智能腳踏控制式電動滑板設(shè)計(jì)

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(yùn)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(jìn)，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(jī)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(jì)出以嵌入式單片機(jī)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(jì)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(jī)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(jī)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(jī)的控制，即加減速和剎車的控制?？紤]到滑板調(diào)速和承載的體重，選用了兩個(gè)功率為80 W的直流無刷電機(jī)，采用雙電機(jī)驅(qū)動。驅(qū)動電路為高壓高速JYQD_V7.3E2直流電機(jī)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(jī)輸出PWM波控制。電機(jī)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(jī)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(shí)，PWM直接清零。通過這種方法調(diào)節(jié)電機(jī)的轉(zhuǎn)速，實(shí)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(jī)STM32F103作為主控芯片，具有運(yùn)算速度快、體積小、功耗低、豐富外圍接口資源等優(yōu)點(diǎn)：高性能32位的RISC ARM Cortex-M3內(nèi)核，包含1個(gè)PWM 定時(shí)器、3個(gè)通用16位定時(shí)器、2個(gè)12位的ADC、3個(gè)USART 等資源，且所有I/O口可以映像到16個(gè)外部中斷，法意半導(dǎo)體公司提供了功能強(qiáng)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(yùn)動方式主要通過采集三個(gè)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(shí)啟動滑板車，否則不啟動，并且電機(jī)處于剎車狀態(tài)；傳感器B通過采集駕駛者前腳動作進(jìn)行加速控制，每點(diǎn)踏一次對應(yīng)一次加速；傳感器C感應(yīng)后腳動作進(jìn)行減速控制，每點(diǎn)踏一次對應(yīng)一次減速，后腳離板，運(yùn)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(jī)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(jī)分析?？刂浦行膶θ齻€(gè)IO口一直處于檢測狀態(tài)，對變化的AD值實(shí)時(shí)做出相應(yīng)的控制調(diào)整。

為行駛安全，實(shí)時(shí)控制滑板速度，采用霍爾傳感器測速方案測量滑板前進(jìn)速度[6]，如圖4所示為測量電路，霍爾傳感器為圖中3144，運(yùn)放仍然采用LM393。當(dāng)滑板車速度達(dá)到15 km/h時(shí)，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(jī)串口（PA1、PA2、PB1）經(jīng)過A/D轉(zhuǎn)換計(jì)算電壓值。然后單片機(jī)三個(gè)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(jī)運(yùn)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(jī)驅(qū)動電路使用；+ 24 V電源又輸入另一個(gè)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(jì)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(jì)

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

系統(tǒng)的程序流程圖如圖5所示，開機(jī)以后系統(tǒng)首先進(jìn)入初始化，完成控制中心嵌入式單片機(jī)STM32F103時(shí)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(jìn)入等待。

當(dāng)有人腳踏在壓力傳感器A處，將產(chǎn)生一個(gè)中斷，開啟電機(jī)，同時(shí)開啟三個(gè)壓力傳感器中斷、超速中斷等，并且速度實(shí)時(shí)測量。無中斷發(fā)生時(shí)運(yùn)行默認(rèn)程序：電動滑板以10 km/h左右速率前進(jìn)。駕駛者前腳點(diǎn)擊壓力傳感器B一次將加速一次：控制中心單片機(jī)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(dá)100 %（全壓運(yùn)行）；后腳點(diǎn)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(shí)壓力傳感器A發(fā)出中斷，將運(yùn)行剎車行動。

3 測試與效果

設(shè)計(jì)的控制器已經(jīng)在電動滑板樣車上試驗(yàn)(如圖6所示)，滑板養(yǎng)車的輪轂電機(jī)直徑為80 mm，實(shí)驗(yàn)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(jì)時(shí)，6 s左右加速到3 m/s（10 km/h左右），之后平穩(wěn)行進(jìn)；由靜止開始迅速經(jīng)4次點(diǎn)擊B壓力傳感器，5 s可加速到4 m/s（14.4 km/h），之后因?yàn)樵O(shè)置速度限制，可以以4 m/s左右速率平穩(wěn)行進(jìn)；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(gè)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(shí)間的現(xiàn)場測試運(yùn)行，行了爬坡和下坡路試驗(yàn)，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(jī)為控制中心，壓力傳感器參數(shù)作為運(yùn)動控制信息的電動滑板車經(jīng)過測試，運(yùn)行啟動方便、過程穩(wěn)定，安全性能表現(xiàn)良好，達(dá)到設(shè)計(jì)目標(biāo)，有很好的應(yīng)用和推廣價(jià)值。