（机械电子工程专业论文）基于dsp的四轮转向控制系统研究.pdf

摘要 四轮转向技术作为改善操纵技术稳定性的主要手段之一，它直接影响着转向 的准确性和精度。本文针对四轮转向系统的工作原理、转向要求、控制方法以及 采取的控制方案进行了比较全面的分析和研究，采用d s p 作为数字控制器的核心 器件完成了控制器的硬件设计，利用了c c 2 0 0 0 软件完成控制器的软件设计。在 实现四轮转向系统的前轮转向、全轮转向以及斜行转向等功能的基础上，重点讨 论转向系统在转向过程中，如何保证左右两侧转向轮转角的转向关系，同时为了 保证转向的实时性与转角的精度，采用了带p i d 算法的闭坏控制方法，并且利用 m a t l a b 软件对p i d 参数进行了优化，最后通过实验对控制器的功能及控制性能 进行检验，并进行了改进。 关键词：四轮转向系统转向控制数字控制器 d s pc c 2 0 0 0 p i d 算法t l a b 仿真 a b s t r a c t a so n eo ft h em a i nm e t h o d so fi m p r o v i n gt h ec o n t r o l l i n gs t a b i l i t y , t h et e c h n o l o g y o ff o u r - w h e e l - s t e e r i n g ( f w s ) h a sd i r e c t l ya f f e c t e dt h e v e r a c i t ya n dp r e c i s i o no f s t e e r i n gt h i st h e s i sh a sac o m p r e h e n s i v ea n a l y z ea n ds t u d yo nt h ew o r k i n gp r i n c i p l e s ， s t e e r i n gr e q u i r e m e n t s ，c o n t r o l l i n gm e t h o d sa n dc o n t r o l l i n gs c h e m eo ft h es y s t e mo f f w s a l s ot h i st h e s i sa c c o m p l i s h e st h eh a r d w a r ed e s i g no ft h ec o n t r o l l i n gs y s t e m u t i l i z i n gd s pa n dt h es o f t w a r eu t i l i z i n gc c 2 0 0 0s o f t w a r eo nt h eb a s eo fr e a l i z i n gt h e s t e e r i n go ff r o n t w h e e l ，s t e e r i n go ff o u r - w h e e la n ds t e e r i n go fc r a b c r a w l ，t h i sp a p e r p u t sg r e a te m p h a s i so na s s u r i n gt h es t e e r i n gr e l a t i o nb e t w e e nt h ew h e e l so nt h et w o s i d e s a tt h es a r n et i m e ，w eu s ec l o s e d l o o pc o n t r o l l i n gm e t h o do fp i di no r d e rt o a s s u r et h er e a l t i m ec o n t r o l l i n ga n dp r e c i s i o no fs t e e r i n g i ta l s oo p t i m i z e st h e p i d p a r a m e t e rb y m a t l a b s o f t w a r e f i n a l l y , t h ef u n c t i o na n dp r o p e r t yo ft h e c o n t r o l l e ri sv e r i f i e da n da d j u s t e db ye x p e r i m e n t k e y w o r d s ：f o u r - w h e e l - s t e e r i n gs y s t e mc o n t r o l l i n go fs t e e r i n g d i g i t a lc o n t r o l l e r d s pc c 2 0 0 0 p 1 da r i t h m e t i cm 口i a bs i m u 】a t i o n 2 长安大学顽士学位论文 第一章绪论 1 1 课题提出的背景p e l 1 羽瞄习 自2 0 世纪3 0 年代，第个四轮转向专利在日本被批准后，四轮转向技术就 引起了研究人员的关注。