四轮独立驱动车差速控制器设计
——硬件设计
四轮独立驱动车差速控制器设计——硬件设计
摘
汽车正常直行退转弯汽车转弯行驶时车身存宽度相时间里车子外轮轮行驶距离外轮行驶距离会轮汽车转弯时正常转滑差速器发明出作允许汽车转弯程中左右两驱动轮转速转动
文四轮车硬件系统控制原理作出说明分析参考传统汽车机械差速器两直流电机驱动轮完成四轮车差速控制器硬件设计实现直线行驶差速控制
预先查询资料电路需求确定四轮车硬件系统供电电源稳压模块控系统模块直流电机驱动模块舵机控制模块线遥控模块测速模块液晶显示模块底盘部件等八部分组成[1]中供电电源模块整部车运转起车提供量控系统模块整体控制车车脑中枢直流电机驱动模块驱动车轮行驶舵机控制模块控制车转弯线遥控模块发出接收信号发送控系统处理测速模块实时测量车行驶速率转角度液晶显示模块车运动信息OLED屏显示出
设计STM32F103单片机作控系统核心两直流电机驱动研究四轮车电动差速控制设计程先确定电路组成焊接组装实物硬件然负责软件设计学进行模块程序编写整合编译仿真没问题程序烧录进完成四轮车功验证
关键词：四轮车电动差速控制直流电机驱动
The design of the differential controller of the four wheel independent driving car hardware design
Abstract
In addition to normal straight and backward the car also turns When the car is turning due to the width of the body the distance between the outer wheel and the inner wheel is different in the same time and the distance between the outer wheel and the inner wheel will be greater than the inner wheel In order to make the car turn normally without skidding the differential is invented One of its functions is to allow the car to turn the left and right driving wheels at different speeds in the process of turning
This paper mainly explains and analyzes the control principle of the hardware system of the fourwheel car and uses two DC motors to drive the rear wheels to complete the hardware design of the differential controller of the fourwheel car with reference to the mechanical differential used in the traditional car so as to realize its straightline driving and differential control
According to the circuit requirements the hardware system of the fourwheel vehicle consists of eight parts power supply and voltage stabilizing module main control system module DC motor driving module steering gear control module wireless remote control module speed measuring module LCD display module and chassis components Among them the power supply module can make the whole car run and provide energy for the car the main control system module can control the car as a whole which is the brain center of the car the DC motor drive module can drive the rear wheel of the car to make the car run the steering control module can control the car to turn the wireless remote control module can send and receive signals and send them to the main control system for processing the speed measurement module can measure the vehicle speed and steering angle in real time the LCD module can display the car motion information on the OLED screen
The project is based on a unique microcomputer STM32F103 chip which is controlled by two DC motors The design process is to determine the circuit composition first then weld and assemble the physical hardware and then the students in charge of software design compile and integrate the program of each module After the compilation and simulation have no problems burn the program in and complete the verification of the fourwheel car function
