李順霖 張盛陽 謝印忠

（臨沂大學(xué)自動化與電氣工程學(xué)院 臨沂 276000）

引言

隨著電子技術(shù)和控制技術(shù)的發(fā)展，各種輕巧便捷的電動代步、運動工具出現(xiàn)在人們的生活中，電動滑板車就是其中之一[1-2]，傳統(tǒng)無動力滑板車驅(qū)動和控制必須靠一只腳不停蹬地或與地面摩擦，當(dāng)今市面上的電動滑板車控制簡單，啟動多數(shù)需要電源開關(guān)，并且啟動以后立即以很大扭矩加速前進，安全性較差，為穩(wěn)定駕駛，多采用帶立桿的把手來控制，并且可能會爬坡或駕駛習(xí)慣等令電機處于過載或堵轉(zhuǎn)狀態(tài)[3]，通過自動控制理論的學(xué)習(xí)和對電動滑板車控制系統(tǒng)的研究，設(shè)計出以嵌入式單片機SMT32為控制中心，利用壓力膜傳感器測量駕駛者控制狀態(tài)，設(shè)置自動速度測量控制系統(tǒng)，完成了僅僅利用腳踏式便可以方便、可靠的控制。

1 控制系統(tǒng)設(shè)計方案

電動滑板控制系統(tǒng)主要包括主控中心（微處理器STM32F103[4]）、電機驅(qū)動電路、壓力檢測模塊、系統(tǒng)電源電路與電池穩(wěn)壓等部分，其總體框圖如圖1所示。

1.1 電機驅(qū)動電路

在電動滑板車的驅(qū)動電路中，最主要的是對電機的控制，即加減速和剎車的控制。考慮到滑板調(diào)速和承載的體重，選用了兩個功率為80 W的直流無刷電機，采用雙電機驅(qū)動。驅(qū)動電路為高壓高速JYQD_V7.3E2直流電機驅(qū)動器，直接由電池組提供驅(qū)動電流，控制信號通過STM32F103單片機輸出PWM波控制。電機驅(qū)動電路如圖2所示，PWM波20 K可調(diào)，設(shè)置調(diào)節(jié)步幅，即每次加速，電機驅(qū)動信號口PWM值上調(diào)100，同樣每次減速，PWM下調(diào)100。緊急停止時，PWM直接清零。通過這種方法調(diào)節(jié)電機的轉(zhuǎn)速，實現(xiàn)對電動滑板的速度控制和制動。

1.2 主控電路

控制中心采用嵌入式單片機STM32F103作為主控芯片，具有運算速度快、體積小、功耗低、豐富外圍接口資源等優(yōu)點：高性能32位的RISC ARM Cortex-M3內(nèi)核，包含1個PWM 定時器、3個通用16位定時器、2個12位的ADC、3個USART 等資源，且所有I/O口可以映像到16個外部中斷，法意半導(dǎo)體公司提供了功能強大的庫函數(shù)，使STM32的編程變得簡單易學(xué)，容易上手。

電動滑板的運動方式主要通過采集三個電阻式薄膜壓力傳感器的壓力值控制[5]，電阻式薄膜壓力傳感器固定位置如圖2所示，其中傳感器A用來感測是否有人站立在滑板上，有駕駛者時啟動滑板車，否則不啟動，并且電機處于剎車狀態(tài)；傳感器B通過采集駕駛者前腳動作進行加速控制，每點踏一次對應(yīng)一次加速；傳感器C感應(yīng)后腳動作進行減速控制，每點踏一次對應(yīng)一次減速，后腳離板，運行剎車操作。

薄膜壓力傳感器信息通過三路模擬信號轉(zhuǎn)換電路（如圖3所示）將壓力轉(zhuǎn)換成電壓信號，圖中N1為電阻式薄膜壓力傳感器，out引線傳入STM32單片機IO口（PA1、PA2、PB1）經(jīng)過A/D數(shù)字化轉(zhuǎn)換送入控制中心單片機分析?？刂浦行膶θ齻€IO口一直處于檢測狀態(tài)，對變化的AD值實時做出相應(yīng)的控制調(diào)整。

為行駛安全，實時控制滑板速度，采用霍爾傳感器測速方案測量滑板前進速度[6]，如圖4所示為測量電路，霍爾傳感器為圖中3144，運放仍然采用LM393。當(dāng)滑板車速度達到15 km/h時，自動減速，甚至剎車。

