（光学工程专业论文）电动代步车行驶控制系统的研究与开发.pdf

research and development of running control system in electric scooter a thesis submitted to chongqing university in partial fulfillment of the requirement for the degree of master of engineering by supervisor:shu hongyu major: vehicle engineering college of mechanical engineering of chongqing university, chongqing, china april 2008 重庆大学硕士学位论文 中文摘要 i 摘 要 随着世界人口老龄化问题的日益突出，为老年人的生活提供方便的电动代步 车近年来得到了较快的发展。开发结构简单、操纵方便、安全可靠、性价比更好 的老年人用新型电动代步车具有重要的现实意义和市场前景。 本论文针对一种既适合户外又方便户内使用的新型电动代步车的行驶控制问 题进行深入分析的基础上，研究开发出了相应的行驶控制系统。 本论文研究的主要内容： 新型电动代步车差速转向控制系统的原理分析和计算仿真， 包括新型电动 代步车差速转向系统的运动模型的建立和分析、 matlab 计算环境下的 pid 控制 仿真； 新型电动代步车行驶控制系统的硬件开发，包括行驶控制器电子电路(电 机驱动电路、电机转速检测电路、电机保护电路、通信模块、升降电机、摆动电 机的控制电路、 各种开关控制等)的原理设计、 元器件的选择、 印刷电路板的制作， 控制器的硬件调试与分析； 新型电动代步车行驶控制系统的软件开发，包括电机 pwm 调速控制模 块、电机转速检测模块、基于 pid 的差速转向控制模块、与前端单片机的通信模 块、电机保护模块、中断处理模块等的开发和调试； 新型电动代步车行驶控制系统的试验分析与开发总结。 本论文研究开发的行驶控制系统经过初步调试和实验验证，证明了所提出的 控制方法正确、硬件和软件的设计和开发是有效的，在此基础上进一步改进后， 可应用于新型电动代步车产品。 关键词：电动代步车，行驶控制，差速转向，pid 控制，pic18f87j10 重庆大学硕士学位论文 英文摘要 ii abstract as the the problem of ageing of the global population is getting severe, the industry of electric scooter for the aged had been developing rapidly. it is a meaningful and promising work to develop a new type of electric scooter, which is simple in structure, convenient in control, reliable in safety and cost-effective. the development of drive control system is the hardcore in the process of electric scooter design. this thesis designed and developed a reliable drive control system based on the in-depth analysis of the drive control problem. the central research contents are as follows: firstly， the technology of electric scooter was analyzed and researched.and then， the mathematical model and the strategy of the differential steering which is used in the new protype of the electric scooter were established. secondly, pic18f87j10 ,which is produced