單片機(jī)在汽車駕駛模擬器中的應(yīng)用

齊振鋒，張小輝，徐漫琳，吳維鑫

（西南交通大學(xué) 電氣工程學(xué)院，四川 成都 610031）

通過(guò)研究汽車轉(zhuǎn)向系統(tǒng)，建立汽車方向盤回正力矩的數(shù)學(xué)模型，采用一個(gè)直流力矩電機(jī)控制系統(tǒng)模擬汽車行駛時(shí)方向盤受到的回正力矩。將此系統(tǒng)應(yīng)用于汽車駕駛仿真器中，電機(jī)產(chǎn)生的效果與駕駛真車行駛的狀況相似，駕駛員可在汽車駕駛仿真器上熟練掌握操作程序后，再駕駛真車進(jìn)行行駛練習(xí)。隨著微電子技術(shù)的發(fā)展和微機(jī)價(jià)格下降，本系統(tǒng)將在汽車回正力矩模擬中得到廣泛應(yīng)用。

1 方向盤回正力矩的計(jì)算

車輛運(yùn)行過(guò)程中的各種姿態(tài)和運(yùn)行狀況，參照固定在地面上的右手直角坐標(biāo)系確定。一般情況下，車輛固定坐標(biāo)系選擇與操縱的起始點(diǎn)相一致。此坐標(biāo)系如圖1所示[1]。

圖1中，O為汽車質(zhì)心；a、b分別為質(zhì)心到前、后軸的距離；R為汽車轉(zhuǎn)向半徑。δ為前輪轉(zhuǎn)向角?；卣氐挠?jì)算公式的具體推導(dǎo)過(guò)程及各參數(shù)的具體含義可參見(jiàn)文獻(xiàn)[2]。

2 控制系統(tǒng)的組成及驅(qū)動(dòng)電路接線

圖1 地面固定坐標(biāo)系下運(yùn)動(dòng)的車輛

系統(tǒng)以C8051單片機(jī)為控制器，采用專用集成驅(qū)動(dòng)器IR2110驅(qū)動(dòng)MOSFET構(gòu)成H橋驅(qū)動(dòng)電動(dòng)機(jī)，以PWM（脈沖寬度調(diào)制）控制電動(dòng)機(jī)輸出力矩，以汽車速度和車輪轉(zhuǎn)角為輸入量，以電動(dòng)機(jī)實(shí)際輸出力矩為反饋量，用PID控制算法實(shí)時(shí)調(diào)整電機(jī)輸出力矩。圖2為直流力矩電機(jī)控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)框圖。

圖2 控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖

驅(qū)動(dòng)電路采用2片IR2110驅(qū)動(dòng)4個(gè)MOSFET構(gòu)成H橋驅(qū)動(dòng)電路，通過(guò)改變單片機(jī)的PWM控制電機(jī)的輸出力矩。 IR2110自舉驅(qū)動(dòng)電路如圖3所示[3-4]。

圖3 IR2110自舉驅(qū)動(dòng)電路

圖3 中 VQ1、VQ3為 P 溝 道 MOSFET，VQ2、VQ3為 N 溝 道MOSFET；電阻 R1～R4用來(lái)保護(hù)器件不受損壞；二極管（VD1～VD4）是在MOSFET關(guān)斷時(shí)起保護(hù)作用，防止電動(dòng)機(jī)的感應(yīng)電流損壞 MOSFET；電容器（C1～C4）的值通常小于 10 pF，主要用于減少換向器換相引起的干擾。H橋工作模式與電機(jī)運(yùn)行狀態(tài)的關(guān)系如表1所示。

表1 H橋工作模式與電機(jī)運(yùn)行狀態(tài)關(guān)系

3 計(jì)算機(jī)與單片機(jī)的通訊

計(jì)算機(jī)與單片機(jī)使用串口通訊，考慮到串口的輸出電壓高達(dá)十幾伏，而單片機(jī)正常工作電壓僅3.3 V，僅兼容5 V電壓，串口輸出為RS-232電平，而單片機(jī)為TTL電平，因此，應(yīng)在串口輸出與單片機(jī)之間加一電平轉(zhuǎn)換電路。這里采用MAX3232實(shí)現(xiàn)電平轉(zhuǎn)換，其電路圖如圖4所示。

圖4 MAX3232電平轉(zhuǎn)換電路

在設(shè)計(jì)該電平轉(zhuǎn)換電路時(shí)應(yīng)注意以下幾點(diǎn)：1）電路中的電容為0.1 μF，實(shí)際應(yīng)用中如果MAX3232的引腳2和引腳6電壓達(dá)不到要求，則可換為1 μF的電容，但使用中要注意正負(fù)極性。2）MAX3232的串口的引腳7與引腳8懸空。3）若MAX3232的引腳16接地電阻選用鉭電容，可用其正極接地，但作者經(jīng)過(guò)數(shù)次試驗(yàn)后發(fā)現(xiàn)電容發(fā)熱嚴(yán)重，故建議采用負(fù)極接地，且正極接地時(shí)若電壓過(guò)高有可能發(fā)生爆炸。