Keywords four wheel car electric differential control DC motor drive
目 录
1前言 1
11设计研究背景意义 1
12设计国外发展状况 1
13设计研究容 2
2四轮车差速控制器总体设计 3
21硬件总体设计方案 3
22软件编程设计方案 6
3四轮车元器件电路原理分析 8
31元器件电路原理 8
311轮双电机差速车控制原理 8
312直流电机驱动原理 10
313舵机控制原理 12
314编码器测速原理 14
315线遥控原理 16
316液晶显示原理 18
317 STM32F103单片机核心电路 19
32硬件设计总结 22
4四轮车调试结果 23
41硬件调试 23
42软件调试 24
43软硬件联合调试 24
44调试结果 25
5结 26
参考文献 27
谢 辞 28
附 录 30
1前言
汽车转弯换时车身存宽度外轮行驶距离相等时间会轮行驶距离外受规道路轮胎表面磨损程度轮胎气压影响会造成外两侧车轮行驶距离果机械连接汽车左右两驱动轮话汽车曲线行驶时候速度旋转果力改变方盘仅会降低汽车性增加油耗轮胎磨损容易发生漂移滑障保障汽车行驶安全汽车左右轮前轮够转速转动差速器早汽车行业发展初期发明出差速器然体积显著作通部调速两侧车轮圆心相角速度满足汽车行驶基运动规
11设计研究背景意义
1769年世界第辆蒸汽驱动三轮汽车面世起汽车便历蒸汽机柴油机燃机等时代着时间推移科技进步汽车逐渐步入电子化智化技术断更新发展日新月异种类越越21世纪天国家力提倡持续发展着环保意识增强降低汽车行驶程中产生尾气环境污染绿色清洁源会逐渐代非环保型源成汽车第选择新源汽车电动汽车技术成发展潮流
前国轻型商车重型商车差速器产品源美国德国英国日等传统工业国国拥差速器技术基础进行研究发展发明已久齿轮差速器外国2014年独立研发体积更成更低新双蜗杆差速器目前已取错效果国差速器开发力然较薄弱技术研究重道远
12设计国外发展状况
世纪六十年代末期德国位工程师试图研究汽车电子转汽车转盘车轮导线连接起时电子控制技术成熟导致研究失败九十年代初期世界第辆公认汽车发明者——奔驰公司成功研究出汽车前轮电子转系统门技术应概念车F400Carving引起强烈反响[2]日家名YOKO技术研究中心针做实验结果表明采电子差速控制汽车摩擦系数低坦路面进行移动行驶转弯换侧风测试中汽车行驶轨迹基预期路线踪导传统导系统强 落奔驰公司世界著名汽车厂商纷纷针汽车电子控制进行深入研究开发
年国产车越越受欢迎国汽车差速器市场快速增长仅促进汽车差速器产品发展投资者越越关注国家政策鼓励高新技术方发展国中科院电机研究专家针双电机驱动电动汽车研究分析中动力学原理成功开发出中国首款具知识产权燃料电池电动汽车外海滨城市美誉称珠海家名银隆集团公司电动汽车领域做深入研究成功研发出款型号电动汽车18米纯电动公交车仿古铛铛车海豚车等等珠海公交集团量采作城市公交车
13设计研究容
设计参考传统差速器工作原理四轮车作研究目标搭建台四轮车模型电路核心STM32F103单片机外围电路直流电机舵机线接收器PS2手柄霍尔编码器OLED屏等硬件组成
研究容：
（1）电路图系统板外围电路车底盘等元器件焊接组装整体
（2）线接收器读取手柄摇杆实时信息前拨动摇杆驱动直流电机车前行驶左右拨动摇杆控制舵机车左右转弯
（3）双直流电机模拟汽车差速器工作转时定转速差
（4）利编码器实时测量车行驶速率转角
（5）OLED屏实时显示出车运动信息
2四轮车差速控制器总体设计
次毕业设计四步骤展开：
（1）根务书求列写开题报告容方案程中解设计复杂程度需实物器材根务实现功求查找相关资料设计实现方案
（2）车设计中器材进行电路设计然根电路设计需选择合适器件器件进行焊接组装
（3） 编写车运动程序算法首先绘制出车运行系统流程图然根整体流程图全部程序划分模块采模块化编程模块应C文件
（4）车硬件软件相结合调试编写程序代码烧入STM32F103单片机中运行否实现预期相应功实现继续修改程序代码直成功实现止
21硬件总体设计方案
四轮车整体硬件供电电源稳压模块控系统模块直流电机驱动模块舵机控制模块线遥控模块测速模块液晶显示模块底盘部件等八模块组成[1]
次硬件设计中车整体设计器件选择图21示：
图21 车整体设计图
方案说明：
（1）供电电源稳压模块：
车3s电池作供电电源s意思芯3s电池代表块电池含3块锂电池块锂电池电压约4V3s电池电压约12V系统板5V供电需通降压模块电压12V降5V里芯片LM2596S5V
（2）控系统模块：
开始设计时候算arduino作系统控板手较容易懂点点硬件知识C语言开发数功做库起非常简单正弱化具体硬件操作函数语法非常简单傻瓜稍微复杂点功实现控性较差决定选STM32F103作系统控板
（3）直流电机驱动模块：
车通单片机控制直流电机驱动轮行驶单片机负载力较弱直流电机电流较负载力较高单片机法直接控制直流电机需功率放器件刚开始算选择L298N作直流电机驱动器件外围电路较复杂尺寸较散热较高需额外添加散热片然车会发热严重严重影响甚损坏硬件三考虑选择TB6612FNG
（4）舵机控制模块：
舵机选择需考虑电压扭矩转速确定三者舵机扭矩更富余满载里选择舵机型号MG995
（5）线遥控模块：
线遥控模块包括线接收器PS2手柄开始算购买线遥控器出成考虑恰家里PS2手柄款SONY推出家游戏机PS2附带线游戏手柄推出久破解通讯协议手柄单片机遥控决定选作线发射器附带信号接收器作线接收器
（6）测速模块：
车运动信息通编码器测出里选择编码器磁式霍尔编码器
（7）液晶显示模块：
开始算LCD1602液晶屏作车系统显示模块耗价格高般显示屏考虑成问题决定舍弃该方案换成OLED屏oled屏诸优点满足该系统设计求够显示字母数字符号等简单字符体积外围电路简单显示界面稳定功耗低占 IO 口少
（8）底盘部件：
车底盘部件包括车轮支架舵盘摇臂螺杆转杯轴承等
次硬件设计中车整体控制图22示：
图22 车整体控制图
说明：
前拨动PS2手柄摇杆时位车线接收器会接收手柄发出信号然发送STM32F103单片机进行处理接着单片机反馈直流电机直流电机驱动车轮车够前行驶理左右拨动PS2手柄摇杆单片机会控制舵机转车左右转弯编码器实时测量车速率转角oled液晶屏显示出
22软件编程设计方案
设计组两车运动程序代码负责软件设计学编写设计软件部分单片机编程没数位机程序相说较简单单片机进行C语言编程编程方式采模块化思维模块应程序说总程序划分成模块然分模块进行编程样做处编程简洁明里出现问题较容易查找维护方便
图软件编程流程图：
开始
建立工程文件
编写c语言
N
编译否正确？
Y
载单片机
调试否正常？
N
Y
结束
图23 软件编程流程图
软件部分致分程序模块电机驱动模块舵机模块线遥控模块测速模块液晶显示模块等分模块进行编程编译仿真仿真没问题程序烧录进单片机否正常工作问题进行修改解决问题整合程序代码完成四轮车差速控制器功验证
