智能车初选试题库讲义.doc

1、深圳技师学院第九届技能节智能车竞速比赛要求参赛选手为各职业院校在校 学生，一队包含最多 3 个学生，两个指导教师；拟邀请法国、奥地利等国家， 香港、广东等国内技工院校、职业院校参与本次竞赛。目前，确认参赛的是法 国 Lycee 路易斯阿曼德学校 一个机器人最主要的控制量就是控制机器人的移动，无论是自身的移动还是手臂 等关节的移动，所以机器人驱动器中最根本和本质的问题就是控制电机，控制电机转 的圈数，就可以控制机器人移动的距离和方向，机械手臂的弯曲的程度或者移动的距 离等。 驱动器驱动器，顾名思义起驱动作用。它是一种使其它物体自动运作的装置。它包括 以下种类： 交流电机（交流电机（AC motor）：采用交流电。 直流电机（直流电机（DC motor）：采用直流电，使用方便。 无刷电机（无刷电机（brushless motor）：不用电刷的直流电机，比普通直流电机更 好，但价格贵多了。 线性电机（线性电机（linear motor）：可以作 X-Y 平面运动的无刷电机。 伺服电机（伺服电机（servomotor）：可构成反馈控制的基本的直流电机，能用的起、 使用方便。 舵机（舵机（Steering Gear）：可调整舵机作 360 度转动。 步进电机步进电机：以转角增量形式工作的电机。 对绝大部分的参赛队而言，比较合适就是普通电机了，便宜，耐糙，耐压特性 好。普通的直流电机也分好几个级别，一般按电机直径分类，如 RC130, RC260/RC280, RC380,RC540 等等。飞思卡尔比赛用的是 RC380 电机。一般 电机越大，功率也越大 直流电机直流电机 直流电机就显得很简单。两端加上电压，它就转动了。如果要控制电机自转的方 向呢？正确的方法是改变电流的方向。一般直流电机是额定电压从 6V12V，再大一些 是 24V 或更大。但是对机器人来说，你可能只会用到 6V12V 的范围。这样来说，为什 么电机要在不同的电压下工作？电压直接关系到电机转矩的大小，电压越大，转矩越 高。但是不能让你的电机工作在 100V 的情况，那样就不太好了。直流电机在额定电压 下工作效率最高，如果你采用过低的电压值，它就不会工作了。如果你采用了过高的 电压，它将过热，线圈将会熔化。因此一般的规则是，尝试尽可能采用接近电机额定 的电压。此外，尽管 24V 的电机会更加强劲有力，难道你真的想让你的机器人随身带 上 24V 的电池（那是又重又大）？我的建议是不要超过 24V 的电机，除非你是真的太 需要那样的转矩了。 电流电流 对于所有的电路来说，一定要注意到电流。太小不能工作。太大也会彻底毁坏。 在买电机时，你一定要注意电流额定值问题。工作电流，这是电机工作在预期一般转 矩时电流的平均值，该值乘以额定电压就得到电机运行的平均功率。 额定电压额定电压 你能在电机上加上多高的电压？一般所有的电机受（或至少应该）一定的瓦特的 限定。瓦特是能量单位。能量转换中的损失直接变为热量输出，太多的热量会使电机 线圈（的绝缘部分）熔化。所以（高质量）的电机制造商知道多大的电压会使电机失 效，并且在电机性能表中给予说明。做下实验测试看看，你的电机工作在合适的电压 下的电流有多大。 方程式为： 功率（瓦）=电压（伏特）X 电流（安培） 不断增大电压，测试电流，直到功率为给定的额定功率的 90%左右为止。 功率功率 转矩转矩 转速转速 当说道直流电机时，转速是比较复杂问题。一般规则是，当电机以最大的可能速 度运行时效率最高。不过这显然是不可能的，很多时候我们也想让我们的机器人运行 的慢一些。因此，首先需要调速，这样电机能转的快，也能够得到额外的转矩，可惜 传动装置自动降低了效率，不会高于 90%左右，因此在考虑传动装置时，一对齿轮啮 合应该包括速度和转矩减少为 90%。例如，如果有 3 个齿轮，因此在一起啮合两次， 效率将为：90%x 90% = 81%。电压和工作阻力矩也明显会影响速度。 控制方法控制方法 最主要的直流电机的控制方法是 H 桥。 其它情况其它情况 用一只小的微法级的电容接接在电机两端以延长电机寿命。这样做对于有噪音和 价格便宜的电机确实好，几乎是电机的两倍寿命。不过，用这种技术对价格较贵的高 端电机改善很小。 