程 凱，曹天翔，段要祖，韓嘉興，張袁元

（南京工程學院，南京 211167）

0 引言

隨著城市環(huán)境建設與規(guī)模的發(fā)展，人們的生活水平和質(zhì)量都在不斷提高。在移動互聯(lián)網(wǎng)的風口下，安全、綠色、高效的出行理念是順應時代發(fā)展所需要，在這其中，智能便攜式代步工具呈現(xiàn)爆發(fā)式增長，成為人們的首選[1]。如美國賽格威公司所設計的“賽格威”平衡車建立了一種“動態(tài)穩(wěn)定”的控制理論，以內(nèi)置的精密固體陀螺儀來判斷車身姿態(tài)，通過高速的中央處理器計算出適當?shù)闹噶顏眚?qū)動馬達；江蘇大學通過建立雙輪轂電機驅(qū)動模型，設計差速與助力協(xié)調(diào)控制策略，并進行仿真分析得到合適的驅(qū)動轉(zhuǎn)向模型[2]。這類代步工具的控制系統(tǒng)有的靈敏度過高，實際操作期間安全隱患較大；有的結(jié)構(gòu)過于復雜，便攜性達不到實際需要且不便于維修。

本文提出一種基于STM32 單片機的驅(qū)動轉(zhuǎn)向系統(tǒng)模型。該設計采用雙輪轂電機驅(qū)動，通過操縱者意識自由改變霍爾傳感器輸入電壓的大小，將得到的信號通過單片機的運算與處理轉(zhuǎn)化為不同的PWM值，進而改變輸出車速的大小。該系統(tǒng)在保證足夠安全穩(wěn)定的同時，省去了大量復雜的傳動結(jié)構(gòu)，大大提高了整車結(jié)構(gòu)的便攜性，對未來新型代步工具的研發(fā)有一定借鑒意義。

1 硬件設計

硬件設計主要包含STM32f1 單片機開發(fā)板、輪轂電機驅(qū)動電路、操縱控制總成。其中輪轂電機由54.8 V 鋰離子充電電池供電，其余兩部分由12 V鋰電池供電。硬件結(jié)構(gòu)連接如圖1所示。

圖1 硬件結(jié)構(gòu)連接圖

1.1 STM32f1單片機開發(fā)板

STM32f1是新的基于ARM內(nèi)核的32位高性能MCU。該單片機具有功能強、低電壓、低功耗、外設多等優(yōu)勢[3]，支持PWM輸出、ADC轉(zhuǎn)換、DMA傳輸?shù)戎匾δ?，為系統(tǒng)高效快速處理數(shù)據(jù)提供了有力保障，是該控制系統(tǒng)的核心。為了實現(xiàn)在復雜的實際路況下能夠以最快的速度使駕駛者對車輛進行有效控制，系統(tǒng)采取DMA傳輸方式。

1.2 輪轂電機驅(qū)動電路

驅(qū)動連接圖如圖2所示。采用BLDC三相直流無刷無霍爾電機驅(qū)動板，該驅(qū)動板工作電壓范圍為36～72 V，額定功率約為700 W，結(jié)構(gòu)輕便且不易損壞，具有過載保護、電流異常保護及堵轉(zhuǎn)保護等功能[4]。其中VR為PWM輸入端，通過PA6輸入的PWM 波控制電機的轉(zhuǎn)速；ZF 可以控制電機正反轉(zhuǎn)。PC0=1時，電機正轉(zhuǎn)；PC0=0時，電機反轉(zhuǎn)，單片機與驅(qū)動板共地。IN1、IN2 分別為電源正、負極，OUT1、OUT2、OUT3分別為三相電機輸出端。

