基于STM32的电动滑板车控制器设计_韩颖

基于STM32的电动滑板车控制器_韩颖 《自动化与仪器仪》2014年11期(总第181期) 基于STM32的电动滑板车控制器设计 韩 颖1,2，张重雄2 (1江苏省常州建设高等职业技术学校设备工程系江苏常州， 213000)江苏南京，210094)(2南京理工大学电子工程与光电技术 学院 摘 要:介绍了一种基于STM32F103单片机的电动滑板车控制器的 设计。通过分析电动滑板车的功能需求和控制原 理，采用高压高速驱动器IR2101和相关保护电路，实现了对电 动滑板车的平稳加减速、刹车、堵转、失控等方面的控制。通过试验 发现，采用本控制器的电动滑板车运行稳定，爬坡能力、起动性能、 刹车性能以及堵转防破坏能力等方面有了明显的提高。 关键词:电动滑板车;控制器;STM32F103;IR2101DOI编码: 10.14016/j.cnki.1001-9227.2014.11.059 Abstract:ThispaperintroducesakindofelectricscootercontrollerbasedonST M32F103microcontroller.Onthebasisofana-lyzingthecontrolprincipleandf unctionalrequirementsoftheelectricscooter,itrealizedthesmoothdecelerat ——————————————————————————————————————————————— ion,brake,thein-creaseinlocked-rotor,outofcontrolandothercontrolfortheelectricscooterthroughahighvoltageandhighspeedpowerMOS-FETandIGBTdriverIR2101andrelatedprotectioncircuit.Throughtheexperiment,itfoundthattheelectricscooterusingthiscon-trollerrunstablyandhaveobviousimprovementaboutclimbingability,startingperformance,brakingperformanceandlocked-rotordamageresistantability,etc. Keywords:Electricscooter;Controller;STM32F103;IR2101中图 分类号:TP271.4 文献标识码:A 文章编号:1001-9227(2014)11-0059-03 0引言1.1电机驱动电路 本设计中考虑到滑板调速和承载的体重，采用了双电机驱动方式。 选用了两个单个功率为80W的直流有刷电机，总功率为160W。在电 动滑板车的驱动电路中，最主要的是对电机的控制，即加减速和刹车 的控制。设计中采用高压高速驱动器现电动滑板车的加减速和刹车。 IR2101是一种高压高速、栅极滑板运动极富娱乐性和挑战性，深受年 轻人喜爱。但传统的滑板车存在一个最大的问题:若要保持前进，则 必须一只脚不停的蹬地以提供动力;若运动中要停止，则必须用一只 脚使劲撑地，施加一个反作用力。随着电子技术和控制技术的发展， 内置有电动马达的电动滑板车应运而生，其以电力作为动力。电动滑 板车既可作为传统滑板车玩，又可通过启动马达使之成为代步工具， 既有运动的乐趣，又有舒适的享受[1]。电动滑板车要具有起IR2101[3] ——————————————————————————————————————————————— 控制极低导通阻抗场效应管IRF3205[4]的导通与截止，实 驱动、双通道功率驱动器，其采用高度集成的电平转换技术， 基于STM32的电动滑板车控制器设计韩颖，等 1.3主控电路 本控制器采用STM32F103单片机作为主控芯片，其使用高性能的ARM Cortex-M3 32位的RISC内核，包含1个PWM 定时器、3个通用16位定时器、2个12位的ADC、3个USART等，所有I/O口可以映像到16个外部中断[7]。STM32F103具有运算速度快、体积小、功耗低、外围接口资源丰富等优点，性能远远超越51内核单片机。 本控制器的电池组电量监测信号输入STM32F103的机过流检测信号CUR_AD输入STM32F103的 ADC_IN0端口(PA0)，通过A/D积分结果计算当前的电量;电 ADC_IN9端口 刹车是电动滑板车中电机控制的重要部分。本控制器采用的是电机能耗制动(直流制动)法，单纯依靠电机消耗动能达到制动目的，类似高铁运行过程中电子刹车的原理，既能实现快速制动效果，又能防止电机抱死而发生意外。刹车时，互补的占空比为10%的方波。在PWM2为低，PWM1为高时，先将Q2、Q3截止，断开电机运转回路，IR2101的VS端虚地，极高15V，保障Q1很好的饱和导通，此时电机——————————————————————————————————————————————— 处于惯性转动状态，同时使转子两端通过Q1形成一个新的回路(相当于续流电路)，其转子按旋转方向切割磁力线，产生反向电动势，形成一个制动力矩，提供反向作用力;在PWM1为低，PWM2为高时，Q1截止，Q2、Q3导通，对自举电容C24、C25进行充电实现自举电路功能，如此反复电机受到持续的反作用力而慢下来。 1.2过流/堵转检测电路 本电动滑板车中采用R775型直流有刷电机，功率80W，电压DC24V，额定电流4.8A。在电机运转过程中，对电流的控制直接影响着电机及电池组的性能和寿命。直接检测电机的电流大小比较困难，所以需要通过传感器间接测得。