基于车辆速度控制系统的设计.pdf

2014年电 子 科 学技术Electronic Science Vehicle road train CAN BUS Fuzzy PID 2014年 218219 第02期刘大鹏等 基于VRT车辆速度控制系统的设计2014年 218219 Vol 01 No 02 Sep 2014 2 系统设计 2 1 功能设计 控制系统通过CAN网络读取第一辆车的转速数据 和电机的加速度信号 作为其他车辆的目的转速 进 行速度控制 常用的是传统的PID控制 利用误差比 例 积分 微分的线性组合来对控制对象进行调节 而模糊控制不依赖于控制对象 具有较高的鲁棒性 因此把PID控制器和模糊控制器结合 引入模糊PID控 制思想 根据不同工况 实现对PID参数的自整定 以进一步提高系统的和稳定性和可靠性 根据PID参数的整定原则 结合电动助力转向系 统的实际情况 将以电流之差值和电流差值变化率作 为输入量 设电流差值e和电流差值变化率ec的论域取 8 8 输出变量Kp Ki Kd 的论域取 8 8 在它们 的模糊论域上分别定义7个模糊子集 e ec NB NM NS Z PS PM PB 语言值定义为 负大 负中 负 小 负零 正零 正小 正中 正大 隶属函数采用 梯形函数和三角函数的结合 仿真图如下图2所示 通过模糊规则确定了不同目标参数下的比例系 数 积分系数和微分系数 从而计算出实际的电压值 的大小 利用D A转换来的电压信号 驱动电子节气 门的油门开度 从而控制发动机的转速 控制算法的优劣程度依靠直流电机来测试验证 传统的电机控制方法是通过控制直流电机输入端的电 压来控制电机输入电流的大小 从而控制电机的转 速 采用模糊规则选择不同PID系数来计算出PWM的 占空比 而实现电机的转速控制 即通过电机的转速 的瞬态性能和稳态性能检测出算法的可行性 2 2 结构设计 设计实现一种基于CAN总线通讯的多台发动机 转速同步控制系统 公路列车的基本单元如下图3所 示 车辆间采用固体连接器 通信采用CAN总线 根 据发动机的动力和系统需求 队列的形式和长度可以 灵活变动 对于普通电喷车辆 车辆间通过CAN总线来传递 头车的油门踏板数据和发动机的转速数据信号 发动 机采用的是电控发动机 通过控制油门踏板电压信号 控制发动机的转速 从发动机的ECU上读取CAN数据 报文 然后解析数据报文 获得发动机的转速数据 1 而这个发动机转速数据又通过CAN总线向其他车发 送 当CAN BUS的传输速率是250kb s时 节点间的 最大距离是100米 如果车队发动机之间线束的距离 大于100米 则需要加入中继器 即使油门踏板电压信号相同 发动机的转速也会 有细微的差别 2 考虑每台发动机的特殊性 设计采 用的转速调节方案两步进行 跟随车辆先通过油门踏 板电压信号实现发动机转速的粗调 然后以头车发动 机的转速数据为控制目标 进行发动机转速的精确调 节 其车辆系统拓扑结构图如下图4所示 在头车上 通过AD转换采集的油门踏板信号 高速CAN总线上读取车辆发动机ECU上的报文 报文 解析获得发动机转速数据 然后将获得的油门踏板信 号的数据和发动机转速数据打包向后面的车辆传送 后车解析报文得到第一台车的油门踏板电压数据和发 动机转速数据 3 系统硬件设计 3 1 车载CAN网络的硬件设计 图1 模糊PID参数自整定 图2 模糊PID Matlab仿真图 图3 车辆间的信息传递 图4 车辆系统的结构图 2014年电 子 科 学技术Electronic Science Technology 220221 2014年 220221 控制系统CAN网络硬件电路图如下图5所示 系统主控器MCU采用DSPIC33FJ256GP芯片 其 具有两路CAN接口 CAN收发器采用的TJA1040 MCU和收发器TAJ1040间采用10Mb s的高速光耦 6N137来实现隔离 防止CAN总线上的尖峰脉冲对内 部电路的冲击 3 TJA1040是CAN收发器 主要功能是把控制器的 TTL电平信号转化为CAN总线上的差分信号 油门踏 板的0V到5V的电压信号经过低通滤波器后由AD转换 芯片采集 下一台车由微控制器处理后 经DA转换 形成的模拟信号作为油门踏板信号 控制发动机的转 速 3 2 硬件系统稳定性设计 一个好的系统必须有良好的电源系统 特别是在 汽车电子产品中 4 由于电机 电磁阀等电磁负载的 