摘要：汽車駕駛模擬器以其環(huán)保性、安全性、高效性應用廣泛。但以往的汽車駕駛仿真器是以特性彈簧等作為回正力矩的生成元件，其可靠性無法保證，且模擬誤差大。提出基于單片機的直流電機控制系統(tǒng)模擬汽車行駛過程中受到的回正力矩。該系統(tǒng)中上位機實時計算出汽車受到的回正力矩，通過串口發(fā)送至單片機，單片機通過PWM(脈寬調制)控制直流電機的輸出力矩以達到模擬的目的。經實驗驗證，該系統(tǒng)能較準確模擬汽車受到的回正力矩，使得駕駛模擬器更準確地反映實際情況。
關鍵詞：汽車駕駛模擬器；回正力矩；單片機；直流電機
通過研究汽車轉向系統(tǒng)，建立汽車方向盤回正力矩的數(shù)學模型，采用一個直流力矩電機控制系統(tǒng)模擬汽車行駛時方向盤受到的回正力矩。將此系統(tǒng)應用于汽車駕駛仿真器中，電機產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，再駕駛真車進行行駛練習。隨著微電子技術的發(fā)展和微機價格下降，本系統(tǒng)將在汽車回正力矩模擬中得到廣泛應用。
1 方向盤回正力矩的計算
車輛運行過程中的各種姿態(tài)和運行狀況，參照固定在地面上的右手直角坐標系確定。一般情況下，車輛固定坐標系選擇與操縱的起始點相一致。此坐標系如圖l所示。
圖1中，O為汽車質心；a、b分別為質心到前、后軸的距離；R為汽車轉向半徑。δ為前輪轉向角?；卣氐挠嬎愎降木唧w推導過程及各參數(shù)的具體含義可參見文獻。
2 控制系統(tǒng)的組成及驅動電路接線
系統(tǒng)以C805l單片機為控制器，采用專用集成驅動器IR2110驅動MOSFET構成H橋驅動電動機，以PWM(脈沖寬度調制)控制電動機輸出力矩，以汽車速度和車輪轉角為輸入量，以電動機實際輸出力矩為反饋量，用PID控制算法實時調整電機輸出力矩。圖2為直流力矩電機控制系統(tǒng)的結構框圖。驅動電路采用2片IR2110驅動4個MOSFET構成H橋驅動電路，通過改變單片機的PWM控制電機的輸出力矩。IR2llO自舉驅動電路如圖3所示。
圖3中VQl、VQ3為P溝道MOSFET，VQ2、VQ3為N溝道MOSFET；電阻R1～R4用來保護器件不受損壞；二極管(VD1～VD4)是在MOSFET關斷時起保護作用，防止電動機的感應電流損壞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橋工作模式與電機運行狀態(tài)的關系如表1所示。
3 計算機與單片機的通訊
計算機與單片機使用串口通訊，考慮到串口的輸出電壓高達十幾伏，而單片機正常工作電壓僅3．3 V，僅兼容5 V電壓，串口輸出為RS-232電平，而單片機為TTL電平，因此，應在串口輸出與單片機之間加一電平轉換電路。這里采用MAX3232實現(xiàn)電平轉換，其電路圖如圖4所示。
在設計該電平轉換電路時應注意以下幾點：1)電路中的電容為0．1μF，實際應用中如果MAX3232的引腳2和引腳6電壓達不到要求，則可換為1μF的電容，但使用中要注意正負極性。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，但作者經過數(shù)次試驗后發(fā)現(xiàn)電容發(fā)熱嚴重，故建議采用負極接地，且正極接地時若電壓過高有可能發(fā)生爆炸。
4 回正力矩的計算及模擬的實現(xiàn)
本系統(tǒng)選用直流力矩電機作為力矩輸出。直流力矩電機輸出力矩與電流的幅值成正比，所以調速系統(tǒng)的關鍵是控制電動機電流大小。電機力矩控制采用單片機的PWM方式改變電機的平均電壓，根據(jù)實際所需的電動機力矩計算所需的占空比，從而實時控制電機。
回正力矩的計算是由上位機完成的，上位機由測得的車速及方向盤的轉角，計算出此時方向盤上受到的回正力矩。上位機將計算得的數(shù)值通過接口傳送到單片機對力矩電機進行控制，同時力矩傳感器將電機的實際輸出力矩反饋給單片機的ADC模塊，如果實際值與計算值不符，計算機就用PID算法進行調速。最終使輸出與計算值相一致。
為了實現(xiàn)精確控制，該文中采用位置式積分分離型PID控制算法對電機轉速進行控制。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：消除電動機力矩改變較大時造成的靜差。計算機編程實現(xiàn)積分分離型PID控制的程序框圖，如圖5所示。
從圖5中可看出，PID算法并不是一直計算，當兩者相差比較小時，該計算無實際意義且占用過多資源，但當偏差大于一定值時才啟動。
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，由文獻的比較圖可明顯看出。可變占空比的輸出波形如圖6所示。
5 結論
該控制電路可控制直流力矩電機的轉速、轉向及輸出力矩，電路簡單，容易實現(xiàn)，結合PID控制算法實現(xiàn)電機的精確控制；該系統(tǒng)可在不改變硬件電路的情況下，通過改寫軟件程序實現(xiàn)多種控制；為了減少控制器件與驅動電路的干擾，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實驗驗證其輸出與實際很接近，精確度滿足模擬要求。
單片機在汽車駕駛模擬器中的應用
齊振鋒 張小輝 徐漫琳 吳維鑫
(西南交通大學 電氣工程學院 四川 成都 610031)