by microchip corporation, was used as the core of the control system, and a series of circuits were desiged, such as speed signal detecting circuit, dc motor dirving circuit, power converting and sampling circuit,current detecting circuit, etc, which are fully depend on the advantages of pic18f87j10, like low cost, abundant functions and strong operating ability, which can simplifie the circuit, enhance the reliability and reduce the cost of the control system.functions and strong operating ability，which simplifies the circuit，enhances the reliability and reduces the cost of the control system. thirdly, programs for the hardwares were composed. the programs were designed as different modules, which can enhance its readability. the accomplished modules are rs232 interrupt modules, differential steering modules, over current protection modules, motor speed control modules, etc. finally, the control system was debuged and the results were analyzed. the results indicated that the system is effective. all of these researches and practices got a perfect result and achieved the anticipated goals; meanwhile the research had made a good foundation for the research and development of the new electric scooter in future. keyword: electric scooter, running control,differential steering, pic18f87j10, pid control 重庆大学硕士学位论文 目录 iii 目 录 中文摘中文摘要要 . i 英文摘要英文摘要 . ii 1 绪论绪论 . 1 1.1 电动代步车研究开发的背景电动代步车研究开发的背景 . 1 1.1.1 电动代步车在国外的兴起 . 1 1.1.2 电动代步车在国内的发展 . 2 1.2 新型电动代步车的构想与发明新型电动代步车的构想与发明 . 3 1.3 本论文研究的目的和主要内容本论文研究的目的和主要内容 . 5 2 电动代步车差速转向系统与控制分析电动代步车差速转向系统与控制分析 . 6 2.1 电动代步车差速转向系统的构成电动代步车差速转向系统的构成 . 6 2.1.1 新型电动代步车总体结构概述 . 6 2.1.2 电动代步车差速系统的组成 . 6 2.1.3 差速转向系统的优点 . 7 2.1.4 电动代步车差速系统控制方案 . 8 2.2 电动代步车差速转向的运动学模型电动代步车差速转向的运动学模型 . 9 2.3 直流电动机调速直流电动机调速 . 10 2.4 基于速度闭环控制的电动代步车差速转向仿真基于速度闭环控制的电动代步车差速转向仿真 . 12 2.4.1 pid 控制器简介 . 12 2.4.2 matlab 和 adams 计算环境下差速转向的联合仿真 . 13 2.5 本章小结本章小结 . 