3四轮车元器件电路原理分析
31元器件电路原理
车元器件电源直流电机舵机霍尔编码器线控制器OLED显示屏STM32F103单片机面元器件原理进行说明分析
311轮双电机差速车控制原理
汽车转弯换时候相等时间里轮外轮行驶路程相等轮行驶路程外轮行驶路程明显想外轮间存着速度差轮转速外轮转速传统汽车采机械式差速器汽车直线行驶转弯换左右两车轮转速始终等差速器转速两倍例设差速器转速v外轮转速v+a轮转速va
年电动汽车行业发展迅速较典型企业特斯拉电动汽车电动差速传统汽车样机械差速电动差速两电机驱动汽车轮行驶电控方面相传统机械设计会更复杂
车子转弯示意图图31示设舵机转动角度θ车行驶速度v转弯半径R轮轮速度v1转弯半径R1轮外轮速度v2转弯半径R2前轮中心距离L轮外轮中心距离T
图31 车子转弯示意图
线速度角速度关系式VωR 角速度致性根运动关系分析知：
（式31）
：
（式32）
车面 2 带编码器电机舵机通C语言写出面
运动关系然电机舵机进行控制代码：
void Kinematic_Analysis(float velocityfloat angle)
{
Target_Avelocity*(1+T*tan(angle)2L)
Target_Bvelocity*(1T*tan(angle)2L) 轮差速
ServoSERVO_INIT+angle*K 舵机转
}
舵机控制较简单部集成控制电路设置Servo然控制舵机输出固定脉宽测量前轮转角校正参数赋值STM32F103相关寄存器直流电机控制通述运动分析电机目标转速
目标值发送PID控制器计算电机A终PWMPWM关系式：Motor_AIncremental_PI_A(Encoder_LeftTarget_A) 100hz 频率执行相关代码完成速度闭环控制电机实际输出速度趋目标值
312直流电机驱动原理
图直流电机结构图：
图32 直流电机结构图
直流电机定子转子组成定子静止磁极转子电枢铁心两根导体组成绕组线圈中绕组线圈首尾两端分连两圆弧形换片转子电枢铁心旋转时候绕组线圈通换片电刷外电路连通然电刷施加直流电压电枢开始转动[3]
换句话说需电刷+’’分接电池正极负极电机转动果反连接电机会反转动外电机转速快慢施加电压决定果施加电压电机转速快果施加电压电机转速慢想控制电机转速通改变施加电压想控制电机转改变施加电压极性
单片机该改变施加电机电压呢？通PWM技术实现PWM中文名称脉宽度调制通脉宽调制器电机提供具定频率脉宽度调脉电脉宽度越占空越施加电机均电压越电机转速越快反电机转速越慢[4]
单片机IO口负载较低驱动较弱直流电机电流较负载较单片机法直接控制直流电机需TB6612FNG作直流电机驱动芯片该芯片MOSFETH桥结构双通道电路输出时驱动两直流电机[5]PWM信号输入方面输出信号频率高达100KHz满足车速度需求甚绰绰余
图33示TB6612FNG 连接中电机原理图：
图33 TB6612FNG 连接电机原理图
TB6612FNG两电机中电机红色部分五引脚控制电机蓝色部分五引脚控制两电机控制原理相里介绍中A路电机图电机+’’分接TB6612FNGAO1AO2引脚PWMAA1N1A1N2引脚接单片机相应IO口通单片机控制电机中PWM频率般需10Khz电机转速通改变占空控制
面真值表：
表31 真值表
AIN1
0
1
0
AIN2
0
0
1
停止
正转
反转
图单片机系统TB6612FNG原理图：
图34 单片机系统TB6612FNG原理图
实现两者连接需TB6612FNG控制PWMAPWMBPB1PB0引脚单片机系统PB1PB0引脚连接控制A1N1A1N2B1N1B1N2PB9PB8PB7PB6引脚单片机系统PB9PB8PB7PB6引脚连接然通系统板TB6612FNG提供5V电压
外直流电机转速较快分钟达千万转需安装减
速器降低电机转速
313舵机控制原理
图35示舵机舵盘外壳齿轮组直流电机控制电路电位计等结构组成转动角度通电位计检测然控制舵机转动保持目标角度
图35 舵机组成结构图
舵机工作原理：首先控制电路板接收控制线控制脉然控制电机转动电机带动系列齿轮组减速传动输出舵盘舵盘电位计相连舵盘转动时带动电位计电位计输出电压信号控制电路板进行反馈控制电路板根位置决定电机转动方角度[6]
简洁工作程图示：
1控制脉
2控制电路板
3电机转动
4齿轮组减速
5舵盘转动
6电位计位置反馈
7控制电路板反馈
图36 舵机工作程图
舵机部控制电路直接采集输入PWM信号舵机转动角度样脉宽度调制器控制舵机提供定脉宽度输出轴会保持相应角度脉宽度改变舵机角度会改变[7]例想电机转动90°需提供15ms脉宽度提供脉宽度果15ms电机转0°方15ms转180°方
STM32F103单片机控制舵机时需PWM 输出引脚然利软件编程改变脉宽度舵机0度变化180度车实现转弯换
图单片机系统MG995舵机原理图：
图37 单片机系统MG995舵机原理图
实现两者连接需舵机PA11引脚单片机系统PA11引脚连接通系统板舵机提供5V电压
314编码器测速原理
设计采编码器磁式霍尔编码器电机输出轴物理运动通磁电转换成数字脉通编码器获车运动信息
图霍尔编码器结构示意图：
图38 霍尔编码器结构示意图
图示霍尔编码器霍尔码盘霍尔元件组成霍尔码盘电机位轴心电机旋转时够转换诸脉信号判断电机转动方般输出脉信号定相位差两组方波
图增量式输出霍尔编码器实物图：
图39 霍尔编码器实物图
图示红线霍尔编码器电源线绿线白线控制A相输出B相输出霍尔编码器测速辨转需红线连接5V电源电机转动时通AB相输出方波信号然通测量单位时间A相输出脉数速度信息霍尔编码器带拉电阻需外部拉直接AB两相控制线连接单片机IO口进行读取
图单片机系统电机编码器原理图：
图310 单片机系统电机编码器原理图
实现编码器单片机连接需编码器1PA0PA1引脚编码器2PA6PA7引脚单片机系统PA0PA1PA6PA7引脚连接通系统板分编码器提供5V电压
315线遥控原理
线遥控器发射模块接收模块组成种利线电信号远处设备元件进行控制种设备工作原理发射模块控制电信号先编码调制转换成线信号发送接收模块接收模块接收先解码电信号功率放单片机接收处理驱动相应电子元件完成预先设置种操作[8]
次设计中PS2手柄作线控制发射模块配套信号接收器作接收模块PS2手柄款日SONY公司推出家游戏机PS2附带线游戏手柄通讯协议破解手柄单片机遥控程序中直接网相关数协议进行移植
图311示PS2遥控手柄配套信号接收器：
图311 PS2手柄接收器图
车操作参数预先c语言编程车直线行驶电机PWM值转弯时舵机PWM值然需前左右拨动手柄摇杆车会事先设定PWM值前行驶左右转弯外根摇杆压力判断行进速率转角度
STM32F103单片机中需线接收器引脚单片机IO口33VGND端连接起实现单片机PS2接收器硬件联系
图单片机系统PS2接收器原理图：