圖2 驅(qū)動連接圖（左輪）

圖3 操縱控制連線圖

1.3 操縱控制總成

操縱控制總成分為調(diào)速控制模塊與轉(zhuǎn)向控制模塊兩個部分，電路連接如圖3所示。

1.3.1 調(diào)速控制

系統(tǒng)調(diào)速采用霍爾轉(zhuǎn)把，基于霍爾原理的磁效應傳感器是當前市面上常見的一種傳感器，廣泛應用于接近開關(guān)、位置測量、轉(zhuǎn)速測量、電流測量等設備[5]。在本系統(tǒng)中，IN1 接單片機3.3 V 電壓，OUT1 為傳感器輸出的0～3.3 V 模擬電壓與單片機PA0連接參與ADC轉(zhuǎn)化，從而控制電機轉(zhuǎn)速。

1.3.2 轉(zhuǎn)向控制

左右電機的差速轉(zhuǎn)向是通過操縱桿的轉(zhuǎn)動來實現(xiàn)的。操縱桿下方裝有轉(zhuǎn)向軸結(jié)構(gòu)，如圖4所示，這種轉(zhuǎn)向軸是一種新型的霍爾傳感器，原理與大多數(shù)霍爾元件類似，主要應用于平衡車，屬于通用配件[6]。其輸出電壓為0～3.3 V，至左向右轉(zhuǎn)動輸出電壓線性增大。在該系統(tǒng)中，輸出的電壓值通過OUT2傳至PA1實現(xiàn)系統(tǒng)轉(zhuǎn)向信息的采集，及時調(diào)整左右電機速度差，實際控制如圖5所示。

圖4 轉(zhuǎn)向控制結(jié)構(gòu)

圖5 轉(zhuǎn)向控制原理

2 軟件設計

2.1 總體結(jié)構(gòu)

系統(tǒng)采用C 語言編寫程序，系統(tǒng)軟件設計主要包括系統(tǒng)主程序、系統(tǒng)初始化子程序、ADC 轉(zhuǎn)換與DMA 傳輸子程序、系統(tǒng)主傳遞函數(shù)、PWM波子程序，系統(tǒng)程序流程如圖6所示。

2.2 ADC轉(zhuǎn)換與DMA傳輸程序

本系統(tǒng)采用雙輸入端向單片機輸入數(shù)據(jù)，因此需開啟STM32ADC的通道0與通道1（即PA0、PA1），并按要求將所需寄存器一一配置好。值得注意的是，單片機兩個通道內(nèi)的數(shù)據(jù)不可能同時輸出，但系統(tǒng)要求兩個輸入?yún)⒘勘仨毻瑫r參與主函數(shù)的運算，這就需要引入DMA傳輸方式。DMA即直接存儲器訪問（Direct Memory Access），是一種可以在沒有CPU干預的情況下完成外部設備之間的數(shù)據(jù)傳輸，使CPU 能夠?qū)Ｗ⒂跀?shù)據(jù)的計算，適度解決芯片內(nèi)部數(shù)據(jù)處理能力不足的問題，保證了系統(tǒng)即時運算的快速性[7]。在系統(tǒng)中，通過配置DMA_Init（）與DMA_DeInit（）可以實現(xiàn)兩種輸入?yún)⒘恳詷O快的形式交替?zhèn)鬏斨羻纹瑱C中參與ADC轉(zhuǎn)換工作。由于傳輸速度極快，可以視為二者是同時從輸入端輸入至單片機中，保持車輛控制信息的準確性與快速性，提高了系統(tǒng)的靈敏度。

圖6 系統(tǒng)軟件總體布局

2.3 PWM波子程序

根據(jù)PWM 值改變占空比去調(diào)整電機轉(zhuǎn)速的原理，PWM即脈沖寬度調(diào)制（Pulse Width Modulator），是指輸出固定的周期信號，通過調(diào)整一個周期內(nèi)工作周期的大小來控制輸出功率的方法[8]。在PWM 驅(qū)動直流電機的系統(tǒng)過程中，通過改變輪轂電機上電樞的電壓占空比來改變平均電壓的大小，從而控制輪轂電機的平均速度。占空比大則電機轉(zhuǎn)速大；占空比小則電機轉(zhuǎn)速小。PWM 波形圖如圖7所示。

