线控转向技术（共6篇）
线控转向技术 篇1
0引言
控制器局域网 (CAN) 是广泛应用在车辆控制系统中的现场总线技术之一, 最初是20世纪80年代德国Bosch公司开发用于汽车的总线通信协议的标准。近几年, 国内学者在农业机械自动驾驶与导航、虚拟仪表以及电液悬挂等方面的研究取得较大进展。工程应用的典型协议有SAEJ1939、ISO11783、CANOpen等。
在国内外重型农用拖拉机智能控制系统中, 各子控制系统 (如高压共轨电喷柴油机综合控制、电液悬挂与液压输出智能控制、自动变速控制、GPS自动路径规划与导航控制等) 并不是相对孤立的, 而是通过CAN建立PLC控制网络系统, 实现各系统的通信与协调控制。根据整机控制的要求, 将分属不同控制的运行状态信息按照优先级, 通过CAN发布给整个控制网络, 实现信息实时共享, 完成不同的控制功能。例如由GPS导航系统产生的滑转率信息发布给控制网络后, 电液悬挂与液压输出智能控制系统和自动变速控制系统按照各自的控制策略进行耕深调整和换挡操作。约翰迪尔公司和凯斯纽荷兰公司均在其重型拖拉机上配备了智能控制网络, 以Sauer-Danfoss公司为代表的工业自动控制开发商也已面向拖拉机制造厂商、大型农场提供智能控制网络的配套与技术服务。
本应用以控制器C3作为线控转向主控制器, 使用交互式图形显示器IC6600作为人机交互控制器和虚拟仪表显示器, 完成转向控制模式转换和拖拉机行驶状态显示等功能。通过节点标识符ID的分配、关键节点控制程序的设计, 实现拖拉机的线控转向功能。
1基于CAN的硬件系统
1.1主控制器C3构成
C3是一款适用于工程车辆控制的可编程控制器, 支持CAN2.0B和SAEJ1939通信协议。设计可靠, 具有多种标准电气接口, 可根据应用需求进行灵活配置。控制器采用密封的铸铝壳体, 外部电气线路通过42芯防水连接器与控制器连接, 壳体上有一个4芯接口, 用于控制器的在线调试。防护等级IP66。工作温度范围:-40℃~85℃;供电电压范围:10V~36V DC。
C3采用频率为16MHz的16位中央处理器, 配备1MB的Flash存储器和512KB的静态RAM。系统集成+6V开关电源电路、时钟电路、RS-232驱动电路和CAN控制器驱动电路。外围接口包括2路CAN接口、RS232插座、+5V电源插座和42芯连接器。通过42芯连接器与外部电气连接, 实现控制器输入输出功能, 并配有I/O跳线板。当JPx断开时, 对应端口的分配如表1所示。IOx端口为输入功能, 短接为输出功能。
表1中字母P代表PWM输出, 字母I代表数字量输入, 字母O代表数字量输出, 字母N代表计数器输入, AIN代表模拟量输入, UBP1、UBP2代表系统供电正电源, GND代表系统地, AGND代表模拟地输出, CAN1H、CAN1L为CAN总线接口1, CAN2H、CAN2L为CAN总线接口2。C3控制器多数I/O端口均具有两个或两个以上的功能, I/O复用端口的输入输出功能可通过跳线选择。
1.2系统功能
拖拉机线控转向系统主要包括主控制器C3、柴油机综合控制ECU、交互式图形显示器、GPS模块、方向盘智能节点以及C3外围输入、输出电路。控制系统通过前后机架间的凸轮机构将线位移传感器信号转换为前后机架间的转角信号。
控制网络的主要功能如表2所示。
线控转向系统主要设备参数如表3所示。
1.3物理层的技术条件
CANH、CANL以及数字输入、输出信号的通信物理介质 (线束) 用线径为0.6 mm2双绞线。最大双绞间距小于25节/m, 节点与总线间距离小于0.3 m, 节点与节点间距离大于0.1 m。CANH、CANL间配置两个120Ω并联电阻, 线延迟小于5 ns/m, 传输速率为250 kb/s。
2软件系统
主控制器C3、交互式图形显示器IC6600使用支持IEC-61131标准的Co De Sys Runtime System软件, 由德国3S公司制作, 其工作原理是“基于实时系统的驱动器”, 可以和编程系统进行实时通信, 从而达到在线调试的功能。
