单片机在汽车驾驶模拟器中的应用

摘要：汽车驾驶模拟器以其环保性、安全性、高效性应用广泛。但以往的汽车驾驶仿真器是以特性弹簧等作为回正力矩的生成元件，其可靠性无法保证，且模拟误差大。提出基于单片机的直流电机控制系统模拟汽车行驶过程中受到的回正力矩。该系统中上位机实时计算出汽车受到的回正力矩，通过串口发送至单片机，单片机通过PWM(脉宽调制)控制直流电机的输出力矩以达到模拟的目的。经实验验证，该系统能较准确模拟汽车受到的回正力矩，使得驾驶模拟器更准确地反映实际情况。
关键词：汽车驾驶模拟器；回正力矩；单片机；直流电机

    通过研究汽车转向系统，建立汽车方向盘回正力矩的数学模型，采用一个直流力矩电机控制系统模拟汽车行驶时方向盘受到的回正力矩。将此系统应用于汽车驾驶仿真器中，电机产生的效果与驾驶真车行驶的状况相似，驾驶员可在汽车驾驶仿真器上熟练掌握操作程序后，再驾驶真车进行行驶练习。随着微电子技术的发展和微机价格下降，本系统将在汽车回正力矩模拟中得到广泛应用。

1 方向盘回正力矩的计算
    车辆运行过程中的各种姿态和运行状况，参照固定在地面上的右手直角坐标系确定。一般情况下，车辆固定坐标系选择与操纵的起始点相一致。此坐标系如图l所示。

    图1中，O为汽车质心；a、b分别为质心到前、后轴的距离；R为汽车转向半径。δ为前轮转向角。回正力矩的计算公式的具体推导过程及各参数的具体含义可参见文献。

2 控制系统的组成及驱动电路接线
    系统以C805l单片机为控制器，采用专用集成驱动器IR2110驱动MOSFET构成H桥驱动电动机，以PWM(脉冲宽度调制)控制电动机输出力矩，以汽车速度和车轮转角为输入量，以电动机实际输出力矩为反馈量，用PID控制算法实时调整电机输出力矩。图2为直流力矩电机控制系统的结构框图。驱动电路采用2片IR2110驱动4个MOSFET构成H桥驱动电路，通过改变单片机的PWM控制电机的输出力矩。IR2llO自举驱动电路如图3所示。

    图3中VQl、VQ3为P沟道MOSFET，VQ2、VQ3为N沟道MOSFET；电阻R1～R4用来保护器件不受损坏；二极管(VD1～VD4)是在MOSFET关断时起保护作用，防止电动机的感应电流损坏MOSFET；电容器(C1～C4)的值通常小于10 pF，主要用于减少换向器换相引起的干扰。H桥工作模式与电机运行状态的关系如表1所示。

3 计算机与单片机的通讯
    计算机与单片机使用串口通讯，考虑到串口的输出电压高达十几伏，而单片机正常工作电压仅3．3 V，仅兼容5 V电压，串口输出为RS-232电平，而单片机为TTL电平，因此，应在串口输出与单片机之间加一电平转换电路。这里采用MAX3232实现电平转换，其电路图如图4所示。

    在设计该电平转换电路时应注意以下几点：1)电路中的电容为0．1μF，实际应用中如果MAX3232的引脚2和引脚6电压达不到要求，则可换为1μF的电容，但使用中要注意正负极性。2)MAx3232的串口的引脚7与引脚8悬空。3)若MAX3232的引脚16接地电阻选用钽电容，可用其正极接地，但作者经过数次试验后发现电容发热严重，故建议采用负极接地，且正极接地时若电压过高有可能发生爆炸。

4 回正力矩的计算及模拟的实现
    本系统选用直流力矩电机作为力矩输出。直流力矩电机输出力矩与电流的幅值成正比，所以调速系统的关键是控制电动机电流大小。电机力矩控制采用单片机的PWM方式改变电机的平均电压，根据实际所需的电动机力矩计算所需的占空比，从而实时控制电机。
    回正力矩的计算是由上位机完成的，上位机由测得的车速及方向盘的转角，计算出此时方向盘上受到的回正力矩。上位机将计算得的数值通过接口传送到单片机对力矩电机进行控制，同时力矩传感器将电机的实际输出力矩反馈给单片机的ADC模块，如果实际值与计算值不符，计算机就用PID算法进行调速。最终使输出与计算值相一致。
    为了实现精确控制，该文中采用位置式积分分离型PID控制算法对电机转速进行控制。积分分离型PID控制算法与普通PID算法相比较，其优越性体现在：消除电动机力矩改变较大时造成的静差。计算机编程实现积分分离型PID控制的程序框图，如图5所示。

    从图5中可看出，PID算法并不是一直计算，当两者相差比较小时，该计算无实际意义且占用过多资源，但当偏差大于一定值时才启动。
采用积分分离型PID控制算法后，其控制效果比普通PID控制算法有较大的改善，由文献的比较图可明显看出。可变占空比的输出波形如图6所示。

5 结论
    该控制电路可控制直流力矩电机的转速、转向及输出力矩，电路简单，容易实现，结合PID控制算法实现电机的精确控制；该系统可在不改变硬件电路的情况下，通过改写软件程序实现多种控制；为了减少控制器件与驱动电路的干扰，电路中采用光电耦合器并加入4只磁片电容消除射频辐射，使系统更安全、可靠。此控制系统在汽车驾驶模拟器中经实验验证其输出与实际很接近，精确度满足模拟要求。
单片机在汽车驾驶模拟器中的应用
齐振锋 张小辉 徐漫琳 吴维鑫
(西南交通大学 电气工程学院 四川 成都 610031)