圖7 PWM波形圖

輸出電壓的平均值為：

式中：U0為PWM的輸出電壓；T為開關(guān)通斷周期；t為開關(guān)接通時間；α為占空比。

由式可知，改變輸出電壓的占空比α就可以改變直流電機的平均速度，從而實現(xiàn)速度調(diào)節(jié)功能。

在該系統(tǒng)中，STM32ADC 轉(zhuǎn)換電壓為0～3.3 V，ADC 最大轉(zhuǎn)換值4 096（212）。此時，設定PWM預裝載值寄存器最大值為4 096，即轉(zhuǎn)換后的數(shù)字量0 代表電壓0，占空比也為0；數(shù)字量4 096代表電壓3.3 V，占空比為100%。這樣就實現(xiàn)了輸入?yún)⒘?、ADC數(shù)字量、PWM占空比三者統(tǒng)一的控制。

2.4 系統(tǒng)主傳遞函數(shù)

設變速參量、差速參量經(jīng)ADC 轉(zhuǎn)換后的值分別為A、B，其中，A∈[0，4 096]；B∈[0，4 096]。

根據(jù)實際情況，車輛在行駛過程中會面臨以下兩種情況：一是直線行駛的同步變速；二是轉(zhuǎn)彎行駛的左右差速。根據(jù)這兩種情況分別討論。

2.4.1 直線行駛的同步變速

當車輛在直線行駛時，要求左右電機轉(zhuǎn)速無差別或差別很小，即只要求A在系統(tǒng)中產(chǎn)生作用，通過改變A的大小來即時改變車輛行駛的速度大小。

2.4.2 轉(zhuǎn)彎行駛的左右差速

當車輛在彎道行駛時，要求左右電機有一定的轉(zhuǎn)速差以滿足差速轉(zhuǎn)彎的需要，此時，在A要發(fā)揮作用的同時，B也要產(chǎn)生作用，通過B 來改變左右車輪速度差的大小，進而改變車輛轉(zhuǎn)彎半徑的大小，實現(xiàn)彎道行駛。

滿足以上兩種行駛狀態(tài)下的代碼如下：

left=(A/x)× (B/b)+n

C=4 096-B

right=(A/x)×(C/b)+n

TIM_SetCompare1（TIM3，left）

TIM_SetCompare2（TIM3，right）

式中：b=2 038-2 058中任意值，n為調(diào)整參數(shù)。

注意：x 為比例系數(shù)，為防止最后總和超過4 096 而使數(shù)值溢出，要求x必須為大于1小于2的常數(shù)；為防止手抖等不確定因素導致車把有小角度的歪斜而影響直線行駛，要求b在2 048（即中間值）左右；x與n需根據(jù)實際車型通過多次模擬仿真以及實車測試得到。

在直行中，操縱者將轉(zhuǎn)動桿置于中位即B=2 048，此時，（B/b）與（C/b）數(shù)值一致，左右電機速度相同，車輛保持直線行駛；當車輛即將左轉(zhuǎn)時，操縱者將轉(zhuǎn)向桿向左偏移，B＜2 038 而C＞2 058，導致左電機轉(zhuǎn)速明顯小于右電機轉(zhuǎn)速，因此車輛向左轉(zhuǎn)；當車輛即將右轉(zhuǎn)時，操縱者將轉(zhuǎn)向桿向右偏移，B＞2 038 而C＜2 058，導致右電機轉(zhuǎn)速明顯小于左電機轉(zhuǎn)速，因此車輛向右轉(zhuǎn)。

綜上所述，該方程的設計符合實際操作需求。

3 結(jié)束語

本文提出的驅(qū)動轉(zhuǎn)向系統(tǒng)以STM32 單片機為控制芯片，采用兩路霍爾傳感器為輸入端，通過ADC轉(zhuǎn)換后以DMA的傳輸方式在系統(tǒng)主傳遞函數(shù)中融合處理，將得到實時、可靠的PWM波驅(qū)動電機運作，可實現(xiàn)車輛的直行變速、左右轉(zhuǎn)彎等操作。該系統(tǒng)的設計對未來新型代步工具的研發(fā)有一定借鑒意義。