在拖拉机智能控制网络结构中, 柴油机综合控制ECU、方向盘智能节点SASA负责完成相关信息的采集与处理, 并定期向总线发布, 由C3、IC6600负责信息接收, 经内部用户循环程序调用、处理和相互通信完成线控转向、专家智能控制与虚拟仪表的相关功能。
在系统上电或复位后, C3的监控主程序对系统寄存器进行初始化设置, 并完成系统检测;通过对CAN模块及网络进行管理, 实现网络通信, 并对整个系统的工作状况进行监测, 完成显示和报警等功能。C3主要向IC6600发布包括机架转向角度、理论车速、牵引力、左右转向和燃油位等整机状态的数据。
在线控转向系统调试、停车再启动、转向控制模式转换等阶段, 均需建立方向盘转角与整机转角间线性对应关系, 这涉及转向稳定性与安全性问题。由于在线控转向控制中用增量式控制方法, 0位校正控制程序可选择性操作, 0位校正应在整机速度为0时进行。0位校正控制程序流程图如图1所示。
3小结
通过研究线控转向技术在拖拉机上的应用, 建立了由线控转向系统、虚拟仪表系统和专家智能系统组成的基于CAN的PLC联网控制系统。根据拖拉机作业特点, 提出了系统的硬件系统和软件系统的总体方案, 重点阐述0位校正程序设立的重要性, 分析了关键程序的流程图。
装载机线控转向角度测量控制研究 篇2
线控转向系统指通过微电子技术连接并控制转向系统的各个元件来代替传统的机械或液压连接。用传感器记录驾驶者的转向数据, 然后通过数据线将信号传递给车上的微计算机, 计算机综合这些和其它信号做出判断后, 再控制车辆的转向角度, 实现了方向盘与转向执行部分之间的无机械和液压连接的线控转向。工程应用中, 控转向系统可以根据不同的工况来调节方向盘的转动圈数, 分为行走模式和作业模式, 这样就能在很大程度上降低劳动者工作强度。紧急情况下, 为避免驾驶者的错误判断, 这个系统还会忽略驾驶者的转向输入, 平稳地将车保持在最安全的状态[1]。
装载机作为一种装卸成堆散料和进行轻度挖掘的专用工程机械, 已被广泛应用到建筑工地、矿山、港口、仓库、料场等国民经济的各个方面, 成为现代化建设的重要装备[2]。转向系统是决定工程车辆安全性和作业效率的关键总成。轮式装载机为实现良好的转弯性能多采用销轴铰接形式, 该车辆的车架由前后两段车架组成, 前、后车架采用销轴铰接联接, 并由油缸使前后车架保持或改变相对夹角而使车辆以不同的弯道行驶半径在地面运行[3]。
随着应用场合工况要求的提高和现代技术的发展, 车辆转向系统的性能需要进一步提高, 解决原有的转向系统中存在着灵敏度不可调节、没有路感等问题, 为提高转向性能, 科技工作者致力于研究线控转向技术。由于取消了方向盘和转向轮之间的机械连接, 完全摆脱了传统转向系统的各种限制, 因此使车辆的设计、装配大为简化, 而且还可以自由设计车辆转向的力传递特性和角传递特性, 给车辆转向特性的设计带来无限的空间, 是车辆转向系统的重大革新[4]。
1 装载机线控转向系统的组成
线控转向系统通常由以下四部分组成, 具有力反馈的电子方向盘, 液压系统, 转向油缸及电控单元。系统组成如图1所示。线控转向系统以MCU为核心, 检测来自力反馈电机、方向盘转角传感器、压差传感器、车架转角传感器等的信号, 计算并得出相应的动作指令, 控制比例减压阀的位移, 进而控制流量放大阀的位移即改变液压缸的行程, 实现转向控制。
1.方向盘;2.力反馈电机;3.方向盘转角传感器;4.微控制器MCU;5.比例减压阀;6.溢流阀;7.控制泵;8.转向泵;9.油箱;10.流量放大阀;11.压差传感器;12.转向液压缸;13.车架转角传感器
2 装载机线控转向角度检测装置的设计
现有的技术方案是在转向油缸的两端跨接安装直线位移传感器, 通过测量转向油缸的伸缩量来间接测量车辆的转向角度, 然而所需的传感器长度很大, 转向油缸所处的位置低, 接近地面, 工作过程中传感器容易受到洒落奔跳的物料的冲击, 以致破坏。铰接车辆的前后车架铰接处装有球铰, 两者之间存在着复杂的相对转动, 若检测装置设计不合理, 易引起车辆转向角度测量误差, 导致转向控制失误, 故如何准确测得前后车架的相对转向角度成为线控转向系统研究中的关键问题。