图312 单片机系统PS2接收器原理图
实现两者连接需PS2接收器PA12PC13PB14PB15引脚单片机系统PA12PC13PB14PB15引脚连接通系统板PS2接收器提供33V电压
316液晶显示原理
图313示设计096寸（分辨率128*64）OLED液晶屏显示车运行状态电机速率舵机转角OLED称机发光二极通载流子注入复合导致发光OLED屏工作电压约22V5VLCD屏相采发光具度高厚度薄视角广反应快等优点
图313 096寸OLED屏
车运动信息显示屏幕三步骤：初始化OLED屏确定显示位置确定显示容 OLED初始化需通软件执行初始化代码显示位置方面OLED分辨率128*64说128×64led编程中设置1’表示led亮设置0’表示led暗例写入字节0x08数 0x08代表16进制8位数0x080000 1000意思8位数第4位bit31位0应bit3点点亮7点暗需确定寻址方式查OLED指令表确定显示位置显示容需字节单位写入数字节8位应8led写1亮写0暗写完字节数指针会寻址模式方动加1样根led亮暗构造出种文字形状
图单片机系统096寸OLED屏原理图：
图314 单片机系统096寸OLED屏原理图
STM32F103单片机中含IIC SPI两种时钟信号实现两者连接需096寸OLED屏PA15PB3PB4PB5引脚单片机控制IICSPI端口PA15PB3PB4PB5引脚连接通系统板OLED屏提供33V电压
317 STM32F103单片机核心电路
STM32F103意法半导体公司出品款增强型微控制器核32位ARM CortexM3高工作频率72MHz64KBFLASH存储器20KBSRAM存储器适应控制电机驱动电力电子系统等方面应[9]
单片机系统图图315示：48引脚包括通IO口32定时器8通信接口8定时器中三16位定时器输入捕获输出较PWM脉计数通道增量编码器输入16位带死区控制紧急刹车PWM电机高级控制通信接口三USART接口两IIC接口两SPI接口CAN接口[10]
图315 单片机系统图
STM32F103系统板：
系统板包括单片机复位电路晶振电路外围电路等中PC14PC15引脚没外接晶振作普通IO
稳压模块：
车3s电池供电系统板5V供电需通降压模块进行12V5V电压转换里芯片LM2596S5V然通AMS111733V实现5V33V电压转换
面外围电路图：
图316 稳压模块外围电路图
载电路：
STM32F103系统板程序通串口SWD载般串口载较简单方便 STM32F103串口载通带 USB 串口载
面外围电路图
图317 载电路外围电路图
32硬件设计总结
次四轮车差速控制器硬件设计中首先解务功求然查阅资料梳理清晰思路接着器材选择种硬件器材选择合理化实现务中求追求简单高效便宜综合种考虑选STM32F103作系统控板TB6612FNG作直流电机驱动模块MG995作舵机控制模块3s电池作电源供电模块LM2596S5V作稳压模块PS2手柄配套信号接收器作线控制模块霍尔编码器作测速模块OLED显示屏作液晶显示模块
4四轮车调试结果
四轮车调试包括硬件调试软件调试软硬件联合调试
41硬件调试
硬件焊接：
学校课程设计中焊接车零器件焊接相说较容易焊坏然电路身设计简洁美观时注意线路排布样减少器件焊接时心焊起导致短路性外焊接器件先电路板排位置引脚放样容易混淆出错
（1）焊前准备：进行焊接前先解电路板装配图根图纸需元件进行相关型号规格数量进行核查线路间严格排查否存接触良等问题
（2）焊接序：首先安装电阻者电容器接着相关二极三极硬件电路等剩余器件外序安装
（3）焊接求：
a电容器焊接：电容器正负极标志针电容器焊接需注意正负极旦焊错方容易短路
b二极焊接：针二极焊接首先明确阴阳极方二极面标注安装时候标注外清楚焊接时间控制2S针短引线说
c三极焊接：针三极焊接正常焊接程中需引线引线需镊子夹住样防止烫伤需量散热时候需装散热片接触面需整光滑添加需进行绝缘设置时候需添加绝缘薄膜脚般利塑料导线电路板连接起
（4）集成电路：电路形成部件焊接电路板部件位置需型号引脚位置尤重首先两引脚焊接稳定边然焊接外边左右序进行焊接操作出现参差齐引脚时候需进行齐根剪
调试程
硬件调试核查电路否存问题否接触良焊接否位具方元件否方弄错等元件方弄错漏焊检测方法实物电路板着电路图线路检查元件导线实物否出现果发现没者情况需时重新确定漏焊时时补焊短路断路虚焊情况采数字万表数字万表二极档位红黑笔放相应元件果出现鸣声说明段电路存问题时相关问题解决[11]
42软件调试
车硬件焊接组装需软件编程实现预期功车编程采模块化编程系统中程序分模块程序中模块需单独仿真调试检测出编写程序错误时进行更改接着调试模块直完整调试出
调试需工具：KEIL软件系统硬件PL2303载器等
调试程步骤：KEIL软件编写相关代码相应代码生成HEX文件通PL2303载器载单片机中进行程序调试调试程做相关记录反复测试否存系统问题
43软硬件联合调试
软硬件调试完四轮车接验证车功果硬件模块问题时发现解决
调试程：车放坦路面前左右拨动PS2手柄摇杆线接收器否接收信号发送STM32F103单片机处理然STM32F103单片机否反馈直流电机舵机直流电机否驱动车直线行驶舵机否控制车转霍尔编码器否测试出车行驶中速率转角OLED显示屏显示出
44调试结果
车实物图运动信息显示图图示：
图41 车实物图
图42 运动信息显示图
重复次测试车均直线行驶差速转弯测出行驶速率转角显示出
总说次设计结果成功
5结
次四轮车差速控制器硬件设计中实现四轮车直线行驶差速控制预先查询文献资料包括轮双电机差速控制原理直流电机驱动原理舵机控制原理线遥控原理编码器测速原理OLED显示原理关单片机知识等通原理学仅解技术东西重温学校学课程设计知识点
车硬件STM32F103单片机作硬件设计核心重中重通接收PS2手柄线信号进行处理进控制舵机直流电机车够前进退转弯车运动实时速度转角通霍尔编码器测出显示OLED屏
整设计两较难方第车硬件选择系统板arduino开发板51单片机STM32F103单片机选择显示屏OLED屏LCD屏线控制线电遥控红外遥控编码器光学式编码器磁式编码器直流电机舵机种样型号车设计整体设计实现车功必须考虑方方面面身硬件工作满足电源电压求影响硬件硬件选择搭配件较困难事情第二难点实现车运动算法包括直流电机舵机驱动线遥控编码器测速OLED显示等模块中重点车转弯换时差速算法
软硬件联合调试结果中车基预先求实现直线行驶差速转弯车果电量高话行驶速率较快传感器容易受外界干扰迫时间关系整设计足方继续改进元器件选择选择更更稳定元器件算法优化车运行更稳定
参考文献
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车部件
TB6612FNG直流电机驱动芯片
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四轮独立驱动车差速控制器设计
