基于PWM波的模拟小车转向控制实验研究
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【摘要】通过改变PWM波的空载时间和频率，可改变驱动器对直流电机的功率，从而改变电机的转速。当一个电机满载，另一个电机使用PWM波时，可以使得两个直流电机产生一定的转速差。PWM波的空载时间和频率不同时，即可使得小车得到不同的转弯半径，这样可以轻松的控制小车转弯。
【关键词】 PWM波，小车转弯半径
序言：
随着科技的发展，PWM波以其特有的优越性得到了广泛应用。PWM除了可以使模拟信号数字化之外，还有一重要用途就是电机控制，比如现在控制一直流电机，高3低7（3秒高电平然后七秒低电平）和高6低4必然不一样，同样是10秒的周期，肯定是后者转的快，这样，就可以达到调速的目的。
目前，许多企业和大学都有关于汽车控制的相关研究项目和竞赛，而汽车转向控制无疑是汽车控制不可或缺的内容。近来，基于pwm波的小车转向控制被越来越多的人所接受，但都没有系统的分析和结论。基于以上分析，通过PWM波对模拟实验小车进行差速控制实验，得到PWM波与小车转弯半径的关系。
1实验硬件介绍
1.1小车的构造
本实验小车主要有直流电机、单片机最小系统板、MT-1驱动器、电池和导线等组成。实验小车主要任务是研究PWM波与小车转弯半径的关系，经过单片机编程可输入不同占空比的PWM波，从而实现控制小车转向，走出相应圆弧。
1.2STC89C52单片机最小系统板说明
本小车装载的是STC89C52单片机，采用USB取点和外部电源5V供电，带有多种品牌单片机ISP电路，均通过下载接口或USB线和PC相连，简单方便稳定，速度快。有常用的LCD接口，数码管显示电路等等。单片机的作用是控制电机按照指定的方式运动，从而使得模拟小车按照所需的运动轨迹运动。为了方便，把P2.0、P2.1、P2.2、P2.3口分别接MT-1驱动器的IN1、IN2、IN3、IN4口。由此，可以通过控制P2口的数字信号控制驱动器，从而控制电机的转动。
1.3 MT-1 驱动器说明
把供电电源与电机接好，如图1.3.1：
电机驱动的IN “X”（X为数字1～4），为单片机的控制口（如上一节接线），可以接收数字信号，这四个口应与单片机的P2口连接，IN1 与IN2一组，控制左边的电机，IN3与IN4 控制右边的电机。程序编写中，STC系列单片机给链接INX口高低电平，即可使电机运转，若需反转，则高低电平对调，Arduino 系列直接设置P2口为输出出口，然后给予高低电平即可。
2模拟小车转向控制
由上述得知可根据IN口输入不同的“0”“1”信号使得小车能够前进后退，但是不能控制其转向，如果单一的控制一个电机正转，另一个电机反转，只能得到一个很小的转弯半径，不符合相关要求。所以本实验必须采用PWM波进行小车的转向控制。
PWM波是一种常见的波，即输出一定比例的“0”“1”脉冲信号。采样控制理论中有一个重要结论：冲量相等而形状不同的窄脉冲加在具有惯性的环节上时，其效果基本相同。PWM控制技术就是以该结论为理论基础，对半导体开关器件的导通和关断进行控制，使输出端得到一系列幅值相等而宽度不相等的脉冲，用这些脉冲来代替正弦波或其他所需要的波形。按一定的规则对各脉冲的宽度进行调制，既可改变逆变电路输出电压的大小，也可改变输出频率。
通过改变PWM的占空比，可改变驱动器对直流电机的平均电压，从而改变电机的转速。当一个电机满载，另一个电机使用PWM波时，可以使得两个直流电机产生一定的转速差。PWM波的占空时间和频率不同时，即可使得小车得到不同的转弯半径，这样可以轻松的控制小车的转弯半径。 如表2.1为实验记录的左边电机满载，右边电机采用不同PWM波所得模拟小车不同转弯半径的实验数据：
综上实验分析可知，直流电机虽然控制困难，但也有一定的规律，PWM波的占空比所得的平均电压越大，小车转弯半径也就越大，但其平均电压的大小和其半径没有明显的函数关系，只能按照实际实验所得的数据进行测量和模拟。
3误差分析
本实验在多方面会产生误差，如下为误差分析明细：
（1）本小车采用直流电机，直流电机不能严格控制其行走距离，只能控制其行走时间来间接控制行程长短，即使采用PWM波来控制转向，也不能得到严格的函数关系。另外直流电机功率太小，有时难以调整转向，而且其功率和电池的电量有很大关系，当电池电量不同，其行走路径也会随之改变，故会产生很大的误差。
（2）当模拟小车行走时，容易和地面打滑，同时在转向时，前方万向轮难以根据其后轮的速度差产生相应的转向。
（3）测量时，每个PWM波形进行5次测量并取平均值远远不够，应当多采集相关数据。并且测量时容易产生读数误差。
参考文献
[1]王新、杨西峰.一种新型的PWM波生成方法
[2]赵冬梅、张振国.基于LabVIEW和单片机的PWM波的设计