(1) 角度检测装置的组成。本文设计的用于轮式装载机转向角度检测装置, 能够准确测得前后车架的相对转向角度, 即装载机转向角度, 且能够消除因前后车架发生相对扭转、俯仰而引起的转角误差, 检测铰接车架转向角度采用轴角编码器, 直接检测装载机转向角度数据更精确。将传统两个液压缸使用的压力传感器改为压差传感器, 不仅简化系统, 也为设计路感也提供了更精确的数据。设计的轮式装载机转向角度检测装置如图2与图3所示。
1.前车架;2.支架;3.小同步带轮轴;4.轴承端盖;5.小同步带轮;6.联轴器;7.车架角位移传感器;8.同步带;9.大同步带轮;10.大同步带轮轴;11.销轴压板;12.后车架;13.销轴
在图2和图3中, 销轴压板与销轴焊接固定联接, 销轴压板与后车架通过螺栓固定联接, 前车架与后车架由销轴铰接联接, 该装置主要由支架、小同步带轮轴、轴承端盖、小同步带轮、联轴器、轴角编码器、同步带、大同步带轮和大同步带轮轴构成;支架通过螺栓固定联接在前车架上, 小同步带轮轴通过轴承安装在支架的轴承座上, 小同步带轮通过键固定联接在小同步带轮轴上, 轴角编码器通过螺栓固定联接在支架的上端, 轴角编码器的输入轴通过联轴器与小同步带轮轴固定联接, 大同步带轮通过键固定联接在大同步带轮轴上, 所述大同步带轮轴与销轴同轴心线焊接固定联接, 同步带安装在小同步带轮和大同步带轮上。
轴承端盖通过螺栓固定安装在支架的轴承座上端。轴角编码器的轴心线与小同步带轮轴的轴心线同心安装。前车架与后车架由销轴铰接联接后, 前后车架保持零度角转向时, 划出一条垂直通过销轴13的轴心线的前后车架左右对称线O-O, 支架通过螺栓安装在使小同步带轮轴的轴心线垂直通过对称线O-O、并使小同步带轮轴的轴心线与销轴的轴心线平行的位置处。小同步带轮与大同步带轮安装于同一平面上。
(2) 角度检测装置的角度检测原理。当轮式装载机转向时, 在转向油缸的推动下, 前车架与后车架之间会相对转过一定角度, 由于大同步带轮与后车架固定联接, 故同步带会带动小同步带轮转过一定角度, 从而使与小同步带轮轴3联接的转角传感器转过相应角度, 产生电信号输出, 根据同步带轮间的传动比得到前后车架的相对转向角度。当前车架与后车架发生相对扭转、俯仰时, 柔性的同步带发生轻微扭动, 避免了因前车架与后车架相对扭转、俯仰而引起的小同步带轮的附加转动带来的附加转角误差, 从而实现准确测量轮式装载机转向角度的目的。
3 装载机线控转向工作原理
本文对线控转向进行了创新设计, 优化了角度检测, 并且采纳一个压差传感器取代原有两个压力传感器。设计的线控转向系统工作原理如图4所示。
当驾驶员转动方向盘时, 方向盘轴角编码器检测方向盘的转角信号, 同时车架轴角编码器检测装载机转向角度信号, 这两个信号同时送到MCU, MCU对方向盘转角信号与装载机转向角信号进行比较, 如果差值不为零, 则根据差值的大小及符号输出控制指令, 经过功率放大后驱动比例减压阀输出相应的控制压力, 控制流量放大阀主阀芯的位移, 从而使车辆实现转向;如果差值为零, 则MCU输出给比例减减压阀的电流变为零, 此时控制压力也变为零, 流量放大阀主阀芯回到中位, 车辆停止转向。
在转向系中安装有压差传感器, 当转向或在崎岖不平的路面上行驶时, 系统压力变化, 压差传感器将压差信号转换为电信号送到MCU, 经过计算后向电子方向盘系统提供反馈力矩信号, 以使驾驶员能感受到合适的路感。
4 结论
本文对装载机线控转向原理与结构进行了创新设计, 采用直接检测装载机转向角度信号的设计方案, 该装置为装载机提供了一种切实可行的装载机转向角度检测功能。转向角度检测装置采用同步带结构, 避免了因前车架与后车架相对扭转、俯仰而引起的小同步带轮的附加转动带来的附加转角误差, 并且能够承受部分来自外界的扰动, 从而实现了准确测量轮式装载机转向角度的目的。优化精简液压缸压力检测, 为线控转向的路感提供了更为精确的数据, 使装载机线控转向的性能进一步提升。在工程车辆的实际运用中, 线控转向可设置作业模式和行走模式, 极大解放了人力, 是车辆智能化的重要方向。线控转向技术必然会在工程车辆中得到广泛的应用。