——硬件设计
四轮独立驱动车差速控制器设计——硬件设计
摘
汽车正常直行退转弯汽车转弯行驶时车身存宽度相时间里车子外轮轮行驶距离外轮行驶距离会轮汽车转弯时正常转滑差速器发明出作允许汽车转弯程中左右两驱动轮转速转动
文四轮车硬件系统控制原理作出说明分析参考传统汽车机械差速器两直流电机驱动轮完成四轮车差速控制器硬件设计实现直线行驶差速控制
预先查询资料电路需求确定四轮车硬件系统供电电源稳压模块控系统模块直流电机驱动模块舵机控制模块线遥控模块测速模块液晶显示模块底盘部件等八部分组成[1]中供电电源模块整部车运转起车提供量控系统模块整体控制车车脑中枢直流电机驱动模块驱动车轮行驶舵机控制模块控制车转弯线遥控模块发出接收信号发送控系统处理测速模块实时测量车行驶速率转角度液晶显示模块车运动信息OLED屏显示出
设计STM32F103单片机作控系统核心两直流电机驱动研究四轮车电动差速控制设计程先确定电路组成焊接组装实物硬件然负责软件设计学进行模块程序编写整合编译仿真没问题程序烧录进完成四轮车功验证
关键词：四轮车电动差速控制直流电机驱动
The design of the differential controller of the four wheel independent driving car hardware design
Abstract
In addition to normal straight and backward the car also turns When the car is turning due to the width of the body the distance between the outer wheel and the inner wheel is different in the same time and the distance between the outer wheel and the inner wheel will be greater than the inner wheel In order to make the car turn normally without skidding the differential is invented One of its functions is to allow the car to turn the left and right driving wheels at different speeds in the process of turning
This paper mainly explains and analyzes the control principle of the hardware system of the fourwheel car and uses two DC motors to drive the rear wheels to complete the hardware design of the differential controller of the fourwheel car with reference to the mechanical differential used in the traditional car so as to realize its straightline driving and differential control
According to the circuit requirements the hardware system of the fourwheel vehicle consists of eight parts power supply and voltage stabilizing module main control system module DC motor driving module steering gear control module wireless remote control module speed measuring module LCD display module and chassis components Among them the power supply module can make the whole car run and provide energy for the car the main control system module can control the car as a whole which is the brain center of the car the DC motor drive module can drive the rear wheel of the car to make the car run the steering control module can control the car to turn the wireless remote control module can send and receive signals and send them to the main control system for processing the speed measurement module can measure the vehicle speed and steering angle in real time the LCD module can display the car motion information on the OLED screen
The project is based on a unique microcomputer STM32F103 chip which is controlled by two DC motors The design process is to determine the circuit composition first then weld and assemble the physical hardware and then the students in charge of software design compile and integrate the program of each module After the compilation and simulation have no problems burn the program in and complete the verification of the fourwheel car function