控制器的主要控制方式壓力檢測就是將三路模擬信號傳入STM32單片機串口（PA1、PA2、PB1）經(jīng)過A/D轉(zhuǎn)換計算電壓值。然后單片機三個串口一直處于檢測狀態(tài)如果發(fā)現(xiàn)有某一串口AD值發(fā)生變化，則做出相應(yīng)的調(diào)整改變控制電機運轉(zhuǎn)。

1.3 電源電路

該控制器中采用20節(jié)磷酸鐵鋰電池，電壓約為36 V（VCC）。驅(qū)動電路部分供電電源是+ 24 V，主控電路的電源是+5 V。 系統(tǒng)電源VCC經(jīng)穩(wěn)壓電路調(diào)整后輸出得到+24 V電壓供給電機驅(qū)動電路使用；+ 24 V電源又輸入另一個穩(wěn)壓模塊得到+5 V電壓供給控制中心STM32F103及各測量電路使用。

圖1 控制系統(tǒng)總體設(shè)計框圖

圖2 薄膜壓力傳感器在滑板位置

圖3 薄膜壓力傳感器電壓轉(zhuǎn)換電路

圖4 霍爾傳感器測速電路

2 程序設(shè)計

Keil uVision4集成開發(fā)環(huán)境，其為ARM處理器提供了一個完整的開發(fā)環(huán)境，軟件設(shè)計中使用了MDK-ARM系列庫函數(shù)，提高軟件的可靠性和實時性，降低軟件設(shè)計的復(fù)雜性。

系統(tǒng)的程序流程圖如圖5所示，開機以后系統(tǒng)首先進入初始化，完成控制中心嵌入式單片機STM32F103時鐘、IO口初始化，對三組壓力傳感器、PWM發(fā)生器初值，三組壓力傳感器、測速模塊初始化等。初始化完成后開中斷A后進入等待。

當(dāng)有人腳踏在壓力傳感器A處，將產(chǎn)生一個中斷，開啟電機，同時開啟三個壓力傳感器中斷、超速中斷等，并且速度實時測量。無中斷發(fā)生時運行默認(rèn)程序：電動滑板以10 km/h左右速率前進。駕駛者前腳點擊壓力傳感器B一次將加速一次：控制中心單片機輸出PWM波占空比上調(diào)100（即驅(qū)動平均電壓上調(diào)總電壓的0.5 %），直至占空比達100 %（全壓運行）；后腳點擊壓力傳感器C一次控制中心PWM波占空比下調(diào)100（即驅(qū)動平均電壓下調(diào)總電壓0.5 %），直至占空比為零，停止驅(qū)動；后腳跟抬起時壓力傳感器A發(fā)出中斷，將運行剎車行動。

3 測試與效果

設(shè)計的控制器已經(jīng)在電動滑板樣車上試驗(如圖6所示)，滑板養(yǎng)車的輪轂電機直徑為80 mm，實驗者以載重60 kg為例，在平坦水泥路開啟電壓，站立到滑板車上計時，6 s左右加速到3 m/s（10 km/h左右），之后平穩(wěn)行進；由靜止開始迅速經(jīng)4次點擊B壓力傳感器，5 s可加速到4 m/s（14.4 km/h），之后因為設(shè)置速度限制，可以以4 m/s左右速率平穩(wěn)行進；行駛過程中，后腳離開踏板，滑板開始減速，借助腳地摩擦可以迅速停止（滑行1m內(nèi)），說明在這個行駛速率內(nèi)安全可靠。

圖5 系統(tǒng)程序流程圖

圖6 控制電路結(jié)構(gòu)

在學(xué)校環(huán)形路上經(jīng)過了一段時間的現(xiàn)場測試運行，行了爬坡和下坡路試驗，效果良好，可輕松完成5 km的環(huán)形路測試。

4 總結(jié)

通過對電動滑板車的電氣控制系統(tǒng)的研究，以嵌入式STM32F103單片機為控制中心，壓力傳感器參數(shù)作為運動控制信息的電動滑板車經(jīng)過測試，運行啟動方便、過程穩(wěn)定，安全性能表現(xiàn)良好，達到設(shè)計目標(biāo)，有很好的應(yīng)用和推廣價值。