基于MC9S12XS128實(shí)現(xiàn)車(chē)模的直立控制

以飛思卡爾16位單片機(jī)MC9S12XS128為核心控制器，以二輪玩具車(chē)為控制對(duì)象，使用ENC-03RC陀螺儀傳感器與MMA7361加速度傳感器，通過(guò)使用匹配濾波算法實(shí)現(xiàn)二輪玩具車(chē)模傾斜角度的測(cè)量。在此基礎(chǔ)上，將二輪玩具車(chē)直立運(yùn)動(dòng)線性分解，設(shè)計(jì)出直立速度控制器。實(shí)現(xiàn)了二輪車(chē)直立運(yùn)行。

進(jìn)入21世紀(jì)以來(lái)，隨著我國(guó)城鄉(xiāng)經(jīng)濟(jì)的高速發(fā)展，人們生活水平的提高，越來(lái)越多的人開(kāi)始擁有私家車(chē)，這在一定程度上造成了日益嚴(yán)重的交通壓力。為了解決這一問(wèn)題，人們開(kāi)始研究新的交通工具。與三輪車(chē)，四輪車(chē)等交通工具相比，兩輪車(chē)具有的便于在狹窄空間運(yùn)行，輕便靈活的車(chē)身以及易于存放管理的特點(diǎn)，成為近年來(lái)的一個(gè)研究熱點(diǎn)，具有廣泛的運(yùn)用前景。鑒于此，本文以玩具車(chē)模(以下簡(jiǎn)稱(chēng)車(chē)模)為研究對(duì)象，以現(xiàn)代電路電子先進(jìn)的SMT技術(shù)為依托，使用先進(jìn)的控制理論，對(duì)兩輪車(chē)進(jìn)行了深入研究。

MC9S12XS128是飛思卡爾半導(dǎo)體公司推出的性?xún)r(jià)比較高的16位單片機(jī)。日本村田公司生產(chǎn)的測(cè)量角速度的傳感器ENC-03RC價(jià)格低廉，配合三軸角度測(cè)量傳感器MMA7361可以實(shí)現(xiàn)角度的測(cè)量。本文以MC9S12XS128為核心控制器，以ENC-03RC和MMA7361為主要傳感器，采用先進(jìn)PID算法，設(shè)計(jì)了直立速度控制器，實(shí)現(xiàn)了車(chē)模的直立運(yùn)行。

1 系統(tǒng)總體方案設(shè)計(jì)

1.1 車(chē)模傾斜角度的測(cè)量

通過(guò)對(duì)倒立擺的研究可以發(fā)現(xiàn)，要實(shí)現(xiàn)車(chē)模的直立控制，需要克服車(chē)模的重力影響。要做到這一點(diǎn)，必須獲得車(chē)模傾斜的角度以及角速度。這樣，當(dāng)車(chē)模往后傾斜時(shí)，通過(guò)得到的角度與角速度控制車(chē)模電機(jī)往后加速，當(dāng)車(chē)模往前傾斜時(shí)，利用角度與角加速度的值使電機(jī)往前加速，從而保持車(chē)模在平衡點(diǎn)直立。

單獨(dú)使用角度傳感器MMA7361可以測(cè)量?jī)A斜角度，再通過(guò)微分可以獲得角速度，但是由于其存在一定的噪聲，因此不適合用于直立控制?；诖耍疚慕Y(jié)合兩種傳感器，使用匹配濾波算法，實(shí)現(xiàn)角度與角速度的測(cè)量。匹配濾波算法的原理框圖如圖1所示。

1.2 車(chē)模的直立控制

由圖1.1可知，通過(guò)匹配濾波算法實(shí)現(xiàn)了車(chē)模角度的平滑，由陀螺儀傳感器得到了角加速度的值。車(chē)模的直立控制是通過(guò)角度負(fù)反饋控制，使其實(shí)現(xiàn)直立控制。使用比例控制，可以控制車(chē)模在平衡點(diǎn)直立。但是要保證車(chē)模具有較強(qiáng)的抗干擾性，具有快速的響應(yīng)速度，即當(dāng)車(chē)模遇到干擾時(shí)能夠快速穩(wěn)定到平衡點(diǎn)，還需要用到微分控制，即加入車(chē)模的角加速度。這樣，使用角度的比例與微分控制可以實(shí)現(xiàn)車(chē)?？焖俚胤€(wěn)定在平衡點(diǎn)(車(chē)模實(shí)際模型待畫(huà))。直立控制的原理圖如圖2所示。

1.3 車(chē)模的速度控制

為了解決陀螺儀傳感器溫漂以及傳感器安裝問(wèn)題，可以通過(guò)加入速度控制來(lái)實(shí)現(xiàn)車(chē)模的平衡點(diǎn)穩(wěn)定。通過(guò)車(chē)模的角度控制車(chē)模的直立是一個(gè)正反饋的過(guò)程而不是負(fù)反饋，這與其它常見(jiàn)的控制方式不同。其根本原因在于車(chē)模的重力方向與恢復(fù)到平衡點(diǎn)的力的方向是相反的。當(dāng)車(chē)?？焖傧蛞粋€(gè)方向傾斜時(shí)，為了改變運(yùn)動(dòng)方向，即改變車(chē)模的傾斜角度，這時(shí)應(yīng)該施加正反饋使電機(jī)加大力度，改變車(chē)模傾角，而不是減小電機(jī)控制量。所以速度反饋是一個(gè)正反饋。由于車(chē)模的執(zhí)行機(jī)構(gòu)是直流電機(jī)，通過(guò)控制電機(jī)實(shí)現(xiàn)對(duì)車(chē)模直立與速度控制，由電機(jī)拖動(dòng)可知直流電機(jī)產(chǎn)生的力矩與電流的關(guān)系近似為

T=CeφIa (1)

其中Ce為電機(jī)常數(shù)，φ為電勢(shì)常數(shù)，Ia為電樞電流。

從式(1)可以將電機(jī)看作一個(gè)線性機(jī)構(gòu)。這樣直立控制與速度控制可以看作兩個(gè)控制器線性疊加在一起，并且相互之間是可以近似看作無(wú)耦合的。這時(shí)可以獨(dú)立于直立控制，單獨(dú)設(shè)計(jì)速度控制器。速度控制采用改進(jìn)型PI控制器，圖3表示了速度控制的原理框圖：

車(chē)模直立運(yùn)行的關(guān)鍵是直立控制與速度控制，基于陀螺儀與加速度計(jì)以及測(cè)速傳感器可以實(shí)現(xiàn)。整個(gè)系統(tǒng)的原理框圖如圖4所示。