基于车辆速度控制系统的设计
2022-02-14
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言第电0子1科卷 学 第技0术2期Electronic Science & Technology 2014年9月电子科学技术Electronic Science & Technology Vol.01 No.02 Sep.20142014年基于VRT车辆速度控制系统的设计刘大鹏,宋娟,周唯(中国软件评测中心&物联网促进中心,北京,100048) 摘要:汽车速度转速控制是汽车队列技术重要内容。通过引导车ECU采集发动机的CAN报文,并解析报文获得的转速数据,利用CAN总线把引导车的转速数据和油门踏板电压数据等传输给后随车辆。通过控制后随车油门踏板电压信号控制发动机转速,实现多台发动机的转速同步控制和车辆同步。控制算法综合了数字PID和模糊PID控制,可以对发动机转速进行比较精确的控制。 关键词:速度控制;汽车列队;CAN总线;模糊PID 中图分类号:TP212 文献标识码:A 文章编号:2095-8595 (2014) 02-218-06 Design of Vehicle Speed Control System Based on VRTDapeng Liu, Juan Song, Wei Zhou (China Software Testing Center&Internet promotion center, Beijing, 100048, China ) Abstract: Speed control is an important technology in Vehicle Road Train (VRT). Engine speed can be obtained using CAN messages from ECU in the header vehicle engine. The trailer’s speed must be controlled with an acceptable speed range. Voltage of acceleration pedal and the engine speed are transmitted from the header to trailers by the CAN-BUS. Engine speed is controlled by regulating voltage signal of acceleration pedal in the trailers. An engine controller is designed and a prototype is implemented. Combining a PID Controller and a Fuzzy Controller, a good controller of engine speed can be achieved. Key words:Speed control; Vehicle road train; CAN-BUS; Fuzzy PID1 引言过车间的通信协议和系统设计,以及车辆动态信息和随着经济的发展,机动车数量的增加,许多国家安全信息的监控,最大限度地保障行驶与交通安全。都面临着严重的交通问题。大幅度提高道路通行能力例如2011年深圳世界大学生运动会,就动用了和道路安全,已是当前交通面临的最大问题之一,而1600辆新能源大客车完成输送客流任务。除了车辆以集中、大规模的城市活动所涉及的高密度传输客流更外,还需要数千司机,而且客车行驶需要安全车距,是一个复杂问题。按保守计算(考虑城市交通,车速比较低),平均车独立车辆连接组合成汽车队列,通过汽车电子技距10米,这样道路资源空耗就是约20公里。如果采用术和现代通信技术及智能控制技术应用,实现灵活、公路列车技术,以5~10辆汽车连接编组运行,司机可靠、经济智能的车辆集群,以高效、经济的手段,人数可以减少5倍,而道路资源空耗也可以减少80%左在短时间内完成大规模人流物流的输送,成为公路列右。公路列车技术同时将会提供一种高效率的现代城车发展目标,这样可以大大提高车辆、司机和道路的市生活客流输送新方式,有着重要的社会意义和经济使用效率。灵活、可靠的汽车列队技术可以使车辆输意义,而电动车的速度控制是汽车列队最重要的基础送能力灵活配置,通过减少司乘人员和充分利用道路研究。空间,能够减少能源消耗,提高输送效率。同时,通218第02期刘大鹏等:基于VRT车辆速度控制系统的设计2 系统设计2.2 结构设计2.1 功能设计 设计实现一种基于CAN总线通讯的多台发动机控制系统通过CAN网络读取第一辆车的转速数据转速同步控制系统。公路列车的基本单元如下图3所和电机的加速度信号。作为其他车辆的目的转速,进示,车辆间采用固体连接器,通信采用CAN总线。根行速度控制。常用的是传统的PID控制,利用误差比据发动机的动力和系统需求,队列的形式和长度可以例、积分、微分的线性组合来对控制对象进行调节,灵活变动。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。图3 车辆间的信息传递对于普通电喷车辆,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图1 模糊PID参数自整定控制发动机的转速。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],根据PID参数的整定原则,结合电动助力转向系而这个发动机转速数据又通过CAN总线向其他车发统的实际情况,将以电流之差值和电流差值变化率作送。当CAN-BUS的传输速率是250kb/s时,节点间的为输入量。设电流差值e和电流差值变化率ec的论域取最大距离是100米。如果车队发动机之间线束的距离[-8,8],输出变量Kp',Ki',Kd'的论域取[-8,8],在它们大于100米,则需要加入中继器。的模糊论域上分别定义7个模糊子集 e,ec={NB, NM, 即使油门踏板电压信号相同,发动机的转速也会NS, Z, PS, PM, PB}。语言值定义为:负大,负中,负有细微的差别[2]。考虑每台发动机的特殊性,设计采小,负零,正零,正小,正中,正大,隶属函数采用用的转速调节方案两步进行:跟随车辆先通过油门踏梯形函数和三角函数的结合。仿真图如下图2所示: 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:图2 模糊PID Matlab仿真图 通过模糊规则确定了不同目标参数下的比例系图4 车辆系统的结构图数,积分系数和微分系数,从而计算出实际的电压值在头车上,通过AD转换采集的油门踏板信号,的大小。利用D/A转换来的电压信号,驱动电子节气高速CAN总线上读取车辆发动机ECU上的报文,报文门的油门开度,从而控制发动机的转速。解析获得发动机转速数据,然后将获得的油门踏板信控制算法的优劣程度依靠直流电机来测试验证。号的数据和发动机转速数据打包向后面的车辆传送,传统的电机控制方法是通过控制直流电机输入端的电后车解析报文得到第一台车的油门踏板电压数据和发压来控制电机输入电流的大小,从而控制电机的转动机转速数据。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3 系统硬件设计的瞬态性能和稳态性能检测出算法的可行性。