微控制器的A/D 轉(zhuǎn)換完成對(duì)電壓的采樣，在程序里經(jīng)過還原，即可得到相應(yīng)的電流值與電壓值。

圖2 無(wú)線充電控制部分原理圖

3   硬件電路的設(shè)計(jì)

智能車電路部分主要的模塊包括：充電模塊、電源模塊、傳感器模塊、驅(qū)動(dòng)模塊以及其他周邊調(diào)試模塊。各模塊的總體設(shè)計(jì)原則是：節(jié)能，緊湊，易于拆換，穩(wěn)定可靠。但根據(jù)各模塊的不同，又有不同的設(shè)計(jì)要求。

3.1 電源模塊設(shè)計(jì)

由于是由超級(jí)電容供電，所以電源模塊的設(shè)計(jì)顯得至關(guān)重要，電源的首要指標(biāo)是可靠性，整個(gè)硬件系統(tǒng)的工作完全由電源供電的可靠性決定，電源供電的不穩(wěn)定性會(huì)引起損耗、微控制器復(fù)位、舵機(jī)及傳感器損毀等嚴(yán)重問題；另外，與傳統(tǒng)的電池供電不同，超級(jí)電容在供電過程中存在電壓降低的問題，所以，在接入電路時(shí)，還要有穩(wěn)壓的模塊。

電源設(shè)計(jì)中主要考慮到需要的電壓和電流，另外還用LED 燈顯示電池電壓，便于直觀發(fā)現(xiàn)電池電量是否正常。我們需要的電源包括3.3 V，5 V，-5 V，10 V 等。根據(jù)規(guī)劃，5 V 供電我們選擇了TPS63070 開關(guān)電源芯片，對(duì)于這款芯片，其輸入范圍為2~16 V，而輸出可調(diào)，并且輸出電流可以達(dá)到2 A，足以滿足微控制器、傳感器、外圍電路，以及我們選的銀燕舵機(jī)正常工作所需要的電流。設(shè)計(jì)原理圖如圖3 所示。

圖3 電源電路

3.2 驅(qū)動(dòng)電路設(shè)計(jì)

驅(qū)動(dòng)電路為智能車驅(qū)動(dòng)電機(jī)提供控制和驅(qū)動(dòng)^[4-6]，這部分電路的設(shè)計(jì)要求以能夠通過大電流為主要指標(biāo)。驅(qū)動(dòng)電路的基本原理是 H 橋驅(qū)動(dòng)原理，目前流行的H橋驅(qū)動(dòng)電路有：H 橋集成電路，如MC33886；集成半橋電路，如BTN7971 等；MOS 管搭建的H 橋電路。

對(duì)于節(jié)能組，為了選出一個(gè)低功耗的驅(qū)動(dòng)方案，我們對(duì)比三種電路都進(jìn)行了搭建并測(cè)試，MC33886 的優(yōu)點(diǎn)是電路簡(jiǎn)單，外圍元件少，但缺點(diǎn)是內(nèi)阻較大，通過電流有限，可以通過兩片MC33886 并聯(lián)方式進(jìn)行改善；IR2104 ＋ MOS 管搭建的H 橋電路可以通過較大電流，但由于每個(gè)MOS 管體積較大，因此電路板面積較大；BTN7971 是集成半橋電路，電路簡(jiǎn)單，只需要簡(jiǎn)單的幾個(gè)外圍電阻，缺點(diǎn)是輸入電壓要高于7 V 才能正常工作，但是對(duì)于超級(jí)電容的寬輸入范圍的電壓，我們可以采用TPS63070 進(jìn)行升壓，給予其足夠工作的電壓。對(duì)比三種方案，我們選擇了BTN7971 作為驅(qū)動(dòng)電路，圖4 是電路原理圖。

圖4 驅(qū)動(dòng)電路

4   方向控制的理論分析

PID 控制器是一種線性控制器，它根據(jù)給定值與實(shí)際輸出值構(gòu)成控制偏差。將偏差的比例(P)、積分(I) 和微分(D) 通過線性組合構(gòu)成控制量，對(duì)被控對(duì)象進(jìn)行控制，故稱PID 控制器，原理框圖如圖5 所示。

運(yùn)用PID 控制的關(guān)鍵是調(diào)整KP、KI、KD 三個(gè)參數(shù)，即參數(shù)整定。PID 參數(shù)的整定方法有兩大類：①理論計(jì)算整定法。主要是依據(jù)系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型，經(jīng)過理論計(jì)算確定控制器參數(shù)；②工程整定方法。主要依賴工程經(jīng)驗(yàn)，直接在控制系統(tǒng)的試驗(yàn)中進(jìn)行，且方法簡(jiǎn)單、易于掌握，在工程實(shí)際中被廣泛采用。由于智能車系統(tǒng)是機(jī)電高耦合的分布式系統(tǒng)，并且要考慮賽道的具體環(huán)境，要建立精確的智能車運(yùn)動(dòng)控制數(shù)學(xué)模型有一定難度，而且我們對(duì)車身機(jī)械結(jié)構(gòu)經(jīng)常進(jìn)行修正，模型參數(shù)變化較為頻繁，理論計(jì)算整定法可操作性不強(qiáng)，最終我們采用了工程整定的方法。

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（本文來源于《電子產(chǎn)品世界》雜志2021年1月期）