基于STC8A微控制器的節(jié)能車模系統(tǒng)*

*節(jié)選自《第十五屆全國大學生智能汽車邀請賽技術報告》的“紫丁香四隊”《無線節(jié)能組技術報告》。

指導教師：齊超，王盼寶；帶隊教師：張依。

1   車模主要技術參數(shù)

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

2   無線充電接收電路設計

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

圖1 智能車實物

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。

2.1 無線充電控制設計

通過反饋控制，達到充電功率恒定。方法是首先能夠?qū)τ诔潆姽β蔬M行測量，然后根據(jù)實際的充電功率與功率設定值進行比較，利用誤差信號，通過PID 控制算法，改變PWM 占空比，進而改變充電功率，使其達到與功率設定值相同并保持穩(wěn)定。其中功率測量部分，利用AD8217 對通過采樣電阻的電壓進行放大，從而將電流信號轉(zhuǎn)為電壓信號，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)換完成對電壓的采樣，在程序里經(jīng)過還原，即可得到相應的電流值與電壓值。

圖2 無線充電控制部分原理圖

3   硬件電路的設計

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)動模塊以及其他周邊調(diào)試模塊。各模塊的總體設計原則是：節(jié)能，緊湊，易于拆換，穩(wěn)定可靠。但根據(jù)各模塊的不同，又有不同的設計要求。

3.1 電源模塊設計

由于是由超級電容供電，所以電源模塊的設計顯得至關重要，電源的首要指標是可靠性，整個硬件系統(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)定性會引起損耗、微控制器復位、舵機及傳感器損毀等嚴重問題；另外，與傳統(tǒng)的電池供電不同，超級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，還要有穩(wěn)壓的模塊。

電源設計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 開關電源芯片，對于這款芯片，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正常工作所需要的電流。設計原理圖如圖3 所示。

圖3 電源電路

3.2 驅(qū)動電路設計

驅(qū)動電路為智能車驅(qū)動電機提供控制和驅(qū)動^[4-6]，這部分電路的設計要求以能夠通過大電流為主要指標。驅(qū)動電路的基本原理是 H 橋驅(qū)動原理，目前流行的H橋驅(qū)動電路有：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。

對于節(jié)能組，為了選出一個低功耗的驅(qū)動方案，我們對比三種電路都進行了搭建并測試，MC33886 的優(yōu)點是電路簡單，外圍元件少，但缺點是內(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，電路簡單，只需要簡單的幾個外圍電阻，缺點是輸入電壓要高于7 V 才能正常工作，但是對于超級電容的寬輸入范圍的電壓，我們可以采用TPS63070 進行升壓，給予其足夠工作的電壓。對比三種方案，我們選擇了BTN7971 作為驅(qū)動電路，圖4 是電路原理圖。

圖4 驅(qū)動電路

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)給定值與實際輸出值構成控制偏差。將偏差的比例(P)、積分(I) 和微分(D) 通過線性組合構成控制量，對被控對象進行控制，故稱PID 控制器，原理框圖如圖5 所示。

運用PID 控制的關鍵是調(diào)整KP、KI、KD 三個參數(shù)，即參數(shù)整定。PID 參數(shù)的整定方法有兩大類：①理論計算整定法。主要是依據(jù)系統(tǒng)的數(shù)學模型，經(jīng)過理論計算確定控制器參數(shù)；②工程整定方法。主要依賴工程經(jīng)驗，直接在控制系統(tǒng)的試驗中進行，且方法簡單、易于掌握，在工程實際中被廣泛采用。由于智能車系統(tǒng)是機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動控制數(shù)學模型有一定難度，而且我們對車身機械結構經(jīng)常進行修正，模型參數(shù)變化較為頻繁，理論計算整定法可操作性不強，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）