起初人们关心的是四轮转向对车辆灵活性的改善作用， 在原有车辆基础上加装四轮转向系统可以使车辆的转弯半径很小。随着车辆动态 稳定性技术和底盘技术的发展，研究人员逐步发现，四轮转向技术对车辆的动态 稳定性具有明显的改善作用，于是四轮转向作为一种新型的主动安全技术进入了 实用化阶段。 四轮转向的主要优点是：高速时采用同相位转向能够改善车辆的操作稳定 性；低速时采用逆相位转向能够减小车辆的转弯半径，使车辆行驶更加灵活。于 是从f 1 本政府颁发的第一个关于四轮转向的专利证书，到上个世纪七十年代末， 四轮转向技术开始受到重视，八十年代中后期，四轮转向技术已经取得了可喜的 成绩。】9 8 5 年日本汽车公司推出了世界上第一套用于轿车的四轮转向系统，并 把它命名为“高性能主动悬挂( h i g h c a p a c i t y a c t i v i t y c o n t r o l l e ds u s p e n s i o n ) ”， 简称h i c a s 。进入上世纪九十年代，随着电子工业的发展，使得电子技术广泛 应用于提高车辆的总体性能上，尤其是改善车辆操纵稳定性方面，加上现代控制 理论的融入，计算机仿真技术在车辆操纵稳定性分析领域的应用，使得四轮转向 技术更加成熟。到目前为止，四轮转向技术已经成为改善操纵技术稳定性的主要 手段之一。 目前，四轮转向技术已经广泛应用于工程机械车辆。由于工程机械车辆工作 场地狭窄，要求转弯半径小，机动灵活，而且工程机械车辆上大多采用的是液压 控制系统，这样使得控制变得方便、安全、转向性能稳定。从目前现状看来，进 口的工程机械采用四轮转向技术屡见不鲜，可是国内对这一技术的研究几乎还处 于空白。基于对工程机械转向系统的基本要求，同时兼顾经济性和实用性的要求， 设计并研究四轮转向控制系统有着极其现实的意义。 1 2 国内外四轮转向控制系统的研究发展现状伫2 】【3 1 1 四轮转向系统按照其结构可以分为：机械式、液压式、电动式和复合式。而 目前所研究的四轮转向控制系统有以下几种。 长安大学硕士学位论文 l 、前后轮转向比四轮转向系统 1 9 8 5 年s a n o 等用线性模型来研究四轮转向系统。他们定义k 为前后轮转向 角度之比。k 0 ，则前后轮偏转方向相同。他们认为通过k 值的选择应使稳态转 向时侧偏角为零。在低速时应k 0 。 2 、前后轮转向比是前轮转向函数的四轮转向系统 这是一种结构简单而且效果良好的系统。该系统同时具有同相位及反相位 转向功能。其前后轮转角关系如图l - 1 所 示：这种四轮转向系统在极限工况下 高速且前轮转角较大时，后轮转角和前轮 兰 转角方向相反一一将导致操作稳定性极 耋 度恶化。而且，当前轮转角较小时前后轮 转向比较大，车辆的操作稳定性受到很大 t 牲备，1 的影响。鉴于这一缺点，该系统没有得到 广泛应用。图1 - 1 前后轮转角关系 3 、前后轮转向比是车速函数的四轮转向系统 这是s h i b a h a t a 等设计了一套实用的四轮转向系统。该系统采用微机控制， 前后轮转向比为车速和前轮转角的函数。其计算前后轮转向比的出发点是为了使 车辆稳态转向时的侧偏角为零。 同样，t a k i g u c h 等也设计了一套类似的四轮转向系统，前后轮转向比也是车 速和前轮转角的函数。其设计的出发点是使侧向加速度相位滞后与横摆角速度相 位滞后相等。实验表明，通过这种方法选择的k 值能够基本在所有的车速范围 内，改善车辆的转向响应。 4 、具有一阶滞后的四轮转向系统 这是f u k a n a g a 等在实验的基础上设计出的四轮转向系统。前几种4 w s 系统 可以有效地改善车辆转向的稳态特性，但却使横摆角速度和侧向角速度达到稳态 值的时间有所延长。这种系统设计的出发点是为了既改善车辆的稳态特性又不 以牺牲瞬态时间响应为代价。当车辆高速转向时，后轮比前轮在转向时要延迟 定的时间，当横摆角速度或者侧向加速度达到稳态值，后轮才开始转动。后轮转 动时车辆的稳态侧偏角减小，并对其超调量等瞬态特性也有一定的改进。前面提 到的h i c a s 四轮转向系统就属于这种系统。 5 、具有反向特性的四轮转向系统 长安大学硕士学位论文 n i s s a n 公司的t a k a a k ie g u c h i 等在设计超h i c a s 系统时对具有反向特性四 轮转向系统进行了研究，其设计的着眼点在于同时改善车辆转向的稳态特性及瞬 态特性。当车辆在高速转向时，后轮先向与前轮转向方向相反的方向转动，这样 横摆角速度和侧向加速度动态响应加快，二者很快达到稳态值，这样两轮再向相 反的方向转动，以改善车辆的稳态响应特性和方向特性。 6 、具有最优控制特性的四轮转向系统 上述5 种控制方法明显的缺点在于当附加了后轮转角之后，车辆本身的横摆 角速度稳态增益和侧向加速度增益，随车速和前轮转角发生了较大幅度的变化 ( 前后轮转向同相时，横摆角速度稳态增益和侧向加速度稳态增益减小，前后轮 转向角反向时，横摆角速度稳态增益和侧向加速度稳态增益增大) ，这就增加了 操作的难度，同时在高速的时候增加了驾驶员的疲劳强度。 