17 3 电动代步车行驶控制系统的硬件设计与开发电动代步车行驶控制系统的硬件设计与开发 . 18 3.1 电动代步车电子系统硬件的构成电动代步车电子系统硬件的构成 . 18 3.2 行驶控制系统的元件选择行驶控制系统的元件选择 . 20 3.2.1 行驶控制系统的单片机选择 . 20 3.2.2 行驶控制系统的驱动电机选择 . 21 3.3 电动代步车电机驱动电路的设计电动代步车电机驱动电路的设计 . 22 3.3.1 运用于电机正反转的 h 桥电路设计 . 22 3.3.2 升降电机与摆动电机 h 桥电路设计 . 23 3.3.3 h 桥中续流二极管的作用 . 24 3.3.4 主电机驱动电路的硬件设计 . 25 重庆大学硕士学位论文 目录 iv 3.4 与驱动电机电路相关的其它电路设计与驱动电机电路相关的其它电路设计 . 30 3.4.1 电源电路设计 . 30 3.4.2 行驶速度的检测电路设计 . 30 3.4.3 电机保护电路设计 . 32 3.5 电动代步车转向角度的检测与电池电量的监测电动代步车转向角度的检测与电池电量的监测 . 33 3.5.1 转向角度的检测 . 33 3.5.2 对电池电量的采集 . 34 3.5.3 a/d 采集电路 . 34 3.6 电动代步车的操作信号的输入与显示电动代步车的操作信号的输入与显示 . 35 3.6.1 电动代步车 lcd 显示 . 35 3.6.2 电动代步车的键盘输入 . 36 3.7 行行驶驶控制系统的通信模块的设计与开发控制系统的通信模块的设计与开发 . 36 3.7.1 rs232 串行通信方法 . 36 3.8 限位开关信号输入电路设计限位开关信号输入电路设计 . 39 3.9 pcb 布线设计布线设计 . 39 3.10 硬件电路的测试结果硬件电路的测试结果 . 41 3.10.1 电源转换电路 . 41 3.10.2 主电机驱动电路上的 pwm 信号 . 41 3.10.3 速度测试实验 . 41 3.10.4 两个子系统之间的通信测试 . 42 3.11 电动代步车硬件开发中的失败教训电动代步车硬件开发中的失败教训 . 42 4 电动代步车行驶控制系统的软件设计电动代步车行驶控制系统的软件设计 . 44 4.1 电动代步车的实时控制要求电动代步车的实时控制要求 . 44 4.2 行驶控制软件框架结构的设计行驶控制软件框架结构的设计 . 44 4.2.1 行驶控制软件功能设定 . 44 4.2.2 控制程序流程图 . 44 4.3 行驶控制软件各模块的具体实现行驶控制软件各模块的具体实现 . 47 4.3.1 中断程序模块的设计 . 47 4.3.2 串口通讯模块的设计 . 48 4.3.3 差速转向程序模块的设计的设计 . 51 4.4 本章小结本章小结 . 59 5 设计开发总结与展望设计开发总结与展望 . 60 5.1 设计开发总结设计开发总结 . 60 5.1.1 本论文的主要成果 . 60 重庆大学硕士学位论文 目录 v 5.1.2 本论文研究的存在问题和不足之处 . 60 5.2 进一步研究和展望进一步研究和展望 . 61 致致 谢谢 . 62 参考文献参考文献 . 63 附附 录录 . 66 重庆大学硕士学位论文 1 绪论 1 1 绪 论 1.1 电动代步车研究开发的背景 电动代步车区别于目前在公路上行驶的轿车、货车、工程车、摩托车等车辆， 是一种由电机驱动、速度较低、行驶里程较短、替代人们步行、方便人们生活交 通的一种工具。本文的电动代步车还进一步区别于一般的自行车、儿童玩具车等， 是专指老年人、残疾人、家庭主妇等用于代步的、具有三个以上行驶轮的交通工 具。 目前国内外开发的电动代步车主要有如下图所示的几种类型1： 近年来世界人口老龄化问题日益突出。 2000 年欧洲 65 岁以上的人口大约占该 地区总人口的 14.7%，达一亿人以上，预计到 2035 年后将会超过 25%，日本政府 的一份调查显示，未来 10 年内，日本 65 岁以上人口的比例可能突破四分之一。 我国也正在进入人口老龄化阶段，60 岁及以上的老年人已达到 1.43 亿，占全国人 口总数的 10.97以上。随着小康社会的到来，人口的平均预期寿命会大大增加， 这样老年人的平均余命也会随之延长。 2020 年将增至 2.4 亿人， 2050 年将增至 4.36 亿人，老龄人口的增加使得电动代步车的市场也随之快速发展，为老龄人口提供 一种方便简单快捷的代步工具越来越引起全社会的重视和关注3457。 