【无人驾驶汽车电子转向机构的模块设计分析案例3200字】

无人驾驶汽车电子转向机构的模块设计分析案例目录TOC\o"1-3"\h\u16833无人驾驶汽车电子转向机构的模块设计分析案例 127685第1章转向系统电路模块设计 140211.1电源电路设计 1168311.2程序烧写电路设计 416961.3总程序框图 4213581.4信号调理电路设计 6218631.5电机驱动电路设计 697931.6本章小结 616273第2章转向控制系统建模与仿真实验 7244422.1PID控制原理 7199412.2Simulink与和CarSim联合建模 1089942.3仿真结果与分析 13248652.4小结 14第1章转向系统电路模块设计汽车控制器作为整个系统的大脑，对于本设计来说是非常重要、性能良好的控制器机器可以高速正常工作。你可以完成别人给你的目标。控制器设计所能达到的目标如下：1、向工作模块提供电能，可正常运行。2、可将传感器信号输入CPU。3、分析传感器信号，做出决策。4、能够将程序烧写到CPU中。5、可与主机通信，具有通信功能。在本设计中使用的CPU选择16位的MC9XS128MAL，供给112针、5V电压，能够满足设计要求。1.1电源电路设计马达运转期间电流过大，控制电路容易损坏。为了防止这种情况发生，在两个控制板上设计了控制器。主板和驱动板。主板有CPU工作电路、信号处理电路、程序写入电路。驱动板是电机的驱动电路。主板采用12V电源；驱动板采用48V直流电源。汽车的车载电源为12V，不能直接用于各动作模块，因此需要将电压转换成芯片和传感器的5V电压，电源电路见图如图3-2所示。图3-1电源电路简图S是双头插座,后接12V车载电源。为防止电流过载,所串联的保险丝750mA。二极管D11是防止电路接反。稳压管Z11防止电源电压过大。电容器C11和电容器C12可以起到滤波的作用，并且可以将处理后的12V电压提供给芯片LM576-5G。芯片LM2576-5G可以将电压由12V转变为5V。随后的元件获得稳定的5V电压VCC用于稳定和滤波。设定电源指示电路，接通电源后LED灯亮。驱动板的主要芯片的电压需要15V，车载电压为48V，因此驱动板的电源电路为了将48V电压转换为15V而设计。此过程通过LM2576-15芯片来实现。电池电压首先经过三极管BU406和稳定管Z11，将电压降到30V。用电容C12过滤，输入芯片LM576-15芯片的DS引脚经过芯片输出15V电压，对连接的电感L1和电容器C13进行滤波。电路图如图3-2所示图3-2总电路图简图1.2程序烧写电路设计要向CPU写入程序，需要程序写入电路，可将制作的程序写入CPU。用程序软件代码warior制作程序，通过下载器BDM向CPU写入程序。BDM的后接电路是程序烧写电路，JA1与BDM连接。J1的1针与CPU的BKGD针连接，可以通过软件向CPU写入程序。并设计复位功能,按钮S2可以将CPU复位。1.3总程序框图总程序框图如图3-3-所示。图3-3总程序框图1.4信号调理电路设计在汽车行驶、转向马达运转的过程中，难免有干扰因素干扰传感器产生的信号，为了更好地将信号传递给CPU，设计信号调整电路。信号处理电路遵循滤波和两个模块。由于实验情况复杂，为了防止各种因素干扰传感器信号，影响其精度，采用RC串联低通滤波器电路。如果信号频率高于终端频率，则低通滤波器电路不能通过该信号，并且在该过程中，所有低频信号都通过。由于传感器产生的干扰信号是高频信号，所以能够切断通过。应用程序根据传送信RR+1CS选择适当的电阻和容量来消除干扰信号。根据电路的设计原理，利用虚短原理设计信号并跟随电路。“虚短”是理想状态下两个输入端的电位相等的情况下，两个输入端被认为是短的，但实际上没有短的连接。利用虚短原理，使芯片LM310M的3针和6针的电压相等，从而降低开关的噪声强度。后接稳压管,稳定电压,保护CPU。1.5电机驱动电路设计该设计使用无刷直流电机，通过调节PWM波的占空比来调整马达旋转速度。由于PWM波是从处理器到控制的系统信号为止的数字信号，所以不需要在数字模式之间进行转换。另外，因为只需要接通断开开关，所以有强烈抵抗噪音的能力。为了实现马达的正反转，采用H桥，也称为“H桥驱动电路”。“H桥驱动电路”的设计是通过应用两个BTN7970B芯片来实现的。J18、J19两个接头分别连接电路两段。芯片IN引脚接主机的PWM波。IS引脚连接下拉电阻，控制输入电压的大小。SR销通过下拉电阻设置MOS管开关频率。当INH为低电平时,设备休眠。1.6本章小结本章介绍了控制器部分电路的设计，并绘制了电路及总程序框图。