大型玩具車體底盤電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

劉濱濱 皇甫亦盈 于佳尼

摘要

為了實(shí)現(xiàn)對(duì)大型玩具車體底盤電機(jī)控制，設(shè)計(jì)了基于STM32和上位機(jī)相結(jié)合的控制驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)。系統(tǒng)采用CAN2.0B標(biāo)準(zhǔn)幀控制協(xié)議，通過工PAD發(fā)送串口命令由Wi-Fi到STM32后，STM32將相應(yīng)的命令根據(jù)協(xié)議編寫成相應(yīng)的CAN指令集經(jīng)由CAN總線發(fā)送給驅(qū)動(dòng)板，驅(qū)動(dòng)板解析指令完成電機(jī)驅(qū)動(dòng);同時(shí)驅(qū)動(dòng)板中加入電流實(shí)時(shí)采集和保護(hù)電路，提高驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的安全性和穩(wěn)定性;Wi-Fi模塊上的攝像頭采集到的圖像回傳到IPAD端，作為系統(tǒng)是否正常工作的反饋。

【關(guān)鍵詞】電流實(shí)時(shí)采集 圖像回傳 CAN2.0BWi-Fi

上位機(jī)經(jīng)Wi-Fi和STM32進(jìn)行通信，對(duì)底盤電機(jī)進(jìn)行驅(qū)動(dòng)。STM32對(duì)接收到的指令解析，通過CAN總線和驅(qū)動(dòng)板通信，完成電機(jī)動(dòng)作的相應(yīng)控制。視頻模塊的視頻回傳和電流實(shí)時(shí)采集保護(hù)電路以及CAN總線協(xié)議自帶的錯(cuò)誤探測(cè)和管理能力使得系統(tǒng)更加安全可靠。

1 驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)原理

1.1 驅(qū)動(dòng)電路原理

在可逆變速控制驅(qū)動(dòng)電路中，H橋驅(qū)動(dòng)電路使用最廣泛。如圖1，當(dāng)開關(guān)管Q1，Q4都導(dǎo)通而Q2，Q3都截止時(shí)，電流從電機(jī)左端流向右端，電機(jī)沿著一個(gè)方向旋轉(zhuǎn)，當(dāng)開關(guān)管Q2和Q3導(dǎo)通而Q1，Q4都截止時(shí)，電機(jī)反向旋轉(zhuǎn)。完成電機(jī)的驅(qū)動(dòng)。

1.2 CAN控制器收發(fā)器工作原理

系統(tǒng)用TJA1050和STM32自帶的CAN控制器連接。TJA1050符合ISO11898標(biāo)準(zhǔn)，不上電時(shí)呈現(xiàn)無源特性，發(fā)送數(shù)據(jù)時(shí)數(shù)據(jù)由主控制器經(jīng)接口管理邏輯到發(fā)送緩存器后傳輸?shù)紺AN核心模塊，模塊根據(jù)CAN規(guī)范將并行位流轉(zhuǎn)換成串行位流，位流經(jīng)過串口傳輸?shù)绞瞻l(fā)器進(jìn)行報(bào)文的發(fā)送;接收數(shù)據(jù)時(shí)CAN模塊將接收到的串行位流變成并行數(shù)據(jù)后經(jīng)過驗(yàn)收濾波器和接收FIFO完成報(bào)文的過濾和存儲(chǔ)。

1.3 電流實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)原理

本文用的LF-205-S可以測(cè)量的電流范圍是±200A。對(duì)電機(jī)的A相C相電流檢測(cè)，將大電流信號(hào)變成小電壓信號(hào)。無刷直流電機(jī)中IA+IB+IC-0，通過對(duì)A，C求和后反相可以得到B相電流。將電流經(jīng)由高精度半波整流模塊整流成電壓信號(hào)求和反相，即可得到此時(shí)進(jìn)入功率管的瞬時(shí)值所對(duì)應(yīng)的電壓值。完成電流的實(shí)時(shí)采集。

1.4 保護(hù)電路原理

在電流實(shí)時(shí)采集時(shí)發(fā)出2路信號(hào)，一路輸入采樣模塊，另一路輸入比較器。設(shè)計(jì)了2種保護(hù)方式，一種是限流保護(hù)，當(dāng)電流超過設(shè)定的過載電流值時(shí)，保護(hù)電路使STM32啟動(dòng)相應(yīng)的程序停車5秒鐘后恢復(fù)正常工作;另一種是超載保護(hù)，當(dāng)電流超過設(shè)置的超載電流值時(shí)，STM32會(huì)啟動(dòng)相應(yīng)的停機(jī)程序，防止電路損壞。如圖2。

1.5 CAN應(yīng)用層協(xié)議的制定原理

驅(qū)動(dòng)器的CAN通訊協(xié)議采用一主多從的方式。采用CAN2.0B標(biāo)準(zhǔn)通信協(xié)議，指令碼為[長(zhǎng)度LEN]+[ID]+[FUNC]+[DATA]。

硬件設(shè)計(jì)：

硬件由STM32，驅(qū)動(dòng)板，TJA1050CAN和Wi-Fi視頻模塊。收發(fā)器和stm32由串口連接，和驅(qū)動(dòng)板由雙絞線連接，如圖3。

3 軟件的設(shè)計(jì)

IPAD端軟件采用Socket編程實(shí)現(xiàn)命令發(fā)送，采用蘋果公司推出的標(biāo)準(zhǔn)布局設(shè)計(jì)UI，同時(shí)加入視頻解析的功能，實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)回傳。核心板程序設(shè)計(jì)包含2方面內(nèi)容，一是系統(tǒng)安全的設(shè)計(jì)一引入定時(shí)器計(jì)數(shù)，設(shè)定3秒內(nèi)如果沒有接到IPAD端的命令，則系統(tǒng)進(jìn)入待機(jī)狀態(tài)。二是底盤電機(jī)控制，這部分則是改變左右電機(jī)的速度和電機(jī)的轉(zhuǎn)向，發(fā)送CAN指令至驅(qū)動(dòng)板完成電機(jī)的控制。

4 結(jié)語

系統(tǒng)采用上位機(jī)和STM32相結(jié)合的控制方式，使用CAN總線和驅(qū)動(dòng)板進(jìn)行通信，視頻反饋功能不僅可以對(duì)底盤周圍環(huán)境實(shí)時(shí)觀察，而且可以對(duì)系統(tǒng)工作狀況進(jìn)行監(jiān)測(cè)。經(jīng)測(cè)試，該Wi-Fi模塊的有效傳輸距離達(dá)到100m，視頻延時(shí)小于1S。同時(shí)驅(qū)動(dòng)板的電流實(shí)時(shí)采集和電路保護(hù)功能提高系統(tǒng)安全性和穩(wěn)定性。

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