电机驱动设计 电机的转动是小车行驶的动力来源，电机驱动的好还，驱动芯片能力的强弱， 直接影响到小车的行驶速度 B 73 顺时针反向电动势电流的流向 图 74 逆时针反向电动势电流的流向 L293B 754410 的典型应用 L298 驱动芯片是非常棒的小型直流电机驱动芯片之一。它可以被用来驱 动 两个直流电机或是双极性步进电机(参见图 79)。在 646v 的电压下，可 以提供 2A 的额定电流。I。298 过热后会自动关断，并且有电流反馈险测功能(因 79 中末使用)。如果需要激话这一功能，阅读 L298 的数据资料就会了解到具 体的做法。 为了保证 I298 正常工作，需要安装片外续流二极管。在输入控制、真值 表、电路的 连接和操作等方面它与 I293 和 754110 相同。在使用 I293B 时，同样 建议采用 1N 5822 的二极管。 这是一款非常流行的直流电机驱动芯片。在 1260V 电压下， I。MDl8200 提供 3A 的额定电流，可以驱动一个宜流电机或是步进电机。它内 部集成有续流二极管，并有一个电流检测反馈输出，过热时能自动关断。 LMDl8200 有一个方向引脚输入和一个 PwM 信号输入引脚，制动引脚输入支持 再生制动 d 只要 PwM 信号的额率在 1kH s 以下，芯片内部的电容就足以让电荷 泵为 H 桥集成功放电路上边的 Mos 场效应管提供较高的电压。当 PwM 信号频 率高于 1kH z 时，引脚 1 和引脚 2 之间，以及引脚 10 和引脚 ll 之间需要各加一 个 o1PF 的电容。对任何频率的 PwM 信号，加上这些电容都不会有什么坏处， 图 710 的典型电路中就使用了这些电容。 图 711 是一款紧凑而且简单的 H 桥集成功放电路驱动芯片。由于 ucN2998 内部集成有续流二极管，故片外所需的元件很少。该芯片在电压 10 一 50v 下工作，可以提供 2A 的额定电流，峰值电流高至 3A。该芯片有低有效 使能端(即逻辑 o 导通，逻图 1 关断)和相位(方向)施入引脚用于每个电机控制器。 如果发生过热，ULN2988 会自动关断。它只需一个电源供电。这是迄今所讨论 的最为简单的双通道宜流电机控制芯片。它不需要额外的外部元件，并且每一 个 H 桥集成功放电路都有单独的方向和 PwM 信号输人引脚。每一个 H 桥集成 功放 电路都有一个电流反馈检测输出引脚，不过在图示的电路中并末被使用。 UCN395l 有两种封装；Power DIP Sw 5erie5 和 16pin DIP SB 5eries。 这一款芯片已经过时了，不过在旧货店里还常常能够找到。UcN3951 通过内部 的 PwM 电路可以限流，这一功能通常被称作斩波驱动。其实并不一定需要这 一功能。uCN3951 在电压 10 一 50V、额定电流 2A、峰值电流 3A 的条件下， 可以驱动两个直流电机。它内部集成有续流二极管，过热时会自动关断。它需 要一个 5v 的逻辑控制电压和一个电机供电电压，并使用低有效使能信号(参见 图 712)。 大电流驱动器，买或自己做 ； Pwm 方法及其应用 电流来调速，但是功耗很大，发热很严重。PwM 调速的基本思想是：在频 率恒定的前提下产生占空比不同的脉冲，以速过电机的平均电压和电流作比较， 40的时间接通电源的电机比 20的时间接通电源的电机要大。当电机没有接 速电源时，它完全不消耗能量这一点正是其高效率的原因。 速度检测设计 小车正常行驶中，在道路上各个位置有着不同的速度，跑直线时，速度快， 进弯道时，速度要慢且能顺利过弯，这使得对小车实时的速度检测并反馈到单 片机处理显的犹为重要，单片机通过速度反馈可以闭环控制车速，使小车在道 路各位置都能很流畅的跑动。 速度检测的方法有好多种，如：光栅式编码检测，光电管检测，测速发电机， 霍尔元件等，它们各有各的优势。 机器人在移动或者动作的时候必须时时刻刻知道自己的姿态动作，否则就会产 生控制中的一个开环问题，没有反馈。位置传感器和姿态传感器就是这个用的。 常用的有光电编码器，由于机器人的执行机构一般是电机驱动，通过计算电机 转的圈数，可以得出电机带动部件的大致位置，编码器就是这样一种传感器， 它一般和电机轴或者转动部件直接连接，电机或者转动部件转了多少圈或者角 度能够通过编码器读出，控制软件再根据读出数据进行位置估计。 6 6、舵机、舵机 什么是舵机？ 舵机是一种内置传动装置和反馈控制回路的直流电机。 