其中最为典型的是y a s u j is h i b a h a t a 等研究的具有最优控制特性的四轮转向 系统，其原理图如图1 2 所示： t 入 图1 2 具有最优控制特性的四轮转向控制系统原理图 该系统采用最优控制原则对前后轮进行控制，其目标函数为车辆转向的理想 状态，即横摆角速度的稳态增益和侧向加速度的稳态增益与传统的前轮转向相 同，也就是要保持驾驶员的驾驶感觉不发生较大的变化。同时使横摆角速度和侧 向加速度的相位滞后为零，且使二者的幅频特性在相当大的范围内保持恒定。但 这种控制方法使车辆的转向特性随着车速的变化而发生较明显的变化，这就使该 系统的应用形成一定的困难。 前面的几种控制方法，都是采用古典控制理论，其局限性在于这些系统不能 较好的适应车辆本身特性的非线性或者随机性变化，不能适应车辆道路系统特 性的线性或者随机性变化。而把四轮转向系统应用到工程机械领域，既要考虑到 转向车辆本身的特殊性，又要考虑到工程机械作业环境以及作业功能的特殊性， 要在这样的条件下实现更为有效的控制，控制系统应具有自学习、自适应能力， 即随着被控对象的变化而改变控制器的结构和参数，改变控制规律改变控制算 长安大学硕士学位论文 法，这样一个四轮转向控制系统才能满足各方面的要求。 1 3 本课题研究的意义1 5 1 【3 田p 司 纵观工程机械的发展，在技术上大致经历了三次革命：柴油机的出现、液压 技术的广泛应用以及电子技术，尤其是计算机技术的广泛应用。要使工程机械高 效节能，就要对发动机和传动系统进行控制，合理分配功率，使其处于最佳工况； 为了减轻驾驶员劳动强度和改善操纵性能，需要采用自动控制，实现工程机械自 动化：要完成高技能的作业，就需要智能化：为了提高安全性，需要安全控制， 进行运行状态监视，故障自动报警：随着建设领域的扩展，为了避免人员到达无 法及不易接近的场所及作业环境十分恶劣的地方去作业，需要采用远距离遥控和 无人驾驶技术。这一切都说明了工程机械当前的主要问题是控制问题。要解决控 制问题，必须引入具有良好控制性能和信息处理能力的电子技术、传感器技术和 电液控制技术以及相应的软件控制技术为一体的先进的控制系统。 基于四轮转向的发展方向，目前国内外的公司对于四轮转向机构的控制主要 采用的是数字控制，这是鉴于数字控制的很多优点：程序化控制，控制器按照所 设计的控制规律进行运算和数字信息的处理，主要通过程序( 即软件) 来实现， 若改变控制规律只需改变软件，而不必改变系统的硬件结构；控制精度高，在模 拟控制系统中，控制器的精度由元件的精度而定，数字控制器精度由字长决定； 稳定性好；软件复用，在模拟系统中，需用相同的硬件环境实现，数字控制器是 程序控制，只需要设计和编写实现其模型的子程序模块，即可方便地实现多个功 能的环节。 目前各个厂家大多采用的是p l c 、单片机应用于四轮转向控制系统中，功能 基本能够实现，相比之下，国外s a u e r s u n d s t r a n d 公司采用的d c 2 控制器就显 得功能更加齐全及完善，可是，由于是国外产品，进口要花费太多的外汇，经济 性是个不可忽视的问题。于是，选择一个功能强大，指令执行速度快，可靠性强， 而且程序的移植性强，所需的外部器件少，大大降低控制器的成本的控制器，并 且在它的基础上进行控制系统的研究和设计有着极其现实的意义。 1 4 本文研究的主要内容 四轮转向控制系统的输出主要用于控制电磁阀的流量，以驱动转向液压缸， 以达到控制四轮转向的目的。而且在每一种转向模式下，都必须保证在转向的过 长安大学硕士学位论文 程中，两侧车轮的转角满足要求的转向关系。因此，确定合适的控制方案对保证 两侧车轮的转角关系尤为重要。同时程序化设计中的控制理论和控制算法是解决 转向问题的关键，综合各方面的指标和转向系统的性能要求，选择合适的控制器 以及控制算法，设计出满足系统性能要求的四轮转向控制系统，本课题主要做了 以下工作： 1 、收集和整理与国内外四轮转向控制研究现状相关的资料，分析四轮转向 系统的控制方式； 2 、针对转向系统的性能要求提出具体的控制模式和控制方案，选择合适的 数字控制器； 3 、研究转向控制技术，选择合适的控制算法，实现四轮转向机构的前轮转 向、全轮转向、斜行转向三种模式的转向操作，开机后系统自检、故障排除，以 及转向过程中故障显示与诊断，达到室内模拟以及作业工况下的转向控制： 4 、完成数字控制器的硬件设计； 5 、完成数字控制器的软件设计； 6 、进行相关的仿真及实验研究。 长安大学硕士学位论文 第二章四轮转向控制方案研究 2 1 转向方式分析与要求嗍 2 1 1 转向方式分析 四轮转向车辆可以工作在三种模式下：前轮转向、全轮转向、以及斜行转向。 这可以根据具体的路况和工况来进行选择。 l 、前轮转向：它是一种常用的转向方式，此时，前外轮的弯道行驶半径大， 驾驶员易于用前外轮是否避过障碍来估计整机的行驶路线。 2 、全轮转向：即前后轮同时偏转的转向方式，往往用于对机动性有特殊 要求或机架特别长的机械。此时，前后轮的偏转方向相反。 3 、斜行转向：即前后轮偏转方向相同的一种转向方式。斜行时，能从斜向 靠近或者离开作业面。而且在斜坡上斜行作业时，能提高其横向稳定性。 这三种模式下的转向可以细分为：前轮转向( 包括左转和右转) 、全轮转向 ( 包括左转和右转) 以及斜行转向( 包括左转和右转) 。其转向示意图如下所示。 