2.9.2 L298n介绍 ..................................... 23 2.9.3 电机转速的控制 ................................. 24 2.10 本章小结 .......................................... 25 3 智能小车速度控制系统的软件设计 ........................... 26 3.1速度控制系统的软件设计概论 .......................... 26 3.2 速度控制系统软件模块分析 ............................ 26 3.3 电机驱动程序设计 .................................... 27 3.4 测速及显示程序设计 .................................. 27 3.5 PI调速程序设计 ..................................... 28 3.6 本章小结 ........................................... 30 4 实验分析 ................................................ 31 5 结 论 ................................................... 32 致 谢 ..................................................... 33 参考文献 .................................................. 34
附 录
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概述
1.1 本设计研究的背景和意义
20世纪50年代初美国Barrett Electronics公司开发出了世界上第一台自动引导车辆系统（Automated Guided Vehicle System，AGVS），从此开始了智能车辆的研究。1974年，瑞典的Volvo Kalmar轿车装配工厂与Schiinder-Digitron公司合作，研发出了一种可装载轿车车体的AGVS，并用多台该种AGVS获得了显著的经济效益，于是许多西欧国家纷纷效仿Volvo公司，并逐渐使AGVS在装配作业中成为一种流行的运输方式[1]。
智能小车是一个集环境感知、规划决策、自动行驶等功能于一体的机电综合系统，它集中运用了传感、信息、通信、计算机、导航、人工智能及自动控制等技术，是典型的高新技术综合体。智能小车的研究对于汽车自动驾驶、救灾、外太空探测等都有重大意义。
本设计通过构建智能小车系统，培养设计实现智能小车速度控制系统的能力，主要体现智能小车能够实时测量、显示行驶速度，并进行调速。技术上采用对射式光电传感器设计速度检测模块，同时，采用PWM技术和PI算法控制电机转速。在此过程中加深对单片机知识和控制理论的理解和认识。
如今，汽车方面的研究越来越受到人们的关注。全国电子大赛及省内电子大赛几乎每次都有智能小车方面的题目，全国各高校也都非常重视该题目的研究，可见其研究意义之大。 1.2 本设计的研究内容
本设计是设计基于STC89C52单片机由直流电机驱动的智能小车，包括直流电机驱动硬件电路，最小单片机应用系统等，分析速度控制原理，编写控制程序。本设计选择通用、价廉的STC89C52单片机为控制平台，选择常见的电机模型车为机械平台，通过细化设计要求，结合传感器技术和电机控制技术相关知识实现小车行驶速度的测量、显示及调速，达到智能控制，完成设计目标。
本设计以2个直流电机为主驱动，通过测速传感器来采集速度信息，送入主控单元STC89C52单片机处理数据后完成相应动作，以达到自身控制。电机驱动采用L298n，可以驱动2个直流电机或一个步进电机，测速由对射式光电测速传感器完成。
根据设计的作品要达到的效果，本系统以STC89C52为核心控制器，主要由电源模块、电机驱动模块、测速模块、LED显示模块构成。系统的结构框图如图1.1所示。
图1.1 系统结构框图
2 智能小车速度控制系统的硬件设计
2.1 智能小车的速度控制系统的选择
本设计选用7.2V电池组作为智能电动小车的电源，以STC89C52单片机为控制核心，实现小车的测速、显示及调速，达到智能控制。为提高系统的静态性能，智能小车采用PWM 脉宽调制技术，速度控制算法采用PI算法。
速度控制系统是智能汽车的速度控制的核心环节。在确保智能小车稳定运行的前提下，电路应尽量简洁，通过减少系统负载提高车体的灵活性。同时要以车体简洁功能良好为目的、以运行可靠为前提，实现智能小车的平稳运行。
速度控制系统作为一个自动控制系统，能够自动检测智能小车的行驶速度，并发出相应的指令，控制智能车的行驶速度，整个系统包括传感器检测、信息处理、控制算法和执行机构四个部分组成。硬件设计部分传感器、单片机、LED显示器、执行机构以及驱动电路，软件设计部分为信息分析处理与控制算法。 2.2 速度控制算法
由于小车在行驶过程中会产生较大的惯性和时延，从控制信号输出到电机响应有一段时间的延迟，同时小车运行本身的惯性也使得它难以按照预先设定好的理想状况运行，这种影响在小车弯道行驶时显得尤为明显。
在弯道行驶时，若速度过，小车快会冲出赛道，导致无法再次循迹，影响运行效果；速度过慢则小车停在弯道处；而在直线上时，又需要较快的速度来快速完成行驶过程，并将速度稳定在安全的行驶速度范围之内，避免速度过快而影响小车的性能。因此，智能小车的速度控制在行驶过程中非常重要，为了使智能小车能实现直线快速行驶、弯道减速慢行，需要对智能小车的电机进行处理[2]。
在速度控制中，如何获取小车当前车速，以及如何对小车的速度进行控制是两个关键问题，小车的速度可由测速传感器获得。
本系统是个闭环控制系统，为了获得稳定、快速、准确的速度控制系统，本设计采用PI速度控制算法。
PID调节的作用：
1.比例控制：反应系统的基本（当前）偏差，系数大，可以加快调节，减小误差，但过大的比例使系统稳定性下降，甚至造成系统不稳定。
2.积分控制：反应系统的累计偏差 ，消除系统稳态误差，提高无差度，只
要有误差，积分调节就进行，直至无误差。
3.微分控制：反映系统偏差信号的变化率，具有预见性，能预见偏差变化趋势，产生超前控制作用，在偏差还没有形成之前，就已被微分调节作用消除，因此可改善系统的动态性能，其不足之处是放大了噪声信号[3]。
由于在本设计中，仅使用PI调节便足以达到理想的精度和超调量，所以无须再加上微分项。
PI参数的整定：
本设计采用较常用的工程整定法中的临界比例法对PI参数进行调整。用此法进行PI参数整定的步骤如下：(1)先预选一个足够短的采样周期让系统工作；(2)仅加入比例控制环节，直至系统对输入的阶跃响应做出临界振荡，并记下此刻的临界振荡周期和比例放大系数；(3)在一定的控制度下通过公式计算得到PI参数。一个小电机闭环控制，一般P在（1，10）之间，I在（0，5）之间，D在（0.1，1）之间,具体参数要在现场调试时进行修正。 2.3 直流调速系统
目前常见的调速方案有三种： 1. 串电阻调速系统；
2. 静止可控整流器，即V-M系统； 3. 脉宽调速系统 。
旋转变流系统通过交流发电机拖动直流电机来实现，发电机将电供给直流电机，通过调节励磁电流改变输出电压，从而达到调速的目的。电机输出电压的极性与电机的转向都可以通过改变励磁电流的方向来改变，所以G-M系统很容易实现可逆运行。但该系统需要旋转变流机组、旋转电机、励磁发电机等，所需设备多、体积大、效率低等诸多缺点，且技术落后，因此不采用该方案。
V-M系统是目前最主要的直流调速系统，有单相、三相等，有半波、全波、全控等类型。优点是调速平滑，不足之处是晶闸管只能单向导电，无法实现电流反向，可逆运行困难，另一个缺点是运行条件高，维护麻烦。在低速运行状态下，功率因数很低，易危及附近的用电设备。
采用晶闸管的直流斩波器基本原理与整流电路的区别在于晶闸管不受相位控制，而是在于它工作在开关状态。当晶闸管被触发导通时，电源电压加在电机