單片機(jī)在汽車駕駛模擬器中的應(yīng)用

摘要：汽車駕駛模擬器以其環(huán)保性、安全性、高效性應(yīng)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(jī)的直流電機(jī)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(jī)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(jī)，單片機(jī)通過PWM(脈寬調(diào)制)控制直流電機(jī)的輸出力矩以達(dá)到模擬的目的。經(jīng)實驗驗證，該系統(tǒng)能較準(zhǔn)確模擬汽車受到的回正力矩，使得駕駛模擬器更準(zhǔn)確地反映實際情況。
關(guān)鍵詞：汽車駕駛模擬器；回正力矩；單片機(jī)；直流電機(jī)

    通過研究汽車轉(zhuǎn)向系統(tǒng)，建立汽車方向盤回正力矩的數(shù)學(xué)模型，采用一個直流力矩電機(jī)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(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算
    車輛運(yùn)行過程中的各種姿態(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l所示。

    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氐挠嬎愎降木唧w推導(dǎo)過程及各參數(shù)的具體含義可參見文獻(xiàn)。

2 控制系統(tǒng)的組成及驅(qū)動電路接線
    系統(tǒng)以C805l單片機(jī)為控制器，采用專用集成驅(qū)動器IR2110驅(qū)動MOSFET構(gòu)成H橋驅(qū)動電動機(jī)，以PWM(脈沖寬度調(diào)制)控制電動機(jī)輸出力矩，以汽車速度和車輪轉(zhuǎn)角為輸入量，以電動機(jī)實際輸出力矩為反饋量，用PID控制算法實時調(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。驅(qū)動電路采用2片IR2110驅(qū)動4個MOSFET構(gòu)成H橋驅(qū)動電路，通過改變單片機(jī)的PWM控制電機(jī)的輸出力矩。IR2llO自舉驅(qū)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(hù)器件不受損壞；二極管(VD1～VD4)是在MOSFET關(guān)斷時起保護(hù)作用，防止電動機(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。

3 計算機(jī)與單片機(jī)的通訊
    計算機(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實現(xiàn)電平轉(zhuǎn)換，其電路圖如圖4所示。

    在設(shè)計該電平轉(zhuǎn)換電路時應(yīng)注意以下幾點(diǎn)：1)電路中的電容為0．1μF，實際應(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1μF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)過數(shù)次試驗后發(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(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)鍵是控制電動機(jī)電流大小。電機(jī)力矩控制采用單片機(jī)的PWM方式改變電機(jī)的平均電壓，根據(jù)實際所需的電動機(jī)力矩計算所需的占空比，從而實時控制電機(jī)。
    回正力矩的計算是由上位機(jī)完成的，上位機(jī)由測得的車速及方向盤的轉(zhuǎn)角，計算出此時方向盤上受到的回正力矩。上位機(jī)將計算得的數(shù)值通過接口傳送到單片機(jī)對力矩電機(jī)進(jìn)行控制，同時力矩傳感器將電機(jī)的實際輸出力矩反饋給單片機(jī)的ADC模塊，如果實際值與計算值不符，計算機(jī)就用PID算法進(jìn)行調(diào)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(jī)轉(zhuǎn)速進(jìn)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(jī)力矩改變較大時造成的靜差。計算機(jī)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(dāng)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(dāng)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(xiàn)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(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，電路簡單，容易實現(xiàn)，結(jié)合PID控制算法實現(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，通過改寫軟件程序?qū)崿F(xiàn)多種控制；為了減少控制器件與驅(qū)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(jīng)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(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)

摘要：汽車駕駛模擬器以其環(huán)保性、安全性、高效性應(yīng)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(jī)的直流電機(jī)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(jī)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(jī)，單片機(jī)通過PWM(脈寬調(diào)制)控制直流電機(jī)的輸出力矩以達(dá)到模擬的目的。經(jīng)實驗驗證，該系統(tǒng)能較準(zhǔn)確模擬汽車受到的回正力矩，使得駕駛模擬器更準(zhǔn)確地反映實際情況。
關(guān)鍵詞：汽車駕駛模擬器；回正力矩；單片機(jī)；直流電機(jī)

    通過研究汽車轉(zhuǎn)向系統(tǒng)，建立汽車方向盤回正力矩的數(shù)學(xué)模型，采用一個直流力矩電機(jī)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(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算
    車輛運(yùn)行過程中的各種姿態(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l所示。

    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。回正力矩的計算公式的具體推導(dǎo)過程及各參數(shù)的具體含義可參見文獻(xiàn)。

2 控制系統(tǒng)的組成及驅(qū)動電路接線
    系統(tǒng)以C805l單片機(jī)為控制器，采用專用集成驅(qū)動器IR2110驅(qū)動MOSFET構(gòu)成H橋驅(qū)動電動機(jī)，以PWM(脈沖寬度調(diào)制)控制電動機(jī)輸出力矩，以汽車速度和車輪轉(zhuǎn)角為輸入量，以電動機(jī)實際輸出力矩為反饋量，用PID控制算法實時調(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。驅(qū)動電路采用2片IR2110驅(qū)動4個MOSFET構(gòu)成H橋驅(qū)動電路，通過改變單片機(jī)的PWM控制電機(jī)的輸出力矩。IR2llO自舉驅(qū)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(hù)器件不受損壞；二極管(VD1～VD4)是在MOSFET關(guān)斷時起保護(hù)作用，防止電動機(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。

3 計算機(jī)與單片機(jī)的通訊
    計算機(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實現(xiàn)電平轉(zhuǎn)換，其電路圖如圖4所示。

    在設(shè)計該電平轉(zhuǎn)換電路時應(yīng)注意以下幾點(diǎn)：1)電路中的電容為0．1μF，實際應(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1μF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)過數(shù)次試驗后發(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(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)鍵是控制電動機(jī)電流大小。電機(jī)力矩控制采用單片機(jī)的PWM方式改變電機(jī)的平均電壓，根據(jù)實際所需的電動機(jī)力矩計算所需的占空比，從而實時控制電機(jī)。
    回正力矩的計算是由上位機(jī)完成的，上位機(jī)由測得的車速及方向盤的轉(zhuǎn)角，計算出此時方向盤上受到的回正力矩。上位機(jī)將計算得的數(shù)值通過接口傳送到單片機(jī)對力矩電機(jī)進(jìn)行控制，同時力矩傳感器將電機(jī)的實際輸出力矩反饋給單片機(jī)的ADC模塊，如果實際值與計算值不符，計算機(jī)就用PID算法進(jìn)行調(diào)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(jī)轉(zhuǎn)速進(jìn)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(jī)力矩改變較大時造成的靜差。計算機(jī)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(dāng)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(dāng)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(xiàn)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(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，電路簡單，容易實現(xiàn)，結(jié)合PID控制算法實現(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，通過改寫軟件程序?qū)崿F(xiàn)多種控制；為了減少控制器件與驅(qū)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(jīng)實驗驗證其輸出與實際很接近，精確度滿足模擬要求。