参考文献
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线控转向技术 篇3
一、DAS 系统组成
如图2所示, 这套线控转向系统的构成与传统转向系统结构类似, 也是由转向盘、转向柱、转向机组成。不同之处在于它多了3组ECU电子控制单元、转向盘后的转向动作回馈器、离合器以及自动防故障系统、电源等辅助系统等。
1.前轮转向模块
前轮转向模块包括前轮转角传感器、转向执行电机、电机控制器和前轮转向组件等。其功能是将测得的前轮转角信号反馈给主控制器, 并接受主控制器的命令, 控制完成转向盘所要求的前轮转角, 实现驾驶员的转向意图。
2.主控制器
主控制器对采集的信号进行分析处理, 判别汽车的运动状态, 向转向盘回正电机和转向电机发送命令, 控制2个电机协调工作。主控制器还可以对驾驶员的操作指令进行识别, 判定在当前状态下驾驶员的转向操作是否合理。当汽车处于非稳定状态或驾驶员发出错误指令时, 前轮线控转向系统将自动进行稳定控制或将驾驶员错误的转向操作屏蔽, 以合理的方式自动驾驶车辆, 使汽车尽快恢复到稳定状态。
3.转向盘模块
转向盘模块包括转向盘组件、转向盘转角传感器、力矩传感器、转向盘回正力矩电机。其主要功能是将驾驶员的转向意图 (通过测量转向盘转角) 转换成数字信号并传递给主控制器, 同时主控制器向转向盘回正电机发送控制信号, 产生转向盘回正力矩, 以提供给驾驶员相应的路感信息。
4.自动防故障系统
自动防故障系统是线控转向系的重要模块, 它包括一系列的监控和实施算法, 针对不同的故障形式和故障等级做出相应的处理, 以求最大限度地保持汽车的正常行驶。作为应用最广泛的交通工具之一, 汽车的安全性是必须首先考虑的因素, 是一切研究的基础, 因而故障的自动检测和自动处理是线控转向系统最重要的功能之一。它采用严密的故障检测和处理逻辑, 以最大限度地提高汽车安全性能。
二、DAS 系统工作原理
一方面, 驾驶员通过操纵转向盘, 把转角和转矩信号传给主控制器, 主控制器接受车辆状态信息并按照预设程序对转角和转矩信号进行处理, 输出激励信号给转向执行电机, 以使车辆转向;另一方面, 路感反馈信号亦传给主控制器, 主控制器对其处理后向路感反馈电机发出激励信号, 路感反馈电机便能模拟传统转向系统的路感信息, 从而使驾驶者获取转向路感。车载网络承担了整个系统的信号传递工作, 使采集到的各个信号形成一个有机整体。
三、DAS 系统特点
1.反应速度快
DAS摒弃了传统的机械结构, 改由电子信号控制, 由于反应速度快可以让驾驶员的操控感受更直接, 理论上讲, 应用这项技术的车辆在弯道行驶时, 更容易达到理论上的最佳行驶路线。
2.舒适性好
没有了机械连接的“负担”, 这套系统将过滤掉多数不必要的振动。也就是说当行驶在崎岖路面, 特别是车辙比较明显的道路上时, 转向盘不会再因路面的剧烈变化而产生过度振动, 驾车者能更平稳的把控转向盘。也许您会担心路感问题, 这方面日产早有考虑。ECU在收集到路面情况以及车辆跳动信息后, 会发送电子信号指令给转向回馈动作器, 随后转向回馈动作器会模拟出当下车辆行驶时所处的环境所需的回馈力度。
3.提高汽车安全性能
去除了转向柱等机械连接, 完全避免了撞车事故中转向柱对驾驶员的伤害;智能化的ECU根据汽车的行驶状态判断驾驶员的操作是否合理, 并做出相应的调整;当汽车处于极限工况时, 能够自动对汽车进行稳定控制。万一电子系统出现故障也可以手动操纵车辆, 因为进行控制的ECU即电子控制单元设置了3组, 互相起到备用功能, 一组出现问题马上就会有备用系统发挥作用。如果不幸3组全部出现故障, 那转向柱与转向机间的离合器会立即接合, 形成与传统转向系统相同的结构, 以保证正常驾驶。
4.改善驾驶特性, 增强操纵性
基于车速、牵引力控制以及其它相关参数基础上的转向比率 (转向盘转角和车轮转角的比值) 不断变化, 低速行驶时, 转向比率低, 可以减少转弯或停车时转向盘转动的角度;高速行驶时, 转向比率变高, 可以获得更好的直线行驶条件。