汽车系统会把ESD尖峰噪声和几种浪涌和瞬态电压引 入到电源和信号线系统中 整车测试时 雨刮电机抛 负载时对电源系统有近200V左右的尖峰噪声的干扰 尖峰脉冲的持续时间为100ns级别 所以电源系统必须 要消掉这种尖峰脉冲 有两种方法 一种是电源和地 之间并联相应的压敏电阻 另一种是并联瞬态抑制二 极管 压敏电阻的成本低 但是流过的持续电流要小 于1mA 在实际应用中很容易损坏 瞬态抑制二极管 在10 1000 s的瞬态功率能达到6600W 削峰的效果也 比较好 但是成本过高 由于本控制器的控制芯片要 求很高 同时其他系统硬件成本也比较高 所以本电 源系统采用的是瞬态二极管和压敏电阻并联的方式来 对电源系统进行初级的电压保护 大电流的负载接在 这一级电路 5 然后利用LM2576来进行二级的电压隔 离 经过稳压电路后 转化成3 3V和5V信号送给MCU 和各种供电设备 系统的电路图如下图6所示 3 3 电机驱动硬件设计 多个电机间的数据传递是通过CAN总线进行数据 传递 6 高速CAN采集第一辆车的电机转速和电机的 加速度 低速CAN进行不同车辆间的数据传递 而为 了防止信号线的电磁特性对控制板系统的干扰 须通 过光耦进行电磁隔离 7 电机的驱动电路如下图7所示 采用的是24V 3A的直流电机模拟车辆间的动力 驱动器采用的是 BTS7960 具有很好的隔离噪声的效果 所以不需用 光耦进行光电隔离 图5 CAN网络的硬件电路图 图6 控制器电源防EMC设计电路图 图7 电机驱动电路图 2014年 220221 第02期刘大鹏等 基于VRT车辆速度控制系统的设计2014年 220221 系统MCU采用的是DSPIC33FJ256具有丰富的 硬件资源可以很好地完成PWM控制和CAN数据的 处理 CAN收发器采用的TJA1040 MCU和收发器 TAJ1040间采用10Mb s的高速光耦6N137来实现隔离 防止CAN总线上的尖峰脉冲对内部电路的冲击 4 系统软件设计 4 1 CAN网关的软件设计 发动机的CAN网络是高速CAN网络 传输速率是 1Mb s 而车间的CAN bus总线是250kb s 所以网关要 实现数据的传输速率的转换和CAN报文的解析 发动机的ECU发出的CAN数据是以报文的格式发 到CAN bus总线上的 8 通过软件区别PGN 来接收 CAN总线上的转速报文 当报文的PGN和微控制器的 设定的PGN不同时 控制器不接收报文 只有在PGN 相同时才接受报文 然后再分析PDU 根据PDU解析 出发动机的转速数据 进而把转速数据重新打包向低 速CAN总线上发送数据 同时进行数据处理 判断油 门踏板信号是不是要调整 微型控制器特有的硬件结构DMA RAM 可以把 CAN数据直接高速存到DMA RAM中 然后由程序决 定是否再存到RAM中 DMA RAM是单独工作的 这 样就可以使高速数据暂时存放在DMA RAM中 而不 会因为低速数据的吞吐率不够而丢失高速数据 保证 了数据在不同速率间传递的可靠性 其主程序图如下 图8所示 4 2 系统程序设计 设计控制系统时 把电机看成一个黑盒 简化了 1 2 3 4 5 图8 主程序流程图 电机模型 通过实验法找到经验的PI系数 作为模糊 PID的参数 9 PWM占空比的精度是5000 电机的电 压是24V 则控制精度是24 5000 0 0048V 这个控制精 度给我们的电机控制转速提供了足够高的精度 程序 在运行中先对比一下目标速度 然后根据目标速度选 择不同的比例系数 10 本电机的最小启动转速是15转 秒 各个速度下的比例系数如表1所示 表1的数据存储在EEROM中的 设计中 控制板 设置了按键和单片机的外置EEROM 这样即可以现 场对不同的电机进行PID的参数调整 又能保证数据 点控制板掉电后不消失 提高了控制器的适应性 软 件策略如下 检测PID系数调整开始键 如有按下 则把对应的PID系数写入EEROM 当修改完数据 则 按下检测PID系数调整结束键 修改PID参数表的流程 图如图9所示 表1 发动机的转速和PID参数表 图9 控制算法流程图 2014年电 子 科 学技术Electronic Science Technology 222223 2014年 222223 5 性能测试 5 1 控制性能测试 控制发动机转速是控制油门踏板的电压信号 采 用直流电机模拟发动机 通过测试电机的瞬态响应和 