摘要：汽车驾驶模拟器以其环保性、安全性、高效性应用广泛。但以往的汽车驾驶仿真器是以特性弹簧等作为回正力矩的生成元件，其可靠性无法保证，且模拟误差大。提出基于单片机的直流电机控制系统模拟汽车行驶过程中受到的回正力矩。该系统中上位机实时计算出汽车受到的回正力矩，通过串口发送至单片机，单片机通过PWM(脉宽调制)控制直流电机的输出力矩以达到模拟的目的。经实验验证，该系统能较准确模拟汽车受到的回正力矩，使得驾驶模拟器更准确地反映实际情况。
关键词：汽车驾驶模拟器；回正力矩；单片机；直流电机

    通过研究汽车转向系统，建立汽车方向盘回正力矩的数学模型，采用一个直流力矩电机控制系统模拟汽车行驶时方向盘受到的回正力矩。将此系统应用于汽车驾驶仿真器中，电机产生的效果与驾驶真车行驶的状况相似，驾驶员可在汽车驾驶仿真器上熟练掌握操作程序后，再驾驶真车进行行驶练习。随着微电子技术的发展和微机价格下降，本系统将在汽车回正力矩模拟中得到广泛应用。

1 方向盘回正力矩的计算
    车辆运行过程中的各种姿态和运行状况，参照固定在地面上的右手直角坐标系确定。一般情况下，车辆固定坐标系选择与操纵的起始点相一致。此坐标系如图l所示。

    图1中，O为汽车质心；a、b分别为质心到前、后轴的距离；R为汽车转向半径。δ为前轮转向角。回正力矩的计算公式的具体推导过程及各参数的具体含义可参见文献。

2 控制系统的组成及驱动电路接线
    系统以C805l单片机为控制器，采用专用集成驱动器IR2110驱动MOSFET构成H桥驱动电动机，以PWM(脉冲宽度调制)控制电动机输出力矩，以汽车速度和车轮转角为输入量，以电动机实际输出力矩为反馈量，用PID控制算法实时调整电机输出力矩。图2为直流力矩电机控制系统的结构框图。驱动电路采用2片IR2110驱动4个MOSFET构成H桥驱动电路，通过改变单片机的PWM控制电机的输出力矩。IR2llO自举驱动电路如图3所示。

    图3中VQl、VQ3为P沟道MOSFET，VQ2、VQ3为N沟道MOSFET；电阻R1～R4用来保护器件不受损坏；二极管(VD1～VD4)是在MOSFET关断时起保护作用，防止电动机的感应电流损坏MOSFET；电容器(C1～C4)的值通常小于10 pF，主要用于减少换向器换相引起的干扰。H桥工作模式与电机运行状态的关系如表1所示。

3 计算机与单片机的通讯
    计算机与单片机使用串口通讯，考虑到串口的输出电压高达十几伏，而单片机正常工作电压仅3．3 V，仅兼容5 V电压，串口输出为RS-232电平，而单片机为TTL电平，因此，应在串口输出与单片机之间加一电平转换电路。这里采用MAX3232实现电平转换，其电路图如图4所示。

    在设计该电平转换电路时应注意以下几点：1)电路中的电容为0．1μF，实际应用中如果MAX3232的引脚2和引脚6电压达不到要求，则可换为1μF的电容，但使用中要注意正负极性。2)MAx3232的串口的引脚7与引脚8悬空。3)若MAX3232的引脚16接地电阻选用钽电容，可用其正极接地，但作者经过数次试验后发现电容发热严重，故建议采用负极接地，且正极接地时若电压过高有可能发生爆炸。

4 回正力矩的计算及模拟的实现
    本系统选用直流力矩电机作为力矩输出。直流力矩电机输出力矩与电流的幅值成正比，所以调速系统的关键是控制电动机电流大小。电机力矩控制采用单片机的PWM方式改变电机的平均电压，根据实际所需的电动机力矩计算所需的占空比，从而实时控制电机。
    回正力矩的计算是由上位机完成的，上位机由测得的车速及方向盘的转角，计算出此时方向盘上受到的回正力矩。上位机将计算得的数值通过接口传送到单片机对力矩电机进行控制，同时力矩传感器将电机的实际输出力矩反馈给单片机的ADC模块，如果实际值与计算值不符，计算机就用PID算法进行调速。最终使输出与计算值相一致。
    为了实现精确控制，该文中采用位置式积分分离型PID控制算法对电机转速进行控制。积分分离型PID控制算法与普通PID算法相比较，其优越性体现在：消除电动机力矩改变较大时造成的静差。计算机编程实现积分分离型PID控制的程序框图，如图5所示。

    从图5中可看出，PID算法并不是一直计算，当两者相差比较小时，该计算无实际意义且占用过多资源，但当偏差大于一定值时才启动。
采用积分分离型PID控制算法后，其控制效果比普通PID控制算法有较大的改善，由文献的比较图可明显看出。可变占空比的输出波形如图6所示。

5 结论
    该控制电路可控制直流力矩电机的转速、转向及输出力矩，电路简单，容易实现，结合PID控制算法实现电机的精确控制；该系统可在不改变硬件电路的情况下，通过改写软件程序实现多种控制；为了减少控制器件与驱动电路的干扰，电路中采用光电耦合器并加入4只磁片电容消除射频辐射，使系统更安全、可靠。此控制系统在汽车驾驶模拟器中经实验验证其输出与实际很接近，精确度满足模拟要求。