5.可选择驾驶感受及扩展功能
DAS系统还可以与Drive ModeSelector技术协同工作, 为驾驶员提供4种不同的预设驾驶模式以及1个自定义驾驶模式选择功能。这样可以让驾驶员依照不同的驾驶习惯以及路面情况改变车辆转向系统的反应。此外DAS系统还可以与Activelane control (车道保持系统) 配合, 如图3所示, 当位于车辆内后视镜后部的摄像头发现车辆偏离车道时, DAS系统会适时启动并自动输入转向信号, 帮助车辆回到正确的行驶轨迹上, 从而避免事故的发生。
四、结束语
线控转向技术 篇4
近些年来,线控技术(X-By-Wire)以其显著的优点在车辆领域得到越来越多的重视。其中,线控转向(Steer-By-Wire)取消了方向盘与转向车轮间的机械连接,使用电机驱动转向系统以控制车辆的转向运动,同时由电机模拟产生转向时的方向盘阻力矩[1]。这样不仅简化了车辆的装配与设计,而且车辆转向的力传递特性与角传递特性还可以自行设计,使车辆的操纵性和舒适性得到较大提高[2,3,4]。本文设计的线控液压转向系统,基于拖拉机全液压转向系统,综合了线控技术和液压技术的优点,兼具偏转车轮转向系的操纵特性和液压转向操纵系的轻便性,为农业车辆转向系统研究提供了一个新的技术发展空间。
1 线控液压转向系统总体设计
1.1 线控液压转向系统组成
线控液压转向系统的主要构成包括方向盘模块、液压转向模块和ECU模块,如图1所示。其中,方向盘模块主要由方向盘组件、转角和转矩传感器、路感模拟电机总成等组成。与传统全液压转向系统相比,本系统液压转向模块为更好地实现转向功能,使用电液比例换向阀相关组件取代原有的全液压转向器;ECU模块实现了方向盘转矩的闭环控制,将转向阻力信息反馈给方向盘,产生路感。
1.2 线控液压转向系统工作过程
线控液压转向系统具体的工作过程为:当方向盘转动时,ECU接收转角和转矩信号,并进行分析处理,进而控制转向执行系统的电液比例换向阀,实现车轮转向;与此同时,拖拉机实际转角信号通过油缸位移传感器反馈到ECU,完成前轮转角的闭环控制;拖拉机转向阻力信息则通过油压压力传感器传送到ECU,经过计算后,ECU控制路感电机输出方向盘反馈力矩,即路感信息。
2 线控液压转向系统各模块设计
2.1 方向盘模块
方向盘模块的结构如图2所示。该模块主要用于将驾驶员的转向意图传递给ECU,再由ECU控制液压转向模块;同时,根据拖拉机的不同转向状态,由路感电机对路感信息进行反馈。其中,方向盘转角传感器用来判断驾驶员的转向意图,通过检测转向盘转动的速度和角度,提供输入信号到ECU,该信号形成前轮转角的闭环控制。转矩传感器用来检测路感电机的实际输出转矩,形成路感电机转矩的闭环控制。本系统选用直流无刷电动机作为路感电机,其响应迅速,调速范围较宽,体积与质量均能满足装配要求。
1.方向盘 2.联轴器 3.电机减速器 4.直流无刷电机5.电机驱动器 6.ECU 7.电流传感器 8.转角传感器 9.转矩传感器
路感反馈控制过程为:油压压力传感器将拖拉机转向阻力信号发送给ECU;ECU向路感电机发出理想转矩控制信号,通过电流控制器输出电压控制量控制电机输出转矩;同时,实际电机输出转矩经转矩传感器测得并输入到模糊PID控制器,形成对车辆转向过程中路感的反馈控制。
2.2 液压转向模块
线控液压转向和全液压转向最终的执行机构和动力源相同,但油路换向阀差异较大。其中,全液压转向系统主要通过全液压转向器实现液压流向控制,而本系统的液压模块主要通过电液比例换向阀实现液压流量和流向控制,其主要结构如图3所示。当拖拉机转向时,电液比例换向阀根据控制电信号的脉宽占空比变化,通过控制对应边的磁铁吸合阀芯运动,改变电磁铁的开度大小,进而控制系统的流量,以实现对转向油缸位移量的控制。
