基于STC8A微控制器的節能車(chē)模系統*

*節選自《第十五屆全國大學(xué)生智能汽車(chē)邀請賽技術(shù)報告》的“紫丁香四隊”《無(wú)線(xiàn)節能組技術(shù)報告》。

指導教師：齊超，王盼寶；帶隊教師：張依。

1   車(chē)模主要技術(shù)參數

智能車(chē)主要技術(shù)參數包括物理尺寸、電路指標等，具體參數見(jiàn)表 1，智能車(chē)實(shí)物圖見(jiàn)圖1。

2   無(wú)線(xiàn)充電接收電路設計

為了實(shí)現對充電的控制，利用半橋電路通過(guò)調節PWM 信號，來(lái)實(shí)現對充電部分的控制。電路圖如圖2所示，采用BTN7971 集成半橋，實(shí)現對輸出電壓的控制。

圖1 智能車(chē)實(shí)物

系統電源的來(lái)源由線(xiàn)圈接收的電壓經(jīng)過(guò)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(wú)線(xiàn)充電控制設計

通過(guò)反饋控制，達到充電功率恒定。方法是首先能夠對于充電功率進(jìn)行測量，然后根據實(shí)際的充電功率與功率設定值進(jìn)行比較，利用誤差信號，通過(guò)PID 控制算法，改變PWM 占空比，進(jìn)而改變充電功率，使其達到與功率設定值相同并保持穩定。其中功率測量部分，利用AD8217 對通過(guò)采樣電阻的電壓進(jìn)行放大，從而將電流信號轉為電壓信號，利用分壓電阻將電壓降到微控制器的采樣范圍內，再利用微控制器的A/D 轉換完成對電壓的采樣，在程序里經(jīng)過(guò)還原，即可得到相應的電流值與電壓值。

圖2 無(wú)線(xiàn)充電控制部分原理圖

3   硬件電路的設計

智能車(chē)電路部分主要的模塊包括：充電模塊、電源模塊、傳感器模塊、驅動(dòng)模塊以及其他周邊調試模塊。各模塊的總體設計原則是：節能，緊湊，易于拆換，穩定可靠。但根據各模塊的不同，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(guān)重要，電源的首要指標是可靠性，整個(gè)硬件系統的工作完全由電源供電的可靠性決定，電源供電的不穩定性會(huì )引起損耗、微控制器復位、舵機及傳感器損毀等嚴重問(wèn)題；另外，與傳統的電池供電不同，超級電容在供電過(guò)程中存在電壓降低的問(wèn)題，所以，在接入電路時(shí)，還要有穩壓的模塊。

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(guān)發(fā)現電池電量是否正常。我們需要的電源包括3.3 V，5 V，-5 V，10 V 等。根據規劃，5 V 供電我們選擇了TPS63070 開(kāi)關(guān)電源芯片，對于這款芯片，其輸入范圍為2~16 V，而輸出可調，并且輸出電流可以達到2 A，足以滿(mǎn)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 驅動(dòng)電路設計

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

對于節能組，為了選出一個(gè)低功耗的驅動(dòng)方案，我們對比三種電路都進(jìn)行了搭建并測試，MC33886 的優(yōu)點(diǎn)是電路簡(jiǎn)單，外圍元件少，但缺點(diǎn)是內阻較大，通過(guò)電流有限，可以通過(guò)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(guò)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，但是對于超級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。對比三種方案，我們選擇了BTN7971 作為驅動(dòng)電路，圖4 是電路原理圖。

圖4 驅動(dòng)電路

4   方向控制的理論分析

PID 控制器是一種線(xiàn)性控制器，它根據給定值與實(shí)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(guò)線(xiàn)性組合構成控制量，對被控對象進(jìn)行控制，故稱(chēng)PID 控制器，原理框圖如圖5 所示。

運用PID 控制的關(guān)鍵是調整KP、KI、KD 三個(gè)參數，即參數整定。PID 參數的整定方法有兩大類(lèi)：①理論計算整定法。主要是依據系統的數學(xué)模型，經(jīng)過(guò)理論計算確定控制器參數；②工程整定方法。主要依賴(lài)工程經(jīng)驗，直接在控制系統的試驗中進(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(chē)系統是機電高耦合的分布式系統，并且要考慮賽道的具體環(huán)境，要建立精確的智能車(chē)運動(dòng)控制數學(xué)模型有一定難度，而且我們對車(chē)身機械結構經(jīng)常進(jìn)行修正，模型參數變化較為頻繁，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。

參考文獻：

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（本文來(lái)源于《電子產(chǎn)品世界》雜志2021年1月期）