控制器是政策决定机构，控制器运行良好。第2章转向控制系统建模与仿真实验为了验证设计的有效性，本设计使用Simuurlink对直流无刷电机进行了建模，并通过Simuurlink和Carsm的协作对实验进行了模拟。本章介绍了控制算法，介绍了实验原理和过程，总结并分析了实验结果。2.1PID控制原理基于PID控制原理的控制策略是最先开始发展起来的控制方式，有着算法简单、鲁棒性好和可靠性高的优势，因此在工业控制领域被广泛应用。其线控转向系统结构如图4-1所示。图4-1线控转向系统结构PID的控制机构是由系统的目标值和实际值构成的控制偏差。（4-1）偏差的比例（P）、积分（I）、微分（D）作为控制量线性组合，控制对象。其数学表达式为：（4-2）式中KP——比例系数TI——积分时间常数TD——微分时间常数将上式离散化后得到：=（4-3）式中ki=KP/TI，kd=KPTD。T是采样周期。k是采样序号。比例环具有即使系统偏差信号加倍也立即控制并减小偏差的效果。积分环消除了静差，TI越大，积分作用越弱。微分节反映系统的变化速度，在偏差变大之前立即修正，缩短调整时间。表4-1是对控制参数Kp、Ki、Kd的控制量的影响。表4-1Kp、Ki和Kd对控制量的影响上升时间超调量稳定时间稳态误差Kp减少增加不变减少Ki减少增加增加消除Kd不变减少减少不变根据PID控制原理，在Matlab/Simulink中进行建模。建立PID控制器（如图4-2），并将其封装。图4-2PID示意图转向机构主要由直流无刷马达构成。减速器包含在直流无刷电动机中，通过减速器起到减速增距的作用，由此增加输出的扭矩，增强承受负荷的能力。Matlab/Simunink采用PermanentMagnetSynchronousMachine（永磁同步马达）模块模拟执行机构，改变参数，使其与主机一致。电机具体的参数如下：R=0.161Ω、L=0.0097H、J=0.986㎏·㎡、B=0.57Wb。仿真模型如图4-3。4-3线控转向汽车模型通过MatlabFunction，基于霍尔的相位转换表创建开关逻辑算法，并通过相应的逻辑门实现。与真值表对应的逻辑代码分别在表4-2中显示。表4-2真值表霍尔信号Mosfet导通真值表导通相HaHbHcQ1Q2Q3Q4Q5Q6001000110CB010011000BA011010010CA100100001AC101100100AB110001001BC进行马达的模拟实验，验证模拟马达是否旋转，输入占空比为0.5的PWM波输入负载（load）为3Nm来进行电机的仿真实验。2.2Simulink与和CarSim联合建模该模型是通过将已经建立的马达模型与PID的控制模型相结合来构建的。向PID控制器输入角变化率PID控制后输入PWM波发生器产生占空比可变PWM波PWM波控制三相反相器桥中的6个MOS管的通断、由此，可以调整马达，可以控制作用时间来控制旋转角度。PID控制器通过接收马达的旋转角度变化率，对PWM波产生器产生的PWM的占空比进行PID的控制调整。旋转角信号的变化率根据输出扭矩和负载的差除以惯性，然后根据其求导得到。（4-4-）司机在转动方向盘时需要7Nm的扭矩，因此PID和方向盘机构的联合建模时将负荷以7Nm的形式进行建模。为了设置PID参数，使系统处于良好的响应状态，对PID控制器进行了多次分配实验。最终确定Kp=5,Ki=2,Kd=0。运行后的实验结果如图4-4和图4-5。图4-5图4-6转角定标率曲线变动小，对应时间短，最大过冲小，响应效果高。为了验证本设计的转向策略是否完成汽车转向的控制，进行Matlab/Simuurlink和Carsim的联合模拟。Simurink控制模块通过减速机构将马达的旋转角作为手柄旋转角输入到Carsm模型车中。仿真参数设置（表4-3）。表4-3参数设置车型Class,Hatchback

车速120

km/h仿真步长0.001s方向盘转角16仿真时间21.8

sSimulink与Carsim联合建模如图4-6所示。图4-6联合建模仿真图进行仿真实验。首先，对Carsm进行车身参数的设定，将Carsm的Import参数设定为IMP。STER〔う〕SW（方向盘旋转角度）设定模拟道路状况，选择1km的SQUAREw/Connses道路状况，将模型车的行驶速度设为30km。设置仿真时间与步长。将Carsm的模型发送至Simlink，点击执行。2.3仿真结果与分析模拟后得到的实验结果是图4-7所示的行驶路径的角。实验得到的数据表明，模型车的行驶角可以很好地追踪马达减速机构的旋转角，以