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基于labVIEW的双轮自平衡小车.pdf
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基于labVIEW的双轮自平衡小车.pdf
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双轮自平衡小车
摘要:本系统主要包括控制系统模块、电机驱动模块和角速度测量模块三个模
块,根据角加速度传感器测量出的数据,利用 myRIO 调节占空比,调节电机的
转速,使小车能始终保持平衡。
关键词:PID 控制,PWM,自平衡;
目录
1 方案分析..........................................................1
1.1 模块方案比较与选择 .................................................1
1.2 总体方案论述.......................................................1
2 电路与硬件设计.........................................................................................................2
2.1.驱动的选择.........................................................................................................................2
2.2 电路设计.............................................................................................................................2
3 系统软件设计............................................................................................................4
3.1 控制算法的选取 .....................................................4
3.2 程序流程图...........................................................7
3.3 程序清单............................................................10
4 系统测试及结果分析...............................................13
总结...............................................................15
参考文献...........................................................15
附录 实物图表......................................................16
1、
0
一、方案分析
1.1.模块方案比较与选择
1.1.1 控制系统模块的论证与选择
方案一:采用传统的 89C51 芯片为控制核心。具有 4KB 的程序存储器,
128KB 的数据存储器,64KB 的片外存储器寻址能力,64KB 的片外数据存储器
寻址能力,32 根输入/输出线,1 个全双工异步串行口,2 个 16 位定时/计数器,
5 个中断源,2 个优先级。但数学处理能力差,功能单一,运算速度慢,控制过
程比较烦琐。
方案二:采用采用 NI myRIO。NI myRIO 内嵌 Xilinx Zynq 芯片,使学生可
以利用双核 ARM Cortex-A9 的实时性能以及强大的计算功能,编程开发简单,
支持用 LabVIEW 进行编程,图形编程,明了易懂,同时包含大量现成算法函
数,方便快速调用。同时,myRIO 自带三轴加速度传感器,可通过 LabVIEW
观察波形,进行自平衡小车测量时非常方便。
综合考虑采用方案二控制。
1.1.2 电机驱动模块的论证与选择
方案一:
采用步进电机为驱动源,但步进电机并不能像普通的直流电机,交流电机
在常规下使用。它必须由双环形脉冲信号、功率驱动电路等组成控制系统方可
使用。且速度不是很快,不好操作。
方案二:
使用 MOSFET 构成 H 桥式驱动电路,利用 PWM 波形来控制电机的转速,
此电路驱动功率比较大耗能高,电机的转速较快。
方案三:
使用直流电机驱动芯片 L298N 来驱动直流电机,通过占空比来调节转速,
控制较为方便。
综合考虑采用方案三。
1.1.3 角速度测量模块的论证与选择
方案一:
使用三轴加速度传感器 MMA7260Q 可以测量小车加速度大小,选取最佳
重心位置,将测量出的数据传入控制系统。
方案二:
使用 myRIO 自带三轴加速度传感器,由于是本身自带,便于使用与测量。
1.2.总体方案论述
本系统主要包括控制系统模块、电机驱动模块和角速度测量模块三个模块,
根据角加速度传感器测量出的数据,利用 myRIO 调节占空比,调节电机的转速,
使小车能始终保持平衡。
.
NI
myRIO
角加速度
传感器
显示
电机
1
2、电路与硬件设计
2.1.驱动的选择
本电路选择 TB6612FNG 新型驱动器件,与传统电动机驱动相比,具有较高
的集成度,且能独立双向控制 2 个直流电机,同时能提供足够的输出能力,运
行性能和能耗方面也具有优势,因此在集成化、小型化的电机控制系统中,它
可以作为理想的电机驱动器件。
它具有大电流 MOSFET-H 桥结构,双通道电路输出,可同时驱动 2 个电机,
TB6612FNG 每通道输出最高 1.2 A 的连续驱动电流,启动峰值电流达 2A/3.2
A(连续脉冲/单脉冲);4 种电机控制模式:正转/反转/制动/停止;PWM 支持频率
高达 100 kHz;待机状态;片内低压检测电路与热停机保护电路;工作温度:-
20~85℃;SSOP24 小型贴片封装。
AINl/AIN2、BIN1/BIN2、PWMA/PWMB 为控制信号输入端;AO1/A02、B01/B02
为 2 路电机控制输出端;STBY 为正常工作/待机状态控制引脚;VM(4.5~15 V)和
VCC(2.7~5.5 V)分别为电机驱动电压输入和逻辑电平输入端。
2.2.电路设计
TB6612FNG 与 AVR 单片机组成的电机控制单元。单片机定时器产生 4 路 PWM 输
出作为 AIN1/AIN2 和 BIN1/BIN2 控制信号,对电机 M1 和 M2 的控制。使用功率
MOSFET 对 VM 和 VCC 提供电源反接保护。
我们可以直接将 PWM 的 AB 端口都接在 My Rio 的 PWM 输出端口相连,使小
车的两个电机转速均由同一个量进行控制,小车的转动能同步。两且个电机的
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