Keywords four wheel car electric differential control DC motor drive
目 录
1前言 1
11设计研究背景意义 1
12设计国外发展状况 1
13设计研究容 2
2四轮车差速控制器总体设计 3
21硬件总体设计方案 3
22软件编程设计方案 6
3四轮车元器件电路原理分析 8
31元器件电路原理 8
311轮双电机差速车控制原理 8
312直流电机驱动原理 10
313舵机控制原理 12
314编码器测速原理 14
315线遥控原理 16
316液晶显示原理 18
317 STM32F103单片机核心电路 19
32硬件设计总结 22
4四轮车调试结果 23
41硬件调试 23
42软件调试 24
43软硬件联合调试 24
44调试结果 25
5结 26
参考文献 27
谢 辞 28
附 录 30
1前言
汽车转弯换时车身存宽度外轮行驶距离相等时间会轮行驶距离外受规道路轮胎表面磨损程度轮胎气压影响会造成外两侧车轮行驶距离果机械连接汽车左右两驱动轮话汽车曲线行驶时候速度旋转果力改变方盘仅会降低汽车性增加油耗轮胎磨损容易发生漂移滑障保障汽车行驶安全汽车左右轮前轮够转速转动差速器早汽车行业发展初期发明出差速器然体积显著作通部调速两侧车轮圆心相角速度满足汽车行驶基运动规
11设计研究背景意义
1769年世界第辆蒸汽驱动三轮汽车面世起汽车便历蒸汽机柴油机燃机等时代着时间推移科技进步汽车逐渐步入电子化智化技术断更新发展日新月异种类越越21世纪天国家力提倡持续发展着环保意识增强降低汽车行驶程中产生尾气环境污染绿色清洁源会逐渐代非环保型源成汽车第选择新源汽车电动汽车技术成发展潮流
前国轻型商车重型商车差速器产品源美国德国英国日等传统工业国国拥差速器技术基础进行研究发展发明已久齿轮差速器外国2014年独立研发体积更成更低新双蜗杆差速器目前已取错效果国差速器开发力然较薄弱技术研究重道远
12设计国外发展状况
世纪六十年代末期德国位工程师试图研究汽车电子转汽车转盘车轮导线连接起时电子控制技术成熟导致研究失败九十年代初期世界第辆公认汽车发明者——奔驰公司成功研究出汽车前轮电子转系统门技术应概念车F400Carving引起强烈反响[2]日家名YOKO技术研究中心针做实验结果表明采电子差速控制汽车摩擦系数低坦路面进行移动行驶转弯换侧风测试中汽车行驶轨迹基预期路线踪导传统导系统强 落奔驰公司世界著名汽车厂商纷纷针汽车电子控制进行深入研究开发
年国产车越越受欢迎国汽车差速器市场快速增长仅促进汽车差速器产品发展投资者越越关注国家政策鼓励高新技术方发展国中科院电机研究专家针双电机驱动电动汽车研究分析中动力学原理成功开发出中国首款具知识产权燃料电池电动汽车外海滨城市美誉称珠海家名银隆集团公司电动汽车领域做深入研究成功研发出款型号电动汽车18米纯电动公交车仿古铛铛车海豚车等等珠海公交集团量采作城市公交车
13设计研究容
设计参考传统差速器工作原理四轮车作研究目标搭建台四轮车模型电路核心STM32F103单片机外围电路直流电机舵机线接收器PS2手柄霍尔编码器OLED屏等硬件组成
研究容：
（1）电路图系统板外围电路车底盘等元器件焊接组装整体
（2）线接收器读取手柄摇杆实时信息前拨动摇杆驱动直流电机车前行驶左右拨动摇杆控制舵机车左右转弯
（3）双直流电机模拟汽车差速器工作转时定转速差
（4）利编码器实时测量车行驶速率转角
（5）OLED屏实时显示出车运动信息
2四轮车差速控制器总体设计
次毕业设计四步骤展开：
（1）根务书求列写开题报告容方案程中解设计复杂程度需实物器材根务实现功求查找相关资料设计实现方案
（2）车设计中器材进行电路设计然根电路设计需选择合适器件器件进行焊接组装
（3） 编写车运动程序算法首先绘制出车运行系统流程图然根整体流程图全部程序划分模块采模块化编程模块应C文件
（4）车硬件软件相结合调试编写程序代码烧入STM32F103单片机中运行否实现预期相应功实现继续修改程序代码直成功实现止
21硬件总体设计方案
四轮车整体硬件供电电源稳压模块控系统模块直流电机驱动模块舵机控制模块线遥控模块测速模块液晶显示模块底盘部件等八模块组成[1]
次硬件设计中车整体设计器件选择图21示：
图21 车整体设计图
方案说明：
（1）供电电源稳压模块：
车3s电池作供电电源s意思芯3s电池代表块电池含3块锂电池块锂电池电压约4V3s电池电压约12V系统板5V供电需通降压模块电压12V降5V里芯片LM2596S5V
（2）控系统模块：
开始设计时候算arduino作系统控板手较容易懂点点硬件知识C语言开发数功做库起非常简单正弱化具体硬件操作函数语法非常简单傻瓜稍微复杂点功实现控性较差决定选STM32F103作系统控板
（3）直流电机驱动模块：
车通单片机控制直流电机驱动轮行驶单片机负载力较弱直流电机电流较负载力较高单片机法直接控制直流电机需功率放器件刚开始算选择L298N作直流电机驱动器件外围电路较复杂尺寸较散热较高需额外添加散热片然车会发热严重严重影响甚损坏硬件三考虑选择TB6612FNG
（4）舵机控制模块：
舵机选择需考虑电压扭矩转速确定三者舵机扭矩更富余满载里选择舵机型号MG995
（5）线遥控模块：
线遥控模块包括线接收器PS2手柄开始算购买线遥控器出成考虑恰家里PS2手柄款SONY推出家游戏机PS2附带线游戏手柄推出久破解通讯协议手柄单片机遥控决定选作线发射器附带信号接收器作线接收器
（6）测速模块：
车运动信息通编码器测出里选择编码器磁式霍尔编码器
（7）液晶显示模块：
开始算LCD1602液晶屏作车系统显示模块耗价格高般显示屏考虑成问题决定舍弃该方案换成OLED屏oled屏诸优点满足该系统设计求够显示字母数字符号等简单字符体积外围电路简单显示界面稳定功耗低占 IO 口少
（8）底盘部件：
车底盘部件包括车轮支架舵盘摇臂螺杆转杯轴承等
次硬件设计中车整体控制图22示：
图22 车整体控制图
说明：
前拨动PS2手柄摇杆时位车线接收器会接收手柄发出信号然发送STM32F103单片机进行处理接着单片机反馈直流电机直流电机驱动车轮车够前行驶理左右拨动PS2手柄摇杆单片机会控制舵机转车左右转弯编码器实时测量车速率转角oled液晶屏显示出
22软件编程设计方案
设计组两车运动程序代码负责软件设计学编写设计软件部分单片机编程没数位机程序相说较简单单片机进行C语言编程编程方式采模块化思维模块应程序说总程序划分成模块然分模块进行编程样做处编程简洁明里出现问题较容易查找维护方便
图软件编程流程图：
开始
建立工程文件
编写c语言
N
编译否正确？
Y
载单片机
调试否正常？
N
Y
结束
图23 软件编程流程图
软件部分致分程序模块电机驱动模块舵机模块线遥控模块测速模块液晶显示模块等分模块进行编程编译仿真仿真没问题程序烧录进单片机否正常工作问题进行修改解决问题整合程序代码完成四轮车差速控制器功验证