电动代步车因其在结构形式简单，操作简易以及动力补给方便的优势6，越来 越受到广大家庭主妇、残疾人和老年人的青睐。目前，电动代步车研究发展的主 要方面是进一步提高电动代步车的操纵方便性、机动安全性、行驶里程。 1.1.1 电动代步车在国外的兴起 日本、欧美等国家在很早以前就针对人口老龄化问题，为步行能力较弱的高 图 1.1a 电动轮椅车 （electric wheelchair） 图 1.1b 电动四轮代步车 （electric 4 wheels scooter） 图 1.1c 电动三轮代步车 （electric 3 wheels scooter） 重庆大学硕士学位论文 1 绪论 2 龄者和残疾人，逐步开发各种类型的电动轮椅代步工具。 1998 年 nissan(日产)汽车公司开发的“塔温帕特纳”(上街的伙伴)电动三轮代 步车，是世界上第一款投向市场的电动代步车。该车的最高时速为 11km/h，续航 能力为 30km。它采用铅酸电池供电，充电时间为 45 个小时。日本政府规定，驾 驶此车不用考取驾照，但是不允许在机动车道上行驶。此型号及它的升级版“塔温 帕特纳ek30”(于 1999 年 4 月投放到日本市场)，在日本市场的销售为 12000 辆 左右，市场售价在 25 万日元左右7。 2000 年以后，日本的一些大的汽车生产商也纷纷进入电动代步车市场，年增 长幅度在 200%左右。yamaha 与 honda 是这个领域的销售翘楚，yamaha 的市场份额一度达到 60%。日本开发的电动代步车主要以镍铬、镍氢电池为主， 容量在 5l0ah 之间， 充电一次行驶里程约 40km， 驱动电机以直流无刷电机为主。 电压以 24v、36v 为最多，功率在 180250w 之间。 美国的电动代步车市场由 pride 公司占领。该公司被誉为”轮椅车中的宝马”， 在电动轮椅车上有很强的优势。pride 公司开发的电动代步车一般采有两个直流有 刷电机作为驱动控制电机8。没有方向盘，将控制器封装在一个控制手柄里，操作 方便、转向半径小、适用于在室内使用。 1.1.2 电动代步车在国内的发展 我国电动代步车的研究起步较晚，对这方面的研究尚显薄弱。目前只有沿海 地区一些企业开始在研发和小批生产，而且主要是仿制国外的电动代步车。 由公安部第三研究所、中国车辆检测中心与四川雅安盛世电动车辆有限公司 联合研制开发的盛世牌电动车是经过长期的国际国内市场调研，结合我国城市交 通管理的现状，为解决老年人和部分残疾人的代步问题，而专门开发的介于摩托 车与自行车之间的空白产品。该车的主要特点是节能，操作方便，现在在市面上 有时也能看到此款车型。 在我国台湾地区，台湾庆优公司推出的“easy”电动代步车，强调是为老年人 和残疾人提供的一种理想的代步工具，有三轮和四轮两种款式。车辆运行噪声很 小，无排气污染，符合世界环保潮流，车速为 810km/h，一次充电可行驶 40km。 车辆座椅是按人体工程学要求而设计的可调节的，能适合各种体形的人乘用。台 湾久鼎公司开发生产的可折叠便携式电动休闲代步车，车身由高强度铝合金材料 制造。该车在不使用工具的情况下能在几秒钟之内完成整车的折叠，以便将其放 在车内或车的行李舱内携带作为旅游之用。电池亦采用可抽拉式，使用十分方便， 折叠后，车长 1000mm、宽 260mm、高 260mm；承载质量为 100kg，该车具有很 好的乘坐舒适性、安全性和可操作性4。控制器具有制动断电、电池电量显示、安 全启动和充电过保护等功能。 重庆大学硕士学位论文 1 绪论 3 随着计算机技术、信息技术的迅猛发展，电动代步车的研究工作逐渐进入了 一个崭新的阶段。目前，电动代步车最明显的一个发展趋势就是以信息技术为先 导，将大量的新技术融入到新产品中，开发集微电子、信息以及传感器、机械于 一体的更加智能化的电动代步车，不断改善驾驶者的工作条件，并向更加节能、 更加环保的方向发展9。 1.2 新型电动代步车的构想与发明 目前的电动代步车产品主要可分为两种类型： 一种是其前后轮轴距较长(一般 大于 800 毫米)、并带有转向机构的户外型电动代步车。它主要在户外的庭院小路、 小区内的道路、或在行驶距离不远的公路及人行道上，供老年人或残疾人士等使 用5。由于其轴距较长，在上下坡、制动或加速时，不容易出现前后倾翻的事故； 但也因其轴距较长，不适合在室内较窄小的空间中运动。老年人或残疾人在家中、 在超市内使用这种户外型电动代步车就不大方便。