离翁 ( a ) 前轮左转 ( b ) 前轮右转( c ) 全轮左转( d ) 全轮右转( c ) 斜行左转( d 斜行右转 图2 - l 转向示意图 2 1 2 转向系统的要求 四轮转向车辆在执行各种模式下的转向任务时，尽管原理很简单，可是必须 考虑一些实际的转向问题： 1 、转向时各车轮必须作纯滚动而无侧向滑动，否则将会增加转向阻力，加 速轮胎磨损。如图2 2 所示，只有当所有车轮的轴线在转向过程中都交于一点o 时，各车轮才能作纯滚动，此速度瞬时中心o 就称为转动中心，显然两转向轮 偏转角度不等，且内外轮转角应满足下列关系： c t g 。2 ( m + n ) l c t g b = n l c t go - c t g b = m l 式中：m 一两侧主销中心距离( 略小于转向轮转距) ： 6 长安大学硕士学位论文 n 一内侧主销与速度瞬时中心的垂直距离； l 一前后轮轴距。 l 图2 - 2 车轮转向原理图 2 、操作轻便，转向时作用在方向盘上的操纵力要小。 3 、转向灵敏，方向盘转动的圈数不宜过多，以保证转向灵敏。为了同时满 足操纵轻便和转向灵敏的要求，通常是方向盘单侧转角一般不大于2 2 5 圈，而 方向盘的最大转速一般为每秒1 1 5 圈。所以在设计转向时间的时候选择单侧的 晟大转向时间是1 5 秒。 2 1 3 四轮转向电液控制原理证钉 如图2 3 1 所示为四轮转向系统的电液控制原理图： 1 、2 、3 、4 吾轮转向缸5 、6 、7 、8 流量控制伺服阀9 、1 1 油计1 0 单向阔 1 2 、1 4 细滤器1 3 溢流阎1 5 电动机1 6 液压象1 7 温度计18 粗滤器1 9 冷却器 图2 - 3电液控制原理图 其工作原理为：当方向盘偏转后，转向信号经过控制器分析计算，判断给出 的偏转方向以及偏转角度，然后输出所需要的占空比p w m 信号到电磁阀，控制 阀的开口大小。同时，由定量泵给系统供油，通过控制电磁阀的开口大小以控制 转向液压缸的流量和压力，从而实现各个转向轮的偏转角度的控制。而且，该系 统采用并联连接，四个车轮的转向可以独立控制。 长安大学硕士学位论文 2 2 转向系统控制方案研究 2 2 1 转向控制系统的基本功能 因为四轮转向车辆，在各种转向模式下必须保证两侧转向轮的转向关系，在 转向过程中系统必须采用闭环控制。一般说来，该系统应具备以下基本功能： l 、具备三种工作模式：前轮转向、全轮转向和斜行转向，能够进行模式切 换，并能保证模式切换时过渡平稳。 2 、具有开机自检功能，当有不台系统要求的情况发生时，能够检查出错误 的位置所在，并将相应的错误代码显示出来，以便操作人员及时检查并排除错误。 3 、应有紧急制动功能，即当有错误发生时，如转角超出最大转角范围，或 者超出所要求的转角，应能紧急制动进行错误检查和排除操作。 4 、在转向过程中，应考虑到在模式切换时系统的回正功能。也就是说，从 一个模式切换到另外一个模式的过程中，系统应该从初始转向状态回正到直线行 驶的状态，经过回正过程后各个车轮应该处在零转角的位置，方向盘应该处于中 位，然后才能进行另外一种模式下的转向操作。 2 2 2 转向系统控制方案 如图2 - 4 所示为转向系统的总体控制框架，系统的输入输出信号主要是由控 制器进行分析处理的。 根据转向系统的基本要求，控制方案的实现包括基本功能的控制方案和其他 功能的控制方案两部分，其中如图2 5 所示为基本功能的控制方案图，其他功能 的控制方案包括串行通信和c a n b u s 总线接口等。从图2 5 所示的转向系统控 制方案示意图可知：控制器的核心就是控制比例电磁阀的开口大小以及通电时 间。由图可知，该系统总共有四个比例电磁阀，每一个电磁阀控制一个液压缸， 而每一个电磁阀上有两个独立的电磁铁，这两个电磁铁的通断就决定了液压缸执 行的操作是前进还是后退。例如在前轮左转向过程中，由于是左转，那么左侧的 液压缸应该是后退，右侧的液压缸应该是前进，后两轮的液压缸应该是处于中位。 同理，将八个电磁铁y 、y 。：、y ：，、y ：。、y 。y 。：、y 。和y 。进行合理组合，就能 完成三种转向模式下的左右转向。 控制方案中还设置了三个转向模式开关k ，、k 2 、k 。，用于在作业过程选择需 要的转向模式。k ，为模拟方向盘的电位计，在选择一个模式后，需要哪种方向的 转向以及需要转向多大角度，都由方向盘来控制。由于在转向过程中，要时刻保 证两侧的转向轮的转向关系，所以这个系统设计成闭环控制，可以通过四个转向 长安大学硕士学位论文 轮上的霍尔效应传感器反馈回来的实时转角信号，和方向盘的实际转角信号进行 比较，通过算法进行校正，以保证转向精度。 臣畸 图2 - 4 转向总体控制图 图2 - 5 转向控制方案 9 长安大学硕士学位论文 2 3 转向系统控制器的研究与选择 2 3 1 数字控制器的基本功能。印 在工程应用上，过去控制大多是由模拟电路组成的控制系统，参数之间的关 联加权、模糊处理，几乎是无法实现的，当以微处理器为核心的数字控制系统介 入后，情况变得简单多了，通过方向盘的转向和转角作为输入，数字化控制器依 照内置的程序，综合最基本的参数，产生最理想的输出使四轮转向机构按照最 优化的方式运行，严格控制了转向的精度，这在采用了数字化控制技术后才得以 更加精确的实现。 