前轮转角闭环控制过程为:发动机发动,飞轮带动液压油泵工作;当驾驶员转动方向盘时,转角传感器将信号传递给ECU,同时ECU接受到转向油缸的位移信号;经过计算并发出指令,控制相应的比例电磁铁,使电液比例换向阀产生相应的流向和流量控制;转向油缸根据液压流向和流量的变化产生转向位移,因转向油缸活塞杆到转向轮之间为刚性连接,即活塞杆位移与转向轮转角存在正比例关系,故实际和目标前轮转角均可换算成相应的油缸位移。这样,目标油缸位移和实际油缸位移经模糊PID控制器实现前轮转角的闭环控制。
1.油缸位移传感器 2.溢流阀 3.双向补油阀 4.单向阀5.调速电机 6.齿轮泵 7.液压油箱 8.滤油泵9.放大器 10.电液换向比例阀 11.液压油缸 12.液压压力传感器
2.3 ECU模块
ECU模块控制原理如图4所示。
ECU根据方向盘转角信号控制液压系统,完成车轮转向。同时,通过路感电机转矩信号和转向油缸压力信号控制路感电机产生期望反力。
ECU模块中,两个闭环控制均采用模糊PID控制。其中,前轮转角闭环控制的输入为目标油缸位移和实际油缸位移的偏差,路感电机转矩闭环控制的输入为电机转矩目标值和实际值的偏差。以前轮转角的模糊PID控制为例,其控制回路如图5所示。s为转向油缸目标位移,s′为转向油缸实际位移,e=s-s′为油缸位移误差。该控制系统双输入三输出,其中二输入为偏差E和偏差变化率Ec,三输出为PID参数KP,K1和KD。
3 基于MATLAB/SimMechanics线控液压转向系统仿真
SimMechanics是Simulink物理建模产品之一。该产品扩展了Simulink的建模能力,可以建立机械多体动力学系统模型,并对其进行仿真分析[5]。本文应用MATLAB/SimMechanics,在JS-504拖拉机整车参数的基础上,建立了整车模型、线控液压转向系统模型及其辅助计算模块,用于检验转向特性与路感电机特性,研究相应的控制策略。
3.1 系统建模
系统模型由方向盘总成模型、液压总成模型、转向桥总成模型、ECU模型、车轮模型和路面模型等组成。方向盘模块输出目标转角,并实时转换成液压油缸位移数据。ECU模块通过模糊PID控制油缸位移,实现车轮转向的控制;与此同时,ECU通过油压压力信号计算轮胎所受扭矩MZ,进而得出加载在方向盘上的目标转矩值,通过直流无刷电机产生阻力,形成路感。
ECU模块仿真由液压缸选择部分和闭环控制部分组成。因JS-504拖拉机为单缸转向,故模型设置右转向时,右缸作用;左转向时,左缸作用。液压缸选择模块根据方向盘转角输入方向选择合适的油缸工作,闭环控制部分则是实现前轮转角和电机转矩的闭环控制,两者均采用模糊PID控制策略。
3.2 仿真试验
3.2.1 仿真系统输入
仿真模型试验参数见表1所示。其中,拖拉机数据取自JS-504拖拉机,路面模型数据取自基于时域的积分白噪声模型。图6为原全液压转向系统传动比曲线。因所选油缸左右截面积相等,故传动比曲线左右基本对称,本系统仿真中仍选用该传动比。
驾驶员在转向时,转向角是连续变化的,因此本文选择正弦曲线作为系统输入。仿真完成了拖拉机在15km/h速度下右转、回正、左转再回正的过程,其方向盘右转和左转的最大角度均为600°。
3.2.2 仿真结果
1)前轮转角闭环控制。
仿真结果表明,模糊PID控制对油缸位移和速度的控制效果要明显优于常规PID控制。仿真时间20s左右的局部放大图显示,PID控制比模糊PID控制有较大的滞后性和粘滞性。其中,模糊PID控制的超调小于0.5°,滞后小于0.1s,对前轮转角控制效果良好,如图7和图8所示。
相应的车轮转角曲线如图9所示。在方向盘正弦输入时,转向轮在线控液压转向系统的各项控制下实现了向左向右分别达到最大转角。其中,左轮右转最大角度为31°,左转最大角度为38°;右轮右转最大角度为37°,左转最大角度为31°。对比前文全液压传动比曲线,按照角传动16计算,仿真结果与原全液压转向数据基本相符。
2)路感电机闭环控制。
仿真采集到的车轮回正力矩曲线如图10所示。比较左右车轮回正力矩可知:拖拉机右转向时,右侧车轮所受回正力矩较小,左侧车轮所受回正力矩较大;而当拖拉机左转向时,左侧车轮所受回正力矩较小,右侧车轮所受回正力矩较大。该仿真结果表明,拖拉机转向时的车轮回正力矩值,外侧为内侧的3～4倍,即车辆的侧向稳定性直接受到转向性能影响[6]。