另一种是前后轮轴距较短(一般 在 600 毫米以下)、并带有惰性轮的户内型电动代步车(也称电动轮椅车)，该户内 型电动代步车的转向是凭借两个独立驱动的驱动轮的速度差来实现的。当两个驱 动轮的速度相同、但其转向相反时，该电动轮椅车还能够通过原地转动来实现转 弯。因为其前后轮轴距较短，老年人或残疾人在家里、在超市里，就完全能够自 如地使用了。然而，同样因为其前后轮轴距较短，当在户外使用这种电动轮椅车 时，在上下坡、制动或加速情况下，容易出现前后倾翻的事故。因此，在户内使 用的电动代步车设计中，防止前后倾翻是一个主要的问题。目前关于户内使用的 电动代步车防倾翻结构的发明很多，主要是增加防倾翻车轮，如专利号为 us 6， 938，923 b2、名称为电动轮椅车(power wheelchair)的美国专利2。为防止该车向 前倾翻，将它的重心相对后移；为防止向后倾翻，该车在驱动轮后面加装了防倾 轮5。 该驱动轮和防倾轮被安装在同一个悬架臂并一起通过铰链与电动轮椅车的架 体相连，当驱动轮上下运动时会带动防倾轮作相反方向的上下运动，从而减少轮 椅车后翻的可能性。上述带防倾轮的电动轮椅车虽然可以减少前后倾翻的可能， 但由于前后行驶轮的轴距较短，在制动、加速过程中，又存在较大的前后俯仰运 动，使乘坐者的舒适性下降。另一方面，由于是采用手柄控制，操作性能与户外 性电动代步车相比也有较大差距。这样一来，就出现了现有技术中没有解决的、 既需要有效地防止倾翻、又不想过分地增大其转向半径的难题。 重庆大学硕士学位论文 1 绪论 4 图 1.3 摆动式结构的电动代步车 fig 1.3 the frame of es in this paper 图1.2 电动代步车的主要结构 fig 1.2 the different modules on the es 针对上述问题，我们提出了一种既方便户内使用，同时又能有效防止前后倾 翻的新型电动代步车，并申请了国家发明专利(专利号 200610091586.9)。它的车架 前端安装两个万向轮，可以实现任意方向转向，后悬架上安装两个带有直流电机 和减速器的驱动轮，由驱动轮的差速来实现转向。车架上安装有一个摆动电机， 摆动电机的减速器与后悬架相连接，通过电机的正反转，可以实现后悬架的前后 摆动，从而达到轴距可调的目的。当在户外使用时，可将轴距调节为 820mm，保 证了行驶的稳定性和操作的舒适性；轴距最小时可调节为 590mm，在户内、超市 使用时也很方便。 这种具有新型结构的电动代步车解决了户内型和户外型电动代步车的固有缺 点，综合了二者的优点，而且结构上简洁，日常维修保养简单，驾驶操作方便， 体积小巧，上下电梯方便，也不需要占用专用的停车位或停车库。 控制单 电机 操作杆 电 池 充电器 图 1.4 项目组开发的第一辆原型车 fig1.4 the first protype of es 重庆大学硕士学位论文 1 绪论 5 1.3 本论文研究的目的和主要内容 本论文研究的目的， 是针对新型电动代步车(发明专利号 200610091586.9)行驶 相关的控制问题进行深入的分析和研究，并开发出相应的行驶控制系统。 研究的主要内容： 对新型电动代步车差速转向控制系统的原理进行分析和计算仿真，包括新 型电动代步车差速转向系统的运动模型的建立和分析、matlab 计算环境下的 pid 控制仿真； 新型电动代步车行驶控制系统的硬件开发， 包括行驶控制器电子电路(电机 驱动电路、电机转速检测电路、电机保护电路、通信模块、升降电机、摆动电机 的控制电路、各种开关控制等)的原理设计、元器件的选择、印刷电路板的制作， 控制器硬件调试与分析； 新型电动代步车行驶控制系统的软件开发，包括直流电机 pwm 调速控制 模块、电机转速检测模块、基于 pid 的差速转向控制模块、与前端单片机的通信 模块、电机保护模块、中断处理模块等的开发和调试； 新型电动代步车行驶控制系统的实验分析与开发总结。 重庆大学硕士学位论文 2 电动代步车差速转向系统与控制分析 6 图 2.1 新型电动代步车结构图 fig2.1 the structure of the new es 2 电动代步车差速转向系统与控制分析 2.1 电动代步车差速转向系统的构成 为尽量降低电动代步车的成本、简化其结构，在电动代步车结构设计方面采 用差速转向技术，是一种较好的选择。差速转向省略了机械转向系统，而采用驱 动轮的转速差实现电动代步车的转向。这种差速转向技术与汽车上近年来不断研 究和发展的线控转向具有很多相似之处。