考虑到安装方便、精度要求、价格等因素，采用了应用广泛的康铜丝作为电流传感器，图2中的电阻R27和R28即为0.01Ω的康铜丝电 PWM1先输入一个占空比为90%的方波，PWM2输入一个与之 HO端输出对于虚地的电压为+15V，也就是Q1的栅极电压比源 (PB1)进行电流检测，计算流经电机的电流;堵转保护信号PB8、PB9用作两个PWM信号的输出端口;PA9、PA10作为通CUR_INT输入PA15口，该端口配置为外部中断输入口; 用同步异步收发器端口，设计中用作与蓝牙模块通讯的串口。本控制板采用的蓝牙模块是集成化的蓝牙串口模块，开发方便，具有强抗干扰能力，发射功率较小。1.4电源电路 该控制器中采用16节磷酸铁锂电池，其中每两节并联后再串联，即电压约为29V(VCC)。驱动电路部分供电电源是+15V，集成运算放——————————————————————————————————————————————— 大器的电源是+5V，主控电路的电源是+3.3V。 系统电源VCC经功率电阻分压(100Ω、2W)后输入至三端可调电压稳压器LM317，经调整后输出得到+15V电压;+ 《自动化与仪器仪表》2014年11期(总第181期) 本系统的主程序流程图，如图4所示。软件主要完成以下任务和中断:系统初始化、蓝牙通讯配对、电池电量检测、蓝牙接收数据解码处理、电机驱动控制处理、电机过流检测保护、电机堵转保护、串口通讯等。 系统初始化的主要工作是:配置STM32F103的通用I/O设置等。 口，初始化定时器，E2PROM，外部中断的设置以及串口通讯 系统初始化后，进行蓝牙配对。系统每次启动后均需检测蓝牙通讯的配对情况，若配对不成功则重新进行蓝牙设备(电动滑板遥控器)扫描;若在系统的运行过程中不能正常接收到数据，则进入失控保护，停止电机驱动输出。 蓝牙通讯成功后检测电池电量。若电池电量不足会造成系统电流增大，电机和电池都会受到损坏。将采样后的电压值输入STM32F103的进行A/D转换处理，判断是否亏电。若电量不足，虽能操控滑板，但会通过声光报警提醒用户电量不足。 蓝牙接收到数据后，进行数据解码，比如刹车、加速、减速等。本控制器的设计理念为刹车优先原则，若接收到刹车命令，则STM32F103的输出一个占空比为90%的方波PWM2，速度的调节就是对电机的转速控制，加速时，PWM2为持续低电平，增大方波PWM1——————————————————————————————————————————————— 的占空比，提高电机转速;减速时，转速。 PWM2仍为低电平，减小方波PWM1的占空比，降低电机 滑板运行过程中，若电流过大会损坏电机，故需要不断检测电机的电流。将图3电路中的电流检测信号输入STM32F103进行A/D转换，通过计算即时检测通过电机的电流，若电流过大则停止输出电机驱动。 电机堵转保护必须及时、高效，采用的是外部中断服务程序，并设置为高优先级。若发生堵转则图3堵转检测信号为低电平，产生下降沿触发STM32F103进入中断服务程序，停止电机驱动，同时发出声光报警信号提醒用户，等待一段时间后可再次启动。 串口通信中断服务程序中将接收的第一个字节的数据作为数据开始字节，第二个字节作为刹车标志字节，第三个字节作为电机状态(速度)控制字节，最后一个字节的数据作为数据结束标志。若最后字节的数据不正确则表明刚才接收的数据无效，将返回初始状态重新进行下一次数据接收。3 系统测试 本文所设计的控制器已经在电动滑板车上试验使用(如图60kg为例，经过了一段时间的现场测试运行，经检测启动电流5所示)，该滑板的驱动轮直径为80mm，传送比为5:1。以载重 大学，2008:1-35. [2]陈家新.电动滑板车控制原理及设计中若干问题的研究[J].电机电 ——————————————————————————————————————————————— 器技术，2001(05):38-42. [3]张奇志.IR2101带有欠压封锁的半桥MOSFET驱动器[J].器件与应 用，2002.8:64-65. [4]王名发,江智军,邹会权.智能车竞赛中直流电机调速系统的设计与 比较[J].微型机与应用，2009(20):19-21. [5]柯建伟,周嘉农,姚雪峰等.用于机器人伺服电机的PWM功率接口的 设计与实现[J].昆明理工大学学报，2003(03):85-88. [6]蒋林,肖伟,珍玛曲宗等.基于IR2101最大功率跟踪逆变器的设计 与实现[J].电子设计工程，2010(11):27-29. [7]廖义奎.Cortex?M3之STM32嵌入式系统设计[M].北京:中国电力 出版社，2012. [8]南亦民.基于STM32外设库STM32F10xxx外围器件编程[J]. 长沙航空职业技术学院学报，2010(04):41-45. [9]张小鸣,卢方民.基于IR2110的H桥可逆PWM驱动电路应用[J].常 州大学学报，2012(04):69-72. [10]刘军,张洋,严汉宇.原子教你玩STM32[M].北京:北京航空航天——————————————————————————————————————————————— 大 学出版社，2013. [11]刘军.例说STM32[M].北京:北京航空航天大学出版社，2011. 图5 控制器安装实物图 达27km/h，此时电机转速约为8980转/分;从启动加速到27km/h仅需要7s时间;27km/h运行时刹车距离为2.6m;并进 行了爬坡和恶意堵转破坏性试验，效果良好。 4结语 本文对基于STM32F103单片机的电动滑板车控制器从硬件电路和软件设计等方面进行了阐述，同时，通过试验发现，采用本控制器的电动滑板车运行稳定，起动性能、爬坡能力、刹车性能以及堵转保护能力都得到增强，性能优异，且生产成本低。可见，本控制器在硬件和软件方面的设计是合理、可行、有效的，具有很好的推广和应用价值。 参考文献 [1]周达左.电动滑板车遥控器及控制器的开发与研究[D].无锡:江南 PB9口输出一个与之互补的占空比为10%的方波PWM1。滑板 为9.9A(瞬间);匀速运行时电流为5.1A;其最高运行速度可 61 ———————————————————————————————————————————————