3四轮车元器件电路原理分析
31元器件电路原理
车元器件电源直流电机舵机霍尔编码器线控制器OLED显示屏STM32F103单片机面元器件原理进行说明分析
311轮双电机差速车控制原理
汽车转弯换时候相等时间里轮外轮行驶路程相等轮行驶路程外轮行驶路程明显想外轮间存着速度差轮转速外轮转速传统汽车采机械式差速器汽车直线行驶转弯换左右两车轮转速始终等差速器转速两倍例设差速器转速v外轮转速v+a轮转速va
年电动汽车行业发展迅速较典型企业特斯拉电动汽车电动差速传统汽车样机械差速电动差速两电机驱动汽车轮行驶电控方面相传统机械设计会更复杂
车子转弯示意图图31示设舵机转动角度θ车行驶速度v转弯半径R轮轮速度v1转弯半径R1轮外轮速度v2转弯半径R2前轮中心距离L轮外轮中心距离T
图31 车子转弯示意图
线速度角速度关系式VωR 角速度致性根运动关系分析知：
（式31）
：
（式32）
车面 2 带编码器电机舵机通C语言写出面
运动关系然电机舵机进行控制代码：
void Kinematic_Analysis(float velocityfloat angle)
{
Target_Avelocity*(1+T*tan(angle)2L)
Target_Bvelocity*(1T*tan(angle)2L) 轮差速
ServoSERVO_INIT+angle*K 舵机转
}
舵机控制较简单部集成控制电路设置Servo然控制舵机输出固定脉宽测量前轮转角校正参数赋值STM32F103相关寄存器直流电机控制通述运动分析电机目标转速
目标值发送PID控制器计算电机A终PWMPWM关系式：Motor_AIncremental_PI_A(Encoder_LeftTarget_A) 100hz 频率执行相关代码完成速度闭环控制电机实际输出速度趋目标值
312直流电机驱动原理
图直流电机结构图：
图32 直流电机结构图
直流电机定子转子组成定子静止磁极转子电枢铁心两根导体组成绕组线圈中绕组线圈首尾两端分连两圆弧形换片转子电枢铁心旋转时候绕组线圈通换片电刷外电路连通然电刷施加直流电压电枢开始转动[3]
换句话说需电刷+’’分接电池正极负极电机转动果反连接电机会反转动外电机转速快慢施加电压决定果施加电压电机转速快果施加电压电机转速慢想控制电机转速通改变施加电压想控制电机转改变施加电压极性
单片机该改变施加电机电压呢？通PWM技术实现PWM中文名称脉宽度调制通脉宽调制器电机提供具定频率脉宽度调脉电脉宽度越占空越施加电机均电压越电机转速越快反电机转速越慢[4]
单片机IO口负载较低驱动较弱直流电机电流较负载较单片机法直接控制直流电机需TB6612FNG作直流电机驱动芯片该芯片MOSFETH桥结构双通道电路输出时驱动两直流电机[5]PWM信号输入方面输出信号频率高达100KHz满足车速度需求甚绰绰余
图33示TB6612FNG 连接中电机原理图：
图33 TB6612FNG 连接电机原理图
TB6612FNG两电机中电机红色部分五引脚控制电机蓝色部分五引脚控制两电机控制原理相里介绍中A路电机图电机+’’分接TB6612FNGAO1AO2引脚PWMAA1N1A1N2引脚接单片机相应IO口通单片机控制电机中PWM频率般需10Khz电机转速通改变占空控制
面真值表：
表31 真值表
AIN1
0
1
0
AIN2
0
0
1
停止
正转
反转
图单片机系统TB6612FNG原理图：
图34 单片机系统TB6612FNG原理图
实现两者连接需TB6612FNG控制PWMAPWMBPB1PB0引脚单片机系统PB1PB0引脚连接控制A1N1A1N2B1N1B1N2PB9PB8PB7PB6引脚单片机系统PB9PB8PB7PB6引脚连接然通系统板TB6612FNG提供5V电压
外直流电机转速较快分钟达千万转需安装减
速器降低电机转速
313舵机控制原理
图35示舵机舵盘外壳齿轮组直流电机控制电路电位计等结构组成转动角度通电位计检测然控制舵机转动保持目标角度
图35 舵机组成结构图
舵机工作原理：首先控制电路板接收控制线控制脉然控制电机转动电机带动系列齿轮组减速传动输出舵盘舵盘电位计相连舵盘转动时带动电位计电位计输出电压信号控制电路板进行反馈控制电路板根位置决定电机转动方角度[6]
简洁工作程图示：
1控制脉
2控制电路板
3电机转动
4齿轮组减速
5舵盘转动
6电位计位置反馈
7控制电路板反馈
图36 舵机工作程图
舵机部控制电路直接采集输入PWM信号舵机转动角度样脉宽度调制器控制舵机提供定脉宽度输出轴会保持相应角度脉宽度改变舵机角度会改变[7]例想电机转动90°需提供15ms脉宽度提供脉宽度果15ms电机转0°方15ms转180°方
STM32F103单片机控制舵机时需PWM 输出引脚然利软件编程改变脉宽度舵机0度变化180度车实现转弯换
图单片机系统MG995舵机原理图：
图37 单片机系统MG995舵机原理图
实现两者连接需舵机PA11引脚单片机系统PA11引脚连接通系统板舵机提供5V电压
314编码器测速原理
设计采编码器磁式霍尔编码器电机输出轴物理运动通磁电转换成数字脉通编码器获车运动信息
图霍尔编码器结构示意图：
图38 霍尔编码器结构示意图
图示霍尔编码器霍尔码盘霍尔元件组成霍尔码盘电机位轴心电机旋转时够转换诸脉信号判断电机转动方般输出脉信号定相位差两组方波
图增量式输出霍尔编码器实物图：
图39 霍尔编码器实物图
图示红线霍尔编码器电源线绿线白线控制A相输出B相输出霍尔编码器测速辨转需红线连接5V电源电机转动时通AB相输出方波信号然通测量单位时间A相输出脉数速度信息霍尔编码器带拉电阻需外部拉直接AB两相控制线连接单片机IO口进行读取
图单片机系统电机编码器原理图：
图310 单片机系统电机编码器原理图
实现编码器单片机连接需编码器1PA0PA1引脚编码器2PA6PA7引脚单片机系统PA0PA1PA6PA7引脚连接通系统板分编码器提供5V电压
315线遥控原理
线遥控器发射模块接收模块组成种利线电信号远处设备元件进行控制种设备工作原理发射模块控制电信号先编码调制转换成线信号发送接收模块接收模块接收先解码电信号功率放单片机接收处理驱动相应电子元件完成预先设置种操作[8]
次设计中PS2手柄作线控制发射模块配套信号接收器作接收模块PS2手柄款日SONY公司推出家游戏机PS2附带线游戏手柄通讯协议破解手柄单片机遥控程序中直接网相关数协议进行移植
图311示PS2遥控手柄配套信号接收器：
图311 PS2手柄接收器图
车操作参数预先c语言编程车直线行驶电机PWM值转弯时舵机PWM值然需前左右拨动手柄摇杆车会事先设定PWM值前行驶左右转弯外根摇杆压力判断行进速率转角度
STM32F103单片机中需线接收器引脚单片机IO口33VGND端连接起实现单片机PS2接收器硬件联系
图单片机系统PS2接收器原理图：