本文在对其系统结构组成、工作原理分 析的基础上，对电动代步车差速转向系统的运动和控制进行了较深入的分析，包 括新型电动代步车差速转向系统的运动模型的建立和分析、matlab 计算环境下 的 pid 控制仿真等。 2.1.1 新型电动代步车总体结构概述 新型电动代步车的车身结构由以下几大部分构成：车架，转向操纵机构，可摆 动的后悬架，座椅及其附属的升降机构。其中车架包括底盘及座椅支撑机构，通 过在传统机械转向类电动代步车的基础上加以改进，去除了复杂的机械转向机构。 后悬架与车架使用减振器相连接。在后悬架下方安置的电机及减速机构可以使整 个后悬架进行摆动。从而调节前后轮之间的轴距。在房间中停放或低速行驶时可 以减小轴距来缩小整车体积，而在较高速度行驶时可以增加轴距来提高整车的行 驶稳定性它的座椅由一个电机带动丝杆来推动，从而可以调节座椅的高度。驱 动轮固定在后悬架上，前轮是万向轮。驾驶员通过操纵机构发出控制信号，信号 经过电子控制线路处理后送到驱动机构，对两个电机的转速进行控制，实现电动 代步车的直线行驶和全方位转向。 2.1.2 电动代步车差速系统的组成 电动代步车差速转向系统用电子系统代替了传统的转向器与车轮之间的机械 刚性连接，直接用控制信号驱动电机来实现转向14。差速转向系统在硬件上可以 重庆大学硕士学位论文 2 电动代步车差速转向系统与控制分析 7 分为以下 3 个主要部分。如图 2.2 所示，转向盘系统：转向盘、角度传感器；主控 制器：电机驱动模块、信号采集模块、车速检测模块；转向执行系统：电机、转 向驱动轮13。这三部分当中每一部分的核心是：角度传感器、微控制器、电机。 角度传感器是转角变化量的硬件采集部分，它将采集到模拟量送入行驶控 制系统。 驱动电机。差速转向系统是通过对左右 2 个电机的驱动控制来实现的，这 两个电机不但要驱动电动代步车直线行驶，还要通过对它们的差速控制实现转向。 微控制器是电动代步车行驶控制系统的核心部分。 它将输入的电机角速度 信号通过控制算法计算出理论差速， 进而转化为两个电机上对应的 pwm 值， 也就 是两个电机上的电压。 近年来， 随着数字技术的高速发展也使得高性能的微控制器的成本大为下降。 目前市场上的可用于做主控制器的芯片种类较多、功能强大、开发工具齐全、 技术支持售后服务完备。而对直流电机的控制是一门已经比较成熟的学科，针对 各种环境而研究的控制算法也比较多。所以从各方面来看，将差速转向技术应用 在电动代步车上是可行的15。本文的一个重点工作就是对电动代步车的差速转向 系统的硬件与软件进行研究与开发。 2.1.3 差速转向系统的优点 在使用差速转向系统的电动代步车中，操作者的转向操作与驱动电机之间通 过角度传感器、微控制器、执行机构柔性连接起来，操作者只需要向电动代步车 图 2.2 电动代步车差速转向系统结构 fig.2.2 the structure of the es differential steering system 重庆大学硕士学位论文 2 电动代步车差速转向系统与控制分析 8 输入自己的转向操作，由微控制器根据操作者的操作、当前电动代步车状态和路 面状况确定合理的驱动轮的转速差，控制电机完成转向任务17。可见，采用差速 转向系统后，其传动效率将比传统的机械转向系统大大提高11。另一方面，差速 转向系统可以由微控制器根据电动车的行驶工况设置为可变的传动比，将传统的 “人车闭环系统”中， 应该由操作人员负担的部分工作由微控制器完成， 从而减轻 操作人员的负担，提高电动代步车对转向输入的响应能力和主动安全性。同时， 由于减少了从控制机构到执行机构的传递过程，使转向系统的响应速度和准确性 都得以提高1318。 2.1.4 电动代步车差速系统控制方案 在本文中，微控制器采用中断的方式接收角度传感器采集到的信号，判断其运 行状态，处理后发出信号控制电机，驱动电路根据得到的信号驱动电机，同时将 电机转速信号反馈回微控制器作比较，完成一个闭环控制，使电动代步车按给定 的状态运行。 因为电动代步车分别由两个电机独立驱动，当电动代步车直线行驶时，由于驱 动装置内部参数以及外界路况不等因素，即使两电机的输入一样，也不能保证两 驱动轮的速度相同，特别是在低速且路况不好时。所以就需要引进一个补偿系统， 来消除两轮的速度差26。对于电机的速度控制系统，其控制原理如图 2.3 所示。 , lr k k为速度增益，速度调节在微控制器中采用 pi 算法实现，电机系统考虑外界 力矩影响。通过不断调节vr的值，使vr与 l v相同，使代步车