而且，在工程应用过程中，数字控制器的一些显著功能也使得它的应用越来 越广泛。这些功能有： l 、故障诊断的功能：随着2 0 世纪3 0 年代以来液压技术的广泛应用，以及 6 0 年代故障诊断技术的出现，故障诊断技术在液压系统中的应用得到了很快地 发展。由简易诊断技术发展到了计算机故障诊断技术。简易诊断技术又称主观诊 断法，它是基于故障诊断人员的看、听、摸、闻、问等主观因素较强的基础上对 液压系统故障进行诊断。利用故障测试仪对液压系统进行诊断时，必须事先连接 到被测试部位，诊断工作较繁琐。计算机故障诊断技术是在电子技术和计算机技 术发展的基础上所出现的，又称客观诊断法，能较准确且定量地对系统中某处运 行状态进行监测。计算机故障诊断技术可以在线实时地了解系统的运行状况判 断故障出现的部位和原因，并能在一定程度上预测液压系统未来的工作性能。从 四轮转向机构转向系统的传动线路上来分析，即由发动机经分动箱带动定量泵， 再经四个三位四通电磁阀，再去控制四个转向油缸，油缸再去驱动控制四轮转向 的转向轴。这是一个比较复杂的传递过程，包括了机械、液压和控制三个部分， 这使得故障检测和诊断的地位逐步提高。随着现代技术的飞速发展，智能化水平 的提高，故障检测和故障诊断已经成为智能化系统的基本要求。 2 、显示的功能：为了简化操作，人机合一，使操作人员实时掌握系统的工 作状态，数字式控制器不仅要反映系统的基本功能，而且应具备良好的人机界面 和交互方式。显示功能主要包括：开机后的系统自检信息显示，如不正常就显示 相应的错误代码，正常就显示0 k ，以及在车轮偏转的过程中，错误发生时的错 误代码显示。这样一来，友好的人机交互式界面使显示功能更加完善。 3 、通信的功能：四轮转向系统作为目前各大厂家热门研究的控制技术，为 了实现预期的功能和效果，真正完美的四轮转向数字化控制系统，应该可以以微 长安大学硕士学位论文 处理器为核心，通过一些基本参数的输入，数字控制器按照内置的程序，综合最 基本的参数，产生最理想的输出，将相互独立的各功能部分有机的结合在一起， 实现了系统之间的协调和优化。转向系统数字控制器应该满足其与主控制器之间 的数据通信( c a n 总线接口，r s 4 8 5 2 3 2 通信接口) ，实现参数的修改功能。 随着机、电、液、信息技术的高度发展，数字化控制融入工程车辆，已经有 了软硬件基础，在性能上、人机交互界面、作业精度及效率上，都有了质的变化。 传统的模拟控制技术正在一天天的被数字技术所代替，筑路机械无可选择的进 入了数字化控制的时代，使各种功能发挥的尽善尽美。 2 3 2 数字控制器的选择”1 转向主控制器的选择是转向控制方案的一个重要环节，它直接影响到转向控 制系统的性能。满足四轮转向机构使用功能要求的主控制器的选择范围有可编程 控制器( p l c ) 、高性能单片机、工控机以及数字信号处理( d s p ) 等，这四种形 式各有优缺点。 l 、可编程控制器( p l c ) ：p l c 是专门为顺序生产过程而设计的控制器，它 替代传统的继电器，具有很强的时序性。抗干扰能力强，因为p l c 是专门用于工 业现场环境，在抗干扰能力方面优越于单片机系统。而且p l c 的输出形式为数字 脉冲形式，与电磁阀连接容易，可以通过开关量输出组件输出电平信号省去d a 转换，直接驱动电磁阀、电磁继电器和电磁开关等；同时可以节省大量外围驱动 电路。但是，p l c 难以完成某些控制，因为p l c 是一种时序性很强的步序式控制 器，所以其计算能力不是很强，这就限制了一些控制方案的实现。虽然最近也出 现了些具有较强计算能力的p l c ，但其本质并没有脱离原来的特点，仍然是基 于循环扫描和程序执行的方式，往往影响计算速度。 2 、单片机：在目前的应用研究中，较易实现数字控制的方案是使用单片机 来实现其功能，尤其是新型的8 位，l 6 位单片机具有a d 、p w m 、e e p r o m 、比较 输出、捕捉输入、s p i 接口、异步串行通讯接口、f l a s h 程序存储器等功能。单 片机成本低，易开发，虽然单片机价格不断下降，但其技术含量却不断提高。另 外，单片机的应用己相当广泛，有许多可以借鉴的成功应用范例与大量的公用程 序。尺寸小，结构易布置，由于单片机及其外围接口电路可以紧凑地放在一块印 刷电路板上，这就为控制器的面板设计带来方便，面板形状与大小都可以在一定 程度上随意设计。对于一些比较复杂的控制，其计算量往往很大，这样，计算速 度将直接影响控制精度，一般用于下位机和小型控制；与此同时，单片机易受外 长安大学硕士学位论文 界干扰，单片机系统属于弱电系统， 甚至也容易受恶劣工作环境的影响， 比较容易受到强电、磁场、电脉冲的影响， 所以必须采取抗干扰措施。 3 、工控机：相对于单片机和p l c 来说功能灵活，结构复杂，它集单片机与 p l c 优点于一体，具有很强的控制功能。工控机成本高，系统结构复杂，若和其 它控制系统联合使用，不仅会降低成本，而且会协调控制系统的工作，采用先进 的控制模式，能够实现整个四轮控制的智能化。编程容易、接口简单，可以采用 高级语言编程，设计友好的工作界面、利用计算机强大的计算功能，编制复杂的 软件：另外，其接口都是标准接口，易于与各系统之间进行通讯与连接。