图312 单片机系统PS2接收器原理图
实现两者连接需PS2接收器PA12PC13PB14PB15引脚单片机系统PA12PC13PB14PB15引脚连接通系统板PS2接收器提供33V电压
316液晶显示原理
图313示设计096寸（分辨率128*64）OLED液晶屏显示车运行状态电机速率舵机转角OLED称机发光二极通载流子注入复合导致发光OLED屏工作电压约22V5VLCD屏相采发光具度高厚度薄视角广反应快等优点
图313 096寸OLED屏
车运动信息显示屏幕三步骤：初始化OLED屏确定显示位置确定显示容 OLED初始化需通软件执行初始化代码显示位置方面OLED分辨率128*64说128×64led编程中设置1’表示led亮设置0’表示led暗例写入字节0x08数 0x08代表16进制8位数0x080000 1000意思8位数第4位bit31位0应bit3点点亮7点暗需确定寻址方式查OLED指令表确定显示位置显示容需字节单位写入数字节8位应8led写1亮写0暗写完字节数指针会寻址模式方动加1样根led亮暗构造出种文字形状
图单片机系统096寸OLED屏原理图：
图314 单片机系统096寸OLED屏原理图
STM32F103单片机中含IIC SPI两种时钟信号实现两者连接需096寸OLED屏PA15PB3PB4PB5引脚单片机控制IICSPI端口PA15PB3PB4PB5引脚连接通系统板OLED屏提供33V电压
317 STM32F103单片机核心电路
STM32F103意法半导体公司出品款增强型微控制器核32位ARM CortexM3高工作频率72MHz64KBFLASH存储器20KBSRAM存储器适应控制电机驱动电力电子系统等方面应[9]
单片机系统图图315示：48引脚包括通IO口32定时器8通信接口8定时器中三16位定时器输入捕获输出较PWM脉计数通道增量编码器输入16位带死区控制紧急刹车PWM电机高级控制通信接口三USART接口两IIC接口两SPI接口CAN接口[10]
图315 单片机系统图
STM32F103系统板：
系统板包括单片机复位电路晶振电路外围电路等中PC14PC15引脚没外接晶振作普通IO
稳压模块：
车3s电池供电系统板5V供电需通降压模块进行12V5V电压转换里芯片LM2596S5V然通AMS111733V实现5V33V电压转换
面外围电路图：
图316 稳压模块外围电路图
载电路：
STM32F103系统板程序通串口SWD载般串口载较简单方便 STM32F103串口载通带 USB 串口载
面外围电路图
图317 载电路外围电路图
32硬件设计总结
次四轮车差速控制器硬件设计中首先解务功求然查阅资料梳理清晰思路接着器材选择种硬件器材选择合理化实现务中求追求简单高效便宜综合种考虑选STM32F103作系统控板TB6612FNG作直流电机驱动模块MG995作舵机控制模块3s电池作电源供电模块LM2596S5V作稳压模块PS2手柄配套信号接收器作线控制模块霍尔编码器作测速模块OLED显示屏作液晶显示模块
4四轮车调试结果
四轮车调试包括硬件调试软件调试软硬件联合调试
41硬件调试
硬件焊接：
学校课程设计中焊接车零器件焊接相说较容易焊坏然电路身设计简洁美观时注意线路排布样减少器件焊接时心焊起导致短路性外焊接器件先电路板排位置引脚放样容易混淆出错
（1）焊前准备：进行焊接前先解电路板装配图根图纸需元件进行相关型号规格数量进行核查线路间严格排查否存接触良等问题
（2）焊接序：首先安装电阻者电容器接着相关二极三极硬件电路等剩余器件外序安装
（3）焊接求：
a电容器焊接：电容器正负极标志针电容器焊接需注意正负极旦焊错方容易短路
b二极焊接：针二极焊接首先明确阴阳极方二极面标注安装时候标注外清楚焊接时间控制2S针短引线说
c三极焊接：针三极焊接正常焊接程中需引线引线需镊子夹住样防止烫伤需量散热时候需装散热片接触面需整光滑添加需进行绝缘设置时候需添加绝缘薄膜脚般利塑料导线电路板连接起
（4）集成电路：电路形成部件焊接电路板部件位置需型号引脚位置尤重首先两引脚焊接稳定边然焊接外边左右序进行焊接操作出现参差齐引脚时候需进行齐根剪
调试程
硬件调试核查电路否存问题否接触良焊接否位具方元件否方弄错等元件方弄错漏焊检测方法实物电路板着电路图线路检查元件导线实物否出现果发现没者情况需时重新确定漏焊时时补焊短路断路虚焊情况采数字万表数字万表二极档位红黑笔放相应元件果出现鸣声说明段电路存问题时相关问题解决[11]
42软件调试
车硬件焊接组装需软件编程实现预期功车编程采模块化编程系统中程序分模块程序中模块需单独仿真调试检测出编写程序错误时进行更改接着调试模块直完整调试出
调试需工具：KEIL软件系统硬件PL2303载器等
调试程步骤：KEIL软件编写相关代码相应代码生成HEX文件通PL2303载器载单片机中进行程序调试调试程做相关记录反复测试否存系统问题
43软硬件联合调试
软硬件调试完四轮车接验证车功果硬件模块问题时发现解决
调试程：车放坦路面前左右拨动PS2手柄摇杆线接收器否接收信号发送STM32F103单片机处理然STM32F103单片机否反馈直流电机舵机直流电机否驱动车直线行驶舵机否控制车转霍尔编码器否测试出车行驶中速率转角OLED显示屏显示出
44调试结果
车实物图运动信息显示图图示：
图41 车实物图
图42 运动信息显示图
重复次测试车均直线行驶差速转弯测出行驶速率转角显示出
总说次设计结果成功
5结
次四轮车差速控制器硬件设计中实现四轮车直线行驶差速控制预先查询文献资料包括轮双电机差速控制原理直流电机驱动原理舵机控制原理线遥控原理编码器测速原理OLED显示原理关单片机知识等通原理学仅解技术东西重温学校学课程设计知识点
车硬件STM32F103单片机作硬件设计核心重中重通接收PS2手柄线信号进行处理进控制舵机直流电机车够前进退转弯车运动实时速度转角通霍尔编码器测出显示OLED屏
整设计两较难方第车硬件选择系统板arduino开发板51单片机STM32F103单片机选择显示屏OLED屏LCD屏线控制线电遥控红外遥控编码器光学式编码器磁式编码器直流电机舵机种样型号车设计整体设计实现车功必须考虑方方面面身硬件工作满足电源电压求影响硬件硬件选择搭配件较困难事情第二难点实现车运动算法包括直流电机舵机驱动线遥控编码器测速OLED显示等模块中重点车转弯换时差速算法
软硬件联合调试结果中车基预先求实现直线行驶差速转弯车果电量高话行驶速率较快传感器容易受外界干扰迫时间关系整设计足方继续改进元器件选择选择更更稳定元器件算法优化车运行更稳定
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车部件
TB6612FNG直流电机驱动芯片
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