相应的路感电机的力矩仿真曲线如图11所示。根据图10分析可知:在拖拉机右转向时,路感电机反馈力矩以左侧车轮回正力矩为主;而拖拉机左转向时,路感电机反馈力矩以右侧车轮回正力矩为主。图11表明,路感电机在模糊PID控制下,电机转矩实际值与目标值跟随性良好,具有良好的鲁棒性和较强的自适应性,能实时地向方向盘反馈路感信息,适应本系统的需求。
4 结论
1)试验证明,本文设计的拖拉机线控液压转向系统简化了转向部分的液压回路,综合了线控转向和液压转向的优点。基于模糊PID控制策略,结合油缸位移传感器和方向盘转角传感器等器件,实现了前轮转角的闭环控制和路感电机转矩的闭环控制,很好地控制了前轮的转向性能和路面阻力信息的反馈。
2)通过MATLAB/SimMechanics对整个线控液压转向系统的建模仿真表明,该系统前轮转角闭环控制迟滞较小,延时较短;路感电机反馈控制中,轮胎受力随着转向方向的不同而受力分布不均,且以外侧车轮受力为主,电机输出转矩与目标转矩跟随性良好。
摘要：设计了一种基于模糊PID控制的线控液压转向系统,详细介绍了该系统的结构组成、工作原理和控制策略。与全液压转向相比,线控液压转向系统采用线控转向技术,取消了方向盘与车辆转向轮之间的刚性连接;采用模糊PID控制作为系统的控制算法,结合传感器技术实现了前轮转角闭环控制及路感反馈控制。最后,用MATLAB/SimMechanics完成整个系统的仿真试验。经检验,系统具有响应快速、精确、数字化和结构简单等特点。
关键词：农业车辆,线控液压转向,模糊PID
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线控转向技术 篇5
近年来,随着汽车工业和电子工业的不断发展,汽车线控转向技术成为了研究的热点,并提出了包括路感模拟、转向稳定性以及总线技术等诸多关键性问题并加以研究[1,2]。其中的总线技术,已经得到了众多知名汽车公司的积极研究与应用。一些汽车制造商目前计划采用FlexRay总线,这是一种特别适合下一代汽车应用的网络通信总线,具有容错功能和确定的消息传输时间,能够满足汽车控制系统的高速率通信要求。
FlexRay是时间触发的通信总线,对实时性要求较高,因此仅仅依靠由简单循环和中断服务程序组成的嵌入式程序将无法满足要求。同时,FlexRay通信在启动和运行过程中,需要利用循环对总线状态进行查询,既浪费大量的系统资源,又容易造成程序死锁,成为应用中的难点问题。
基于上述问题,本文基于μC/OS-Ⅱ操作系统,设计了线控转向中FlexRay总线的通信部分。在满足实时性要求的基础上,利用其多任务的特点,节约了系统资源,避免了死锁问题的出现,并增加了通信故障检测报警功能,为今后开发线控转向系统奠定了基础。
1 FlexRay总线技术
为了满足汽车线控技术的需求,FlexRay联盟于2005年发布了FlexRay总线协议。其主要特点有[3]:双通道传输,每个通道的传输速率高达10 Mb/s;具有灵活的使用方式,支持多种网络拓扑结构;负载率高;提供冗余机制。
从开放式系统互连参考模型角度来看,FlexRay通信协议定义了四层结构:物理层、传输层、表示层和应用层,各层功能描述见表1[4]。表示层中,通信状态切换控制整个FlexRay通信的运行过程,具有十分重要的作用。
FlexRay协议操作控制(Proposal Operation Control,POC)将通信状态分为几种状态[5],分别为:配置状态(默认配置、配置);就绪状态;唤醒状态;启动状态;正常状态(正常主动、正常被动);暂停状态。其状态转换图如图1所示。当控制器主机接口(Controller Host Interface,CHI)给通讯控制器(CC)发送命令后,CC从暂停状态进入默认配置状态,满足配置条件后进入配置状态,完成网络初始化和节点通信任务初始化;之后可以进入就绪状态,完成节点内部通信设置,如果没有满足通信就绪条件,就返回配置状态继续配置;在就绪状态,CC可以发送唤醒帧,唤醒网络中没有在通信的节点,也可以获得CPU的启动通信命令,完成与FlexRay网络时钟同步;启动成功后进入正常状态,完成数据的收发;当出现错误时,可由正常状态进入暂停状态,重新等待CHI命令。