摘要：汽車駕駛模擬器以其環(huán)保性、安全性、高效性應用廣泛。但以往的汽車駕駛仿真器是以特性彈簧等作為回正力矩的生成元件，其可靠性無法保證，且模擬誤差大。提出基于單片機的直流電機控制系統(tǒng)模擬汽車行駛過程中受到的回正力矩。該系統(tǒng)中上位機實時計算出汽車受到的回正力矩，通過串口發(fā)送至單片機，單片機通過PWM(脈寬調制)控制直流電機的輸出力矩以達到模擬的目的。經實驗驗證，該系統(tǒng)能較準確模擬汽車受到的回正力矩，使得駕駛模擬器更準確地反映實際情況。
關鍵詞：汽車駕駛模擬器；回正力矩；單片機；直流電機
通過研究汽車轉向系統(tǒng)，建立汽車方向盤回正力矩的數(shù)學模型，采用一個直流力矩電機控制系統(tǒng)模擬汽車行駛時方向盤受到的回正力矩。將此系統(tǒng)應用于汽車駕駛仿真器中，電機產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，再駕駛真車進行行駛練習。隨著微電子技術的發(fā)展和微機價格下降，本系統(tǒng)將在汽車回正力矩模擬中得到廣泛應用。
1 方向盤回正力矩的計算
車輛運行過程中的各種姿態(tài)和運行狀況，參照固定在地面上的右手直角坐標系確定。一般情況下，車輛固定坐標系選擇與操縱的起始點相一致。此坐標系如圖l所示。
圖1中，O為汽車質心；a、b分別為質心到前、后軸的距離；R為汽車轉向半徑。δ為前輪轉向角?；卣氐挠嬎愎降木唧w推導過程及各參數(shù)的具體含義可參見文獻。
2 控制系統(tǒng)的組成及驅動電路接線
系統(tǒng)以C805l單片機為控制器，采用專用集成驅動器IR2110驅動MOSFET構成H橋驅動電動機，以PWM(脈沖寬度調制)控制電動機輸出力矩，以汽車速度和車輪轉角為輸入量，以電動機實際輸出力矩為反饋量，用PID控制算法實時調整電機輸出力矩。圖2為直流力矩電機控制系統(tǒng)的結構框圖。驅動電路采用2片IR2110驅動4個MOSFET構成H橋驅動電路，通過改變單片機的PWM控制電機的輸出力矩。IR2llO自舉驅動電路如圖3所示。
圖3中VQl、VQ3為P溝道MOSFET，VQ2、VQ3為N溝道MOSFET；電阻R1～R4用來保護器件不受損壞；二極管(VD1～VD4)是在MOSFET關斷時起保護作用，防止電動機的感應電流損壞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橋工作模式與電機運行狀態(tài)的關系如表1所示。
3 計算機與單片機的通訊
計算機與單片機使用串口通訊，考慮到串口的輸出電壓高達十幾伏，而單片機正常工作電壓僅3．3 V，僅兼容5 V電壓，串口輸出為RS-232電平，而單片機為TTL電平，因此，應在串口輸出與單片機之間加一電平轉換電路。這里采用MAX3232實現(xiàn)電平轉換，其電路圖如圖4所示。
在設計該電平轉換電路時應注意以下幾點：1)電路中的電容為0．1μF，實際應用中如果MAX3232的引腳2和引腳6電壓達不到要求，則可換為1μF的電容，但使用中要注意正負極性。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，但作者經過數(shù)次試驗后發(fā)現(xiàn)電容發(fā)熱嚴重，故建議采用負極接地，且正極接地時若電壓過高有可能發(fā)生爆炸。
4 回正力矩的計算及模擬的實現(xiàn)
本系統(tǒng)選用直流力矩電機作為力矩輸出。直流力矩電機輸出力矩與電流的幅值成正比，所以調速系統(tǒng)的關鍵是控制電動機電流大小。電機力矩控制采用單片機的PWM方式改變電機的平均電壓，根據(jù)實際所需的電動機力矩計算所需的占空比，從而實時控制電機。
回正力矩的計算是由上位機完成的，上位機由測得的車速及方向盤的轉角，計算出此時方向盤上受到的回正力矩。上位機將計算得的數(shù)值通過接口傳送到單片機對力矩電機進行控制，同時力矩傳感器將電機的實際輸出力矩反饋給單片機的ADC模塊，如果實際值與計算值不符，計算機就用PID算法進行調速。最終使輸出與計算值相一致。
為了實現(xiàn)精確控制，該文中采用位置式積分分離型PID控制算法對電機轉速進行控制。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：消除電動機力矩改變較大時造成的靜差。計算機編程實現(xiàn)積分分離型PID控制的程序框圖，如圖5所示。
從圖5中可看出，PID算法并不是一直計算，當兩者相差比較小時，該計算無實際意義且占用過多資源，但當偏差大于一定值時才啟動。
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，由文獻的比較圖可明顯看出?？勺冋伎毡鹊妮敵霾ㄐ稳鐖D6所示。
5 結論
該控制電路可控制直流力矩電機的轉速、轉向及輸出力矩，電路簡單，容易實現(xiàn)，結合PID控制算法實現(xiàn)電機的精確控制；該系統(tǒng)可在不改變硬件電路的情況下，通過改寫軟件程序實現(xiàn)多種控制；為了減少控制器件與驅動電路的干擾，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實驗驗證其輸出與實際很接近，精確度滿足模擬要求。
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