舵机的功能 舵机最早出现在航模运动中； 发动机进气量； 副翼舵面； 水平尾翼舵面； 垂直尾翼舵面； 赛车中控制前轮转向； 概况概况 舵机在机器人、遥控飞机和遥控小船的制作中使用得极为普遍。大多数 舵机能够转动大约 90 度至 180 度。有的可以转完 360 度或更大的角度。不过， 舵机不能持续转动，也就是说它们不能用作驱动轮（除非经过修改），但是它 们的精确定位能力使其成为机器人臂和腿，齿条和齿轮驱动，以及传感器扫描 等方面的理想装置。因为舵机自身包含了速度和角度控制回路，很容易执行， 同时价格也是可以接受的。使用舵机，简单地把黑线接地，红线接到 4.86V 电 源，黄线或白线接到信号源（比如你的微控制器）。改变矩形波脉冲宽度 12ms，你的舵机现在可以进行位置或速度控制。 工作原理 脉宽信号给定参考位置，舵机内部电路通过反馈控制调节舵盘角位。舵盘角位 由 PWM 控制信号的脉宽决定。 实测波形（0 度） 实测波形（15 度） 实测波形（30 度） 1镍镉电池(NiCads) 镍锅电池是一种比较普遍的可充电电他。镍锦电池通常并非功率密度(一般 多为 40whkB)见长，但它的这一性能还是要比铅酸电池好很多。尤其是它 可以提供相对平稳的输出功率也就是说，在消耗过程中，其电压值几乎不 发生改变，这种损耗待性对于很多应用场合具有重大意义。 镍锦电他的内阻非常小，这就决定了它可以在必要时能提供很大的电流。 但是同样必须注意的是，使用时定要避免短路，以免过大的电流引起的器件 烧毁以及电路进出火化。 与其他类型的电池比较，镍锅电他的一个缺点是在充电时要更加小心，因 为它对过度充以 F 常灵敏，因为一日发生过度充电就会导致所谓的电压沉降现 象，其结果是农此后再也无法将电他光电至额定的电压值。如果过度充电非常 严重或者频繁，那么损害将是致命的，电池就只能报废了。使用适当的无电器 对于提高镍锅电他的使用寿命以及性能会有很大帮助，因此必须在无线设备商 店购买与之匹配的充电器，它们的价格可能要高一些，但这是必要的。 2镍氢电池(NiMH) 镍氢电他的很多特性与镍镉电池相同，现在它的使用日益普遍。其原因在 于镍氢电他的类型更繁多，而且电池和充电器的花费会暗微节省。相对于镍锦 电池，它的功率密度比较高，但是有效的充电次数却低得多(最多 400 次左右)， 所以从电池总的功率密度的角度来讲，镍氢电池每比小时的花费妥相对高一些。 但是更重要的一点是镍氢电池不含偏，因此从环保的意义上来说镍氢电池更好。 镍氢电他的内阻比较大，所以不像镍锅电池那样能够提供大电流。除非读 者自己的机器人真的需要那么大的电流，实际上这是很罕见的。因此这个特点 不会对读者们的设计带来任何实质性的影响。 3铅酸电池 铅酸电池是所有充电电池中功率密度最低的一种，不过它还是有自己的优 点*比起其他的电池，铅酸电他的价格最便宜，容量也远比镍偏电池大 looAh 的铅酸电池是很常见的，打开汽车的引擎罩看一下就明白了。如果大 型号的机器人需要 4Ah 以上的电他的话，通常应该选用铅酸电他。 对铅酸电池充电无须镍铜电池那样苛刻。简单地说，推荐以恒定的电压， 限制在功率的 l10 状态下充电。不过它受充电次数的影响也是比较大的，通 常重复充电台造成输出电压的下降(一般约为额定电压的 20)，面且会缩短电 他的使用寿命，铅酸电池被长期放置会出现电能流失的现象，因此通常需要定 期的充电，这是使用铅酸电池所必须注意的。 与镍锅电池类似，铅酸电他的内阻也很小，因此也能提供大电流。所以同 样也要防止出现短路现象，短路将造成电池迅速消耗，甚至烧杯器件或引起火 灾。 电磁干扰 EMI 1、尽量使电机的供电线路远离其他器件，尤其是天线。 避免机器人小出现不接地的金属件，否则它就可能充当天线的角色。 在电机电源线间加接电容，其值推荐为 o1PF，最大耐压至少是电 机电源 额定电压的 4 倍。 五、电源管理设计 电源采用统一提供的 7.2V ,2000mA/h 的镍镉可充电电池，该电池为小车 上所有用电模块供电 参数： 电压：1.26=7.2 v 容量：2000mAh 正确充电： 推荐使用比赛选配的充电器。该充电器是为玩具电池设计的廉价的充电器，内 部没有智能充电控制电路，只能采用恒功率充电模式，最大充电电流为 700mA，平均充电电流 300mA，涓流充电电流小于 100mA，充电时间约为 10 小时。 正确放电： 由于镍镉电池具有记忆效应，对电池的不完全放电将会人为的降低电池的电容 量