工业控 制有强大的计算、管理及通讯功能，适宜于高性能进行机群调度和管理适合形成 网络控制系统的上位机。 4 、数字信号处理器( d s p ) ：具有典型的数字信号处理能力的d s p 芯片普遍 采用了数据总线和程序总线分离的哈佛结构及改进的哈佛结构，采用流水技术， 即每条指令都由片内多个功能单元分别完成取指、译码、取数和执行等多个步骤， 从而在不提高时钟频率的条件下减少每条指令的执行时间；d s p 芯片内有多条总 线可以同时进行取指令和多个数据存取操作，并且有辅助寄存器用于寻址，它们 可以在寻址访问前或访问后自动修改内容，以指向下一个要访问的地址；d s p 芯 片大多带有d m a 通道控制器和串行通信口等，配合片内总线结构，数据块传送速 度大大提高；d s p 芯片配有中断处理器和定时控制器，可以方便地构成一个小规 模系统：具有软、硬件等待功能，能与各种存取器接口：针对滤波、相关和矩阵 运算等需要大量乘法累加运算的特点，d s p 芯片大多配有独立的乘法器和加法器， 使得在同一时钟周期内可以完成乘、累加两个运算；低功耗，一般为0 5 4 w ， 而采用低功耗技术的d s p 芯片只有0 1 w ，可用电池供电，节能；驱动电流小， 驱动电磁阀需要外加外围电路。 虽然工控机具有超过1 0 0 0 m h z 的工作频率，非常完善的开发手段，非常丰富 的软件支持，在这些方面，d s p 是无法与之相比的。但是，工控机并非针对实时 信号处理而设计，其数据输入输出能力相对于其处理能力要低得多，其响应速 度或者响应延迟不能满足实时处理要求。在相同的工作频率下，工控机进行乘积、 f f t 、编解码等常用数字信号处理的速度要比d s p 低得多。工控机本身结构复杂， 功耗多、价格较高。 d s p 虽然比单片机的推出时间稍晚，但其复杂度、性能要比单片机高的多。 以简单的性能指标m i p s 为例，单片机为1 i o m i p s ，d s p 为3 0 2 0 0m i p s 。单 片机只有单总线，且片外地址线、数据线复用：而d s p 片内有多总线，片外的地 长安大学硕士学位论文 址、数据总线分开，还有比异步串口速度高的多的同步串行或通信口，因此，数 据输入输出能力很强。d s p 数据位宽、乘法器位宽也比单片机大，进行数字信 号处理时不仅速度快，精度也高，但单片机控制接口种类比d s p 多，两者的软件 设计比较类似。在成本上，d s p 价格比单片机高。 通过以上比较和分析，选择价格适中，信号处理能相对较强的数字信号处理 器( d s p ) 作为主控制器。 2 4d s p 的选择 2 4 1d s p 的发展历程及功能简介嫡7 1 d s p 发展历程大致分为三个阶段：7 0 年代理论先行，8 0 年代产品普及，9 0 年代突飞猛进。在d s p 出现之前数字信号处理只能依靠m p u ( 微处理器) 来完成， 直到7 0 年代，有人才提出了d s p 的理论和算法基础。1 9 8 2 年世界上诞生了首枚 d s p 芯片。这种d s p 器件采用微米工艺n m o s 技术制作，虽功耗和尺寸稍大，但 运算速度却比m p u 快了几十倍。d s p 芯片的问世是个里程碑，它标志着d s p 应用 系统由大型系统向小型化迈进了一大步i 至8 0 年代中期，随着c m o s 技术的进步 与发展，第二代基于c m o s 工艺的d s p 芯片应运而生，其存储容量和运算速度都 得到成倍提高。8 0 年代后期，第三代d s p 芯片问世，运算速度进一步提高，其 应用于范围逐步扩大。9 0 年代d s p 发展最快，系统集成度更高，将d s p 芯核及 外围元件综合集成在单一芯片上。这种集成度极高的d s p 芯片不仅在通信、计算 机领域大显身手，而且逐渐渗透到人们日常消费领域。 d s p ( o i g i t a ls i g n a lp r o c e s s o r ，数字信号处理器) 是新世纪数字化革命的 核心。它是一种独特的微处理器，它不仅具有可编程性，而且其实时运行速度远 远超过通用微处理器。它的强大数据处理能力和高运行速度，是最值得称道的两 大特色。d s p 芯片是一种特别适合进行数字信号处理的微处理器。它强调运算处 理的实时性，因此除了具备普通微处理器所强调的高速运算和控制功能外，主要 针对实时数字信号处理，在处理器结构、指令系统和数据流程上做了很大的改动。 它与模拟信号处理相比，它具有灵活、精确、可靠性好、体积小、功耗低和易于 大规模集成等优点。 从用途上可以把d s p 芯片分为通用型和专用型；按数据格式可以把d s p 芯 片分为定点型、浮点型和多处理器型。面对d s p 的巨大市场和广阔的发展前景， 世界上几个大的半导体公司都在d s p 上展开竞争，如a d 、a t t 、m o t o r o l a 、 长安大学磺士学位论文 n e c 和1 r i 等公司都在全力开发和生产d s p 芯片。从理论上讲，浮点d s p 的动 态范围比定点d s p 大，且更适合于d s p 的应用场合，但定点运算的d s p 器件的 成本较低，对存储器的要求也较低，而且耗电量小。