基于嵌入式的懸架與轉(zhuǎn)向集成控制器研究

       在輸入信號進(jìn)入MCU之前，需要進(jìn)行模數(shù)轉(zhuǎn)換、電平匹配等信號調(diào)理。轉(zhuǎn)向盤信號由轉(zhuǎn)矩傳感器提供，轉(zhuǎn)矩傳感器由滑塊、鋼球、環(huán)和電位器組成，用來獲得轉(zhuǎn)向盤操作力大小和方向信號，轉(zhuǎn)換為電壓值傳遞到MCU的AIN0和AIN1腳。MCU接收到主、副兩路對稱信號，采樣時(shí)只需采用一 種電路。輸入信號幅值為 0～5V，S3C44B0X的A/D轉(zhuǎn)換器輸入電壓范圍為0～2.5V，故需進(jìn)行濾波和分壓處理，如圖4所示。采樣濾波為二階低通有源電路，阻值相同的 R1、R2先將輸入信號分壓，幅值變?yōu)樵瓉淼囊话?，然后與C1構(gòu)成一階低通濾波電路，R3與C2構(gòu)成二級一階低通濾波，運(yùn)放起電壓跟隨作用。

        加速度傳感器根據(jù)壓電效應(yīng)原理，加速度導(dǎo)致晶體變形，產(chǎn)生電荷改變，經(jīng)電荷放大器放大濾波后經(jīng)過通過二階低通有源濾波電路，同圖4，再進(jìn)入模數(shù)轉(zhuǎn)換ADC端口。MCU根據(jù)車身垂直振動(dòng)加速度和車輪振動(dòng)加速度的差值及其變化率進(jìn)行進(jìn)一步計(jì)算。

       車速傳感器位于變速箱上，根據(jù)車速大小產(chǎn)生成比例的信號，從車速里程表引出，為單極性脈沖信號，電壓在9.5V以上，ARM能處理的信號電壓為2.5V，所以車速信號的調(diào)理主要是信號的電平匹配，設(shè)計(jì)中采用光電耦合，見圖5所示。車速信號DI經(jīng)光耦轉(zhuǎn)變?yōu)?V的脈沖信號，經(jīng)同阻值電阻R2、R3分壓后輸?shù)?ARM的計(jì)數(shù)器，經(jīng)程序計(jì)算得到相應(yīng)車速。

        對執(zhí)行機(jī)構(gòu)的輸出控制包括對EPS直流電機(jī)和減振器步進(jìn)電機(jī)的控制。直流電機(jī)控制可分為勵(lì)磁控制和電樞控制兩種方法。這里采用開關(guān)控制方式驅(qū)動(dòng)功率場效應(yīng)晶體管，通過脈沖寬度調(diào)制PWM控制電樞電壓實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)速控制。圖6所示為直流電機(jī)控制示意圖[7]，定義ARM的端口PE3、PE4、PE5、PE6輸出直流電機(jī)控制信號，經(jīng)過四個(gè)驅(qū)動(dòng)光耦分別加到四個(gè)MOS開關(guān)管Q1、Q2、Q3、Q4控制端。當(dāng)要求電機(jī)正轉(zhuǎn)時(shí)，Q1受PWM 信號控制，同時(shí)Q4被施加高電平導(dǎo)通，Q2、Q3被施加低電平截止；當(dāng)要求電機(jī)反轉(zhuǎn)時(shí)，Q3受PWM信號控制，Q2被導(dǎo)通，Q1、Q4被截止，方便實(shí)現(xiàn)了電機(jī)的方向控制和轉(zhuǎn)速控制。

      3. 軟件設(shè)計(jì)

       硬件功能的實(shí)現(xiàn)需要軟件的支持，這里用的軟件集成開發(fā)環(huán)境是ADS1.2（ARM Developer Suite），它是由ARM 公司提供的專門用于 ARM 相關(guān)應(yīng)用開發(fā)和調(diào)試的綜合性軟件，用戶可用它的CodeWarrior IDE來開發(fā)、編譯、調(diào)試采用包括C、C++和 ARM 匯編語言編寫的程序。集成控制軟件流程見圖8所示，程序開始初始化后進(jìn)入循環(huán)，等待中斷，響應(yīng)后進(jìn)入中斷子程序返回采集信號，ARM對其進(jìn)行PID控制和模糊處理，輸出控制信號到執(zhí)行機(jī)構(gòu)，同時(shí)返回輸出信號進(jìn)行反饋對比。程序中兩個(gè)關(guān)鍵是PID算法和模糊算法的實(shí)現(xiàn)。
為便于在計(jì)算機(jī)中實(shí)現(xiàn)PID控制，當(dāng)采樣信號足夠小時(shí)，用求和代替積分，用向后差分代替微分，將PID控制方程：
（1）
       離散化為差分方程得到數(shù)字PID控制方程：
（2）

       式中，Kp，Ki，Kd分別是比例系數(shù)、積分系數(shù)和微分系數(shù)，由仿真整定出這三個(gè)參數(shù)。

圖8  軟件流程示意圖

        在模糊控制子程序中，首先定義模糊控制規(guī)則表，再對車身和車輪加速度差值及其變化率進(jìn)行模糊化，限定論域的飽和值后進(jìn)行模糊推理，最后反模糊化得到步進(jìn)電機(jī)的方向和脈沖數(shù)，進(jìn)而控制電機(jī)的轉(zhuǎn)向和步距角。這里為了易于編程實(shí)現(xiàn)，模糊化采用的是三角隸屬函數(shù)，模糊規(guī)則使用最常用的if-then規(guī)則，反模糊化采用重心法。