稳态响应来测试发动的控制算法的精确性 11 测试电 机的转速常用的是光电编码器 设计采用100线的光 电编码器 每转一圈输出100个方波脉冲 通过测量 脉冲的周期来换算成电机的瞬时速度 电机的齿轮和 光电编码器之间的传动比为2 1 光电编码器输出的 脉冲周期为T秒 通过公式 Y 1 200T 可得电机的实 时转速为 1 200T转 秒 而示波器不能对所测得的周期 进行运算 则用虚拟仪器 Labview 测试电机的实 时速度 Labview的上层编写软件如下图10所示 软件设置数据采集DAQ 设置采集卡的采集频率 和配置采集通道 数据输出的是光电编码器输出方波 的数字量 经过信号的时间与瞬态特性测量模块 输 出被测信号的周期 然后对周期进行运算 经过处理 后 显示出被测数据的实时波形 在头车为30转 秒的速度下 数据如下图11所示 此图是目的速度为30转 秒的情况下测得的速度曲线 横坐标精度是10ms 纵坐标的精度是2 5转 秒 由图 中可知 响应时间为240ms 上升时间为80ms 能满 足控制器的控制要求 5 2 控制系统抗EMC测试 图10 Labview的应用层编写程序 图11 电机瞬态响应测试图 由于电机是感性负载 在电源断开时 会出现抛 负载的情况 电机会产生严重的浪涌电流 负的瞬态 高压也会产生 之后反向产生正跳变 这时开关未完 全断开或者通过别的方式传导到电源线上 使电源受 到尖峰脉冲干扰 电机端电压后面会等间隔地出现正 脉冲 这是电机处内部换相时产生的 由于此时电机 已与电源完全断开 即对电源无影响 但强烈干扰出 现在电机停止工作的瞬间 为了测试控制系统的电源系统抗击尖峰脉冲的冲 击的性能 采用雨刷电机工作时的脉冲作为干扰源进 行了实验研究 即把车上的雨刷电机并联到24V的电 路系统中 示波器通道2是采集的是电池接上雨刷电 机后的电源信号波形 通道1是经过本系统预稳压后 的电源波形 由示波器的波形可知 雨刷电机能产生 幅值为180V左右的尖峰脉冲 经过本电源系统的预 稳压之后 尖峰脉冲被消减到了很小的范围 然后再 利用稳压器件 就可以给器件提供一套干净的电源系 统 经测试设计电源系统是可靠稳定的 测试结果如 下图12 所示 6 结束语 基于CAN总线的发动机转速控制系统能够抵制车 载负载的电磁干扰的冲击 具有很好的稳定性 在控 制算法上充分考虑了汽车列队中对速度的精确性控制 的要求 测试结果表明 各项控制性能指标均达到预 期控制效果 接下来任务就是要进一步优化算法 提 高系统瞬态响应速度 努力使误差控制在了一个更加 小的范围 参考文献 刘捷 吴青 黄伟 基于模拟道路的自制电动小车队列通信系 统设计 J 交通信息安全 2009 3 27 112 P115 马育林 吴青 张蕊等 模拟自治车队行驶过程变工况速度跟 踪控制 J 机械工程学报 2011 4 47 7 140 147 韩兆运 基于CAN总线的车身控制系统应用研究 D 重庆 重 庆大学 2006 吴青 何智伟等 智能车路系统中汽车列队行驶控制关键技术 图12 电源稳定性测试波形图 1 2 3 4 2014年 222223 第02期刘大鹏等 基于VRT车辆速度控制系统的设计2014年 222223 与研究进展 J 交通与计算机2008 26 4 154 P157 许勇 游张华 基于CAN总线和GPRS的车载传感器网络平台的 实现 J 传感器与微系统 2008 27 3 83 P85 傅立敏 吴允柱 贺宝琴 队列行驶车辆的空气动力特性 J 吉 林大学学报 工学版 2006 36 6 871 875 Vermillion C Butts K Reidy K Model predictive engine torque control with real time driver in the loop simulation results C Vehicle Power and Propulsion Conference VPPC IEEE 2010 718 723 郭彦颖 刘明树 周云山 孙中辉 CVT轿车发动机建模及 PID控制器设计 J 汽车技术 2007 7 14 17 9 刘高 基于模 糊PID算法的柴油机冷却水模糊控制器的研究 D 武汉 武汉 理工大学 2007 Gregor Klancar Drago Matko Sa o Bla ic A control strategy for platoons of