因此，定点运算的可编程 d s p 器件仍然是当前市场上的主流产品。t i 公司是最有影响力的d s p 芯片生产 厂家之一。 设计d s p 系统，必须选择合适的d s p 芯片至关重要。一般说来，选择d s p 芯片时应考虑一下几个因素：( 1 ) d s p 芯片的运算速度。主要的性能指标有：指 令周期、m a c 时间、f f t 执行时间、m i p s 等；( 2 ) d s p 芯片的价格；( 3 ) d s p 芯片的硬件资源；( 4 ) d s p 芯片的运算精度：( 5 ) d s p 芯片的开发工具；( 6 ) d s p 芯片的功耗等。 综合以上因素，考虑到四轮转向系统的特点及要求，本课题选择t i 公司的 定点t m s 3 2 0 l f 2 4 0 7 芯片作为控制器的核心处理器。 2 4 2t m s 3 2 0 l f 2 4 0 7 功能简介哺删 t m s 3 2 0 l f 2 4 0 7 芯片的结构特点： l 、哈佛总线结构，程序与数据存储空间分开具有独立的地址总线和数据 总线，取指令和读数可以同时进行，3 0 m i p s 的执行速度使得指令周期缩短到 3 3 n s ，从而提高了控制器的实对控制能力。 2 、采用高性能静态c m o s 技术，供电电压降为3 3 v ，减小了功耗。 3 、片内有3 2 k 的f l a s h 程序存储器，高达i 5 k 字的数据程序r a m ，5 4 4 字 的双口r a m ( d a r a m ) 和2 k 字的单口r a m ( s a r a m ) ，可扩展的外部存储器总共1 9 2 k ： 6 4 k 字程序存储器：6 4 k 字数据存储器：6 4 k 字i o 寻址空间。 4 、两个事件管理模块e v a 和e v b ，每个包括：两个1 6 位通用定时器；8 个 1 6 位的p 州通道：三个捕获单元；片内光电编码器接口电路：芯片还集成有1 6 个通道的l o 位a d 转换器，在5 0 0 n s 的时间内对模拟信号作变换。 5 、控制局域网络( c a n ) 2 0 b 模块；串行通信接口( s c i ) 模块；1 6 位的串 行外设( s p i ) 接口模块。 6 、高达4 0 个可单独编程或者复用的通用输入输出引脚( g p i o ) 。 7 、看门狗定时器模块( w d t ) 。 8 、5 个外部中断( 电机驱动保护、复位和两个可屏蔽中断) 。 9 、电源管理包括3 种低功耗模式，并且能独立将外设器件转入低功耗模式。 1 0 、基于锁相环( p l l ) 的时钟发生器，通过倍频或分频技术的应用，给控 1 4 长安大学硕士学位论文 制器各个模块提供不同频率的时钟，保证系统的协调工作。 1 1 、l f 2 4 0 7 系统采用流水线操作( 如图2 6 ) ，具有四个独立的阶段：取指 令、指令译码、取操作数以及指令执行，由于这些操作是独立的，可以重叠，这 就大大提高了指令的执行速度。 时钟 取指令 指令译码 取操作数 指令执行 2 5 本章小结 图2 - 64 级流水线操作图 本章的主要内容是四轮转向控制系统分析，归纳为以下几点： l 、针对本课题研究的四轮转向系统，对其三种转向模式进行了分析，并考 虑到四轮转向系统转向的特殊性，对转向系统提出要求，同时针对具体的四轮转 向模拟台，分析其电液系统及转向原理。 2 、提出了控制系统应具备的基本功能，设计出相应的控制方案。 3 、为了实现控制系统的功能，选择采用数字控制，进而分析了数字控制器 的几大功能：故障诊断、显示、通信等。 4 、通过比较单片机、工控机、p l c 以及d s p 各种数字控制器的优缺点，选 择d s p 作为本课题的数字控制器，进而阐述了d s p 的发展历程，以及选用的t 1 公司的t m s 3 2 0 l f 2 4 0 7d s p 的基本功能。 长安大学硕士学位论文 第三章数字控制器控制算法的设计 控制系统的软件设计，就是在给定系统性能指标的条件下，设计出控制器的 控制规律和相应的控制算法。算法作为程序化设计的主题，很自然地成为解决问 题直接而有利的手段。 3 1 转向启动过程中的控制算法研究1 2 1 在液压行驶系统中，机器从一种状态过渡到 另一种状态，是一个逐渐变化的过程，在四轮转 向系统中，油缸是一个关键的液压元件，其位置 曲线如图3 - l 所示，在运动过程中，油缸要经历 川 t 移动、作业以及回位三个阶段，而在移动和回位 _ l 的过程中是按一定的斜坡时间来完成过渡的。斜 坡时间过长，影响机器的作业效率；时间太短， 图3 - 1 油缸位置曲线 系统产生严重冲击，驾驶人员也有明显不舒服感，降低了机器的平稳性和舒适性， 降低了液压元件的使用寿命。因此，研究液压行驶系统在满足系统平稳无冲击工 作的同时保持晟短时间，具有十分重要的意义。 由于本课题是对转向系统进行控制，也就是对转向轮的转角进行控制，控制 的核心是液压缸的行程，根据系统的液压原理图可知，控制的关键也就是电磁阀 的开口大小以及开口时间。对电磁阀的控制采用的是p w m 脉宽信号，采用p w m 信号进行控制的原因就是考虑到p w m 脉宽信号可以消除液压元件的震颤。