4 回正力矩的計(jì)算及模擬的實(shí)現(xiàn)

本系統(tǒng)選用直流力矩電機(jī)作為力矩輸出。直流力矩電機(jī)輸出力矩與電流的幅值成正比，所以調(diào)速系統(tǒng)的關(guān)鍵是控制電動(dòng)機(jī)電流大小。電機(jī)力矩控制采用單片機(jī)的PWM方式[5]改變電機(jī)的平均電壓，根據(jù)實(shí)際所需的電動(dòng)機(jī)力矩計(jì)算所需的占空比，從而實(shí)時(shí)控制電機(jī)。

回正力矩的計(jì)算是由上位機(jī)完成的，上位機(jī)由測(cè)得的車速及方向盤的轉(zhuǎn)角，計(jì)算出此時(shí)方向盤上受到的回正力矩。上位機(jī)將計(jì)算得的數(shù)值通過(guò)接口傳送到單片機(jī)對(duì)力矩電機(jī)進(jìn)行控制，同時(shí)力矩傳感器將電機(jī)的實(shí)際輸出力矩反饋給單片機(jī)的ADC模塊，如果實(shí)際值與計(jì)算值不符，計(jì)算機(jī)就用PID算法進(jìn)行調(diào)速，最終使輸出與計(jì)算值相一致。

為了實(shí)現(xiàn)精確控制，該文中采用位置式積分分離型PID控制算法對(duì)電機(jī)轉(zhuǎn)速進(jìn)行控制[6]。積分分離型PID控制算法與普通PID算法相比較，其優(yōu)越性體現(xiàn)在：消除電動(dòng)機(jī)力矩改變較大時(shí)造成的靜差。計(jì)算機(jī)編程實(shí)現(xiàn)積分分離型PID控制的程序框圖，如圖5所示。

圖5 積分分離PID控制算法程序框圖

從圖5中可看出，PID算法并不是一直計(jì)算，當(dāng)兩者相差比較小時(shí)，該計(jì)算無(wú)實(shí)際意義且占用過(guò)多資源，但當(dāng)偏差大于一定值時(shí)才啟動(dòng)。

采用積分分離型PID控制算法后，其控制效果比普通PID控制算法有較大的改善，由文獻(xiàn)[6]的比較圖可明顯看出?？勺冋伎毡鹊妮敵霾ㄐ稳鐖D6所示。

圖6 PWM波形

5 結(jié)論

該控制電路可控制直流力矩電機(jī)的轉(zhuǎn)速、轉(zhuǎn)向及輸出力矩，電路簡(jiǎn)單，容易實(shí)現(xiàn)[7]，結(jié)合PID控制算法實(shí)現(xiàn)電機(jī)的精確控制；該系統(tǒng)可在不改變硬件電路的情況下，通過(guò)改寫(xiě)軟件程序?qū)崿F(xiàn)多種控制[8]；為了減少控制器件與驅(qū)動(dòng)電路的干擾，電路中采用光電耦合器并加入4只磁片電容消除射頻輻射，使系統(tǒng)更安全、可靠。此控制系統(tǒng)在汽車駕駛模擬器中經(jīng)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證其輸出與實(shí)際很接近，精確度滿足模擬要求。

[1]喻 凡，林 逸.汽車系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，1992.

[2]邱緒云，唐紹豐，曹亢子.線控轉(zhuǎn)向系統(tǒng)工程路感PID控制仿真研究[J].山東交通學(xué)院學(xué)報(bào)，2008，16（12）：5-13.

[3]馬瑞卿，劉衛(wèi)國(guó).自舉式IR2110集成驅(qū)動(dòng)電路的特殊應(yīng)用[J].電力電子技術(shù)，2000（1）：31-33.

[4]譚建軍.新編電機(jī)控制專用集成電路與應(yīng)用[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2005.

[5]張紅娟，李 維.基于PIC單片機(jī)的直流電機(jī)PWM調(diào)速系統(tǒng)[J].機(jī)電工程，2005，22（2）：10-12.

[6]陶永華.新型PID控制及其應(yīng)用[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2002.

[7]Moyniban Finbarr，Kettle Paul.嵌入單片機(jī)在電機(jī)控制器中的應(yīng)用[J].電子產(chǎn)品世界，1999，（9）：65-67.

[8]馬忠梅，籍順心，張 凱，等.單片機(jī)的C語(yǔ)言應(yīng)用程序設(shè)計(jì)[M].北京：北京航空航天大學(xué)出版社，2007.