3.1 车载CAN网络的硬件设计219电子科学技术Electronic Science & Technology 2014年控制系统CAN网络硬件电路图如下图5所示:图5 CAN网络的硬件电路图系统主控器MCU采用DSPIC33FJ256GP芯片,其对电源系统进行初级的电压保护,大电流的负载接在具有两路CAN接口。CAN收发器采用的TJA1040。这一级电路[5]。然后利用LM2576来进行二级的电压隔MCU和收发器TAJ1040间采用10Mb/s的高速光耦离,经过稳压电路后,转化成3.3V和5V信号送给MCU6N137来实现隔离,防止CAN总线上的尖峰脉冲对内和各种供电设备。系统的电路图如下图6所示: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。 图6 控制器电源防EMC设计电路图3.3 电机驱动硬件设计3.2 硬件系统稳定性设计多个电机间的数据传递是通过CAN总线进行数据一个好的系统必须有良好的电源系统,特别是在传递[6]。高速CAN采集第一辆车的电机转速和电机的汽车电子产品中[4]。由于电机、电磁阀等电磁负载的加速度。低速CAN进行不同车辆间的数据传递。而为汽车系统会把ESD尖峰噪声和几种浪涌和瞬态电压引了防止信号线的电磁特性对控制板系统的干扰,须通入到电源和信号线系统中。整车测试时,雨刮电机抛过光耦进行电磁隔离[7]。负载时对电源系统有近200V左右的尖峰噪声的干扰,电机的驱动电路如下图7所示,采用的是24V、尖峰脉冲的持续时间为100ns级别。所以电源系统必须3A的直流电机模拟车辆间的动力。驱动器采用的是要消掉这种尖峰脉冲,有两种方法:一种是电源和地BTS7960,具有很好的隔离噪声的效果,所以不需用之间并联相应的压敏电阻;另一种是并联瞬态抑制二光耦进行光电隔离。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10/1000μs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 图7 电机驱动电路图220第02期刘大鹏等:基于VRT车辆速度控制系统的设计系统MCU采用的是DSPIC33FJ256具有丰富的电机模型。通过实验法找到经验的PI系数,作为模糊硬件资源可以很好地完成PWM控制和CAN数据的PID的参数[9]。PWM占空比的精度是5000,电机的电处理。CAN收发器采用的TJA1040。MCU和收发器压是24V,则控制精度是24/5000=0.0048V,这个控制精TAJ1040间采用10Mb/s的高速光耦6N137来实现隔离,度给我们的电机控制转速提供了足够高的精度。程序防止CAN总线上的尖峰脉冲对内部电路的冲击。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/4 系统软件设计秒。各个速度下的比例系数如表1所示:4.1 CAN网关的软件设计发动机的CAN网络是高速CAN网络,传输速率是表1 发动机的转速和PID参数表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,而不表1的数据存储在EEROM中的,设计中,控制板会因为低速数据的吞吐率不够而丢失高速数据,保证设置了按键和单片机的外置EEROM。这样即可以现了数据在不同速率间传递的可靠性。其主程序图如下场对不同的电机进行PID的参数调整,又能保证数据图8所示: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,[1] 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[2] 图如图9所示:[3] [4] [5] 图8 主程序流程图4.2 系统程序设计 设计控制系统时,把电机看成一个黑盒,简化了图9 控制算法流程图221电子科学技术Electronic Science & Technology 2014年5 性能测试由于电机是感性负载,在电源断开时,会出现抛5.1 控制性能测试负载的情况,电机会产生严重的浪涌电流,负的瞬态控制发动机转速是控制油门踏板的电压信号,采高压也会产生,之后反向产生正跳变,这时开关未完用直流电机模拟发动机,通过测试电机的瞬态响应和全断开或者通过别的方式传导到电源线上,使电源受稳态响应来测试发动的控制算法的精确性[11]。测试电到尖峰脉冲干扰。电机端电压后面会等间隔地出现正机的转速常用的是光电编码器,设计采用100线的光脉冲,这是电机处内部换相时产生的,由于此时电机电编码器,每转一圈输出100个方波脉冲,通过测量已与电源完全断开,即对电源无影响,但强烈干扰出脉冲的周期来换算成电机的瞬时速度。电机的齿轮和现在电机停止工作的瞬间。光电编码器之间的传动比为2∶1,光电编码器输出的为了测试控制系统的电源系统抗击尖峰脉冲的冲脉冲周期为T秒,通过公式 Y=1/200T,可得电机的实击的性能,采用雨刷电机工作时的脉冲作为干扰源进时转速为 1/200T转/秒,而示波器不能对所测得的周期行了实验研究。即把车上的雨刷电机并联到24V的电进行运算,则用虚拟仪器(Labview)测试电机的实路系统中,示波器通道2是采集的是电池接上雨刷电时速度。Labview的上层编写软件如下图10所示。 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:图10 Labview的应用层编写程序软件设置数据采集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 图12 电源稳定性测试波形图后,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,6 结束语此图是目的速度为30转/秒的情况下测得的速度曲线,基于CAN总线的发动机转速控制系统能够抵制车横坐标精度是10ms,纵坐标的精度是2.5转/秒。由图载负载的电磁干扰的冲击,具有很好的稳定性。在控中可知,响应时间为240ms,上升时间为80ms,能满制算法上充分考虑了汽车列队中对速度的精确性控制足控制器的控制要求。 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[1] 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.[2] 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.图11 电机瞬态响应测试图[3] 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,2006.5.2 控制系统抗EMC测试[4] 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222第02期刘大鹏等:基于VRT车辆速度控制系统的设计与研究进展[J].交通与计算机2008,26(4):154-P157.[5] 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.[6] 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.[7] Vermillion C,Butts K,Reidy K. 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