可 是，在进行软件编程时，由于p w m 波形的占空比时刻在变化，而且开始的时候， 占空比较大，为了保证和延长液压元件的寿命，在进行软件设计的时候，也采用 了一个起步函数。考虑到四轮转向系统采用的比例电磁阀的响应时间一般是 4 0 6 0 m s ，可谓很短，于是我们在设计这个起步函数的起步速度时，速度也较快， 这也是为了协调程序运行时间而进行选择的，这将在第五章的软件设计中具体介 绍。 3 2 转向过程中的控制算法的研究 由于本课题进行的只是软件和硬件的设计，要在软件设计的过程中实现所要 求的功能，而且要保证系统的转向精度，所以在算法研究上就需要全面考虑。通 6 长安大学硕士学位论文 过对四轮转向系统的分析和研究得知，系统的信号处理是由控制器完成的，可是 要控制转向轮的转角，就必须考虑电磁阀的开口与p w m 占空比的关系，通电时 间与液压缸的行程的关系，以及液压缸行程与车轮转角的关系，这将在下面的部 分中进行详细介绍。 3 2 1 液压缸活塞行程与转向轮转角关系计算 幽3 - 2 液压缸乖j 转向轮的连接简圈 如图3 - 2 所示为液压缸和转向轮的连接简图。我们取前左轮作为计算实例， 其余的三个转向轮可以依此类推。 我们采用坐标的方法来进行计算。取坐标原点为o ( 0 ，0 ) ，则a ( l o ，0 ) ， b ( l o ，l i + l 2 + l 3 ) 。 ( 1 ) 如果车轮左转臼角度后，a 的坐标变为a ( l o c o s 8 ，- l o s i n ，那 么活塞的位移为： a x = l4 。b i l4 b f 、( l o l oc o s 0 ) 2 + ( l + z + 3 + l os i n o ) 2 一( l + l 2 + l 3 ) ( 式3 i ) ( 2 ) 如果车轮右转0 角度后，a 的坐标变为a ( l o c o s 0 ，l o s i n 0 ) ，那 么活塞的位移为： 。= 1a bi ia bi ：( 。+ ：+ ，) 一i ：j 二i ：= _ ：i ；i f j i i i ：_ ：i i ：- j j 二j = = 丽 ( 式3 2 ) 这样可以根据要偏转的角度，计算出液压缸所需要的流量，当然在实际应用 的时候，还需要考虑液压缸是压缩还是伸长，如果液压缸伸长，只需考虑无杆腔 长安大学硕士学位论文 的流量，如果液压缸压缩，那么只需考虑有杆腔的流量。 3 2 2 电磁阀阀口流量与阀开口大小的关系计算儿”儿”3 设阀开口长度为x ，阀芯与阀体内孔的径向间隙为，阀芯直径为d ，则阀 口通流面积a 为： a = f r 工2 + 2( 式3 3 ) 式中，w 为面积梯度，它表示阀口过流面积随阀芯位移的变化率，对于孔 口为全周边的圆柱滑阀，w = r e d 。若为理想滑阎( 即= 0 ) ，则有a = a d x 。 现在对滑阀的开口进行分析。 所谓滑阀开口足指阀芯凸肩宽与阎体环形沉割槽宽度的比例，丌口不同就决 定了阀的特性。实际上滑阀有三种开口。 1 ) 正开口：这种开口，凸肩宽小于槽宽，其零位特性是允许液流通过。 2 ) 零开口：这种开口，凸肩宽等于槽宽，零位特性是液流不能通过。 3 ) 负开口：这种开口，凸肩宽大于槽宽，零位特性是液流不能通过。 实际上由于加工误差，零开口的情况是不存在的，这只能是理想情况。我们 把三种开口的情况以滑阀( 白零位起) 的位移量x 作为横坐标，以通过的流量q 作为纵坐标，做出其q x 特性曲线如图3 3 所示。 由图可知，零开口的位移量 与通过的流量成线性关系，这是 最理想的开口特性。但是，在实 际的电磁阀中，要保证零开口特 性是非常困难的。所以在进行软 件设计的时候，一定要考虑实际 液压元件的死区特性。我们在进 行计算的时候，假设电磁阀为理 想的零开口。至于这个理论和实 际误差，可以通过转向过程中的 控制算法来进行校正。 一：二 二：一_ 负开口， 死区 正开n 图3 - 39 j j 开口特性曲线 通过以上的分析和假设，暂且认为电磁阀的流量和开口大小的关系为： q = h( 式3 - 4 ) 式中：q 为流量；k 为比例系数；x 为阀的开口大小。 长安大学硕士学位论文 3 2 3 转角与p w m 占空比的关系计算 在车轮转向的过程中，一方面要满足转向时两侧转向轮的转角关系，另一方 面还要保证转向的精度，于是在进行软件设计的时候，采用的是时间片的方法， 取外侧转角作为基准，即每一个时间片外侧转向轮转向一度，而同时内侧角转向 相应所需要的度数大小。在此期间，做了大量的计算工作，计算出每转一度所需 要的流量，每运行一次时间片，就更改一次p w m 占空比的数值，以达到所要求 的转角。 已知 q = k x = ( 式3 5 ) 其中a 为电磁阀的开口面积。 去掉死区占用的比例后，电磁阀的开口面积也和p w m 占空比成一定的比例 关系t 即 形= p 8 0 其中p 为占空比的值。 综合( 式3 - 5 ) 和( 式3 - 6 ) ，则有 q = 删m 由于需要的流量和p w m 的通电时间t 有关，则 g = 9 = ( 姒 即， ( 式3 - 6 ) ( 式3 7 ) ( 式3 8 ) 这样，只要知道所需要的流量，就可以计算出所需要的占空比的数值。 3 3 转向过程中的控制算法选择 四