由此可见,控制器需要按照POC状态进行相应操作,因此会出现对POC状态的循环检测,容易造成程序死锁以及占用大量系统资源。按照操作系统的介绍,其任务是以循环的形式存在的,因此可以将检测POC状态放入任务中单独执行,通过操作系统进行任务调度,可以避免影响到其他任务中程序的运行,并且提高程序的执行效率。
2 基于MC9S12XF512的μC/OS-Ⅱ移植
μC/OS-Ⅱ是源码公开的操作系统,具有执行效率高、占用空间小和实时性能优良等特点[6]。利用该操作系统的任务机制,设计实现FlexRay协议,可以大大提高系统的实时性和稳定性,并且可以避免检测POC状态时的死锁现象。
目前市场上支持FlexRay通信的单片机较少,只有Freescale公司的技术比较成熟。考虑到成本问题,选择16位单片机MC9S12XF512作为系统控制器芯片。操作系统的使用首先要解决的就是移植问题。根据μC/OS-Ⅱ的文件结构,移植时需要对OSCPU.H,OSCPUA.ASM和OSCPUC.C三个文件进行修改[7],以适合MC9S12XF512芯片的需要。
2.1 修改OSCPU.H文件
OSCPU.H文件定义与CPU相关的硬件信息,包括各种数据类型对应的存储长度等。针对MC9S12XF512中的堆栈是由高地址向低地址增长的,所以常量OSSTKGROWTH必须设置为1。同时,定义任务调度函数OSTASKSW()设置为软中断源。
2.2 修改OSCPUA.ASM文件
OSCPUA.ASM文件是使用汇编语言编写与任务调度部分有关的代码[8]。包括任务级任务切换函数OSCtxSw()、中断级任务切换函数OSIntCtxSw()、以及让优先级最高的就绪态任务开始运行的函数OSStartHighRdy()。
MC9S12XF512芯片不仅设有FLASH页面管理寄存器PPage,也有RAM页面管理寄存器RPage、E2PROM页面管理寄存器EPage以及全程寄存器GPage。当时钟节拍中断发生时,芯片会自动把CPU寄存器推入堆栈,但是并不包括上述各寄存器,因此在OSCPUA.ASM文件三个函数中,均需要加入将寄存器入栈和出栈的语句。由于篇幅有限,仅以PPage代码为例:
ldaa PPAGE
psha ;PPage入栈
staa PPAGE
pula ;PPage出栈
寄存器的入栈必须按照GPage,EPage,RPage,PPage的顺序,出栈则相反。
2.3 修改OSCPUC.C文件
OSCPUC.C文件是使用C语言编写与任务调度部分有关的代码,包括任务堆栈初始化函数OSTaskStkInit()和时钟节拍中断服务子程序OSTickISR()[9]。
2.3.1 修改任务堆栈初始化函数OSTaskStkInit()
由于μC/OS-Ⅱ是利用中断方式来实现任务调度的,因此需要使用函数OSTaskStkInit()来模拟发生一次中断后的堆栈结构,按照中断后的进栈次序预留各个寄存器存储空间,而中断返回地址指向任务代码的起始地址。编写时需要根据芯片的中断后,X,Y,A,B,SP等寄存器入栈顺序来进行代码编写。首先在例程OSTaskStkInit()函数处设置断点,然后单步执行程序,观察X,Y,A,B,SP等寄存器状态是否与程序编写的存储值对应。发现对应于堆栈指针SP值的存储区地址是模拟中断时进栈的存储地址,而其中保存任务程序指针地址的内容是错误的,即不是任务的指针地址,因此每次在需要调用任务执行时都进入了错误的地址进行执行,并没有找到任务的代码。通过单步执行OSTaskStkInit()函数,可以发现原程序在存储任务代码指针PC值时,只存储了PC指针的高8位,但后8位未存,导致指针指向错误。因此修改程序为:
*--wstk = (INT16U)((INT32U)task);
2.3.2 修改时钟节拍中断服务子程序OSTickISR()
时钟节拍中断服务子程序OSTickISR()负责处理所有与定时相关的工作,如任务的延时、等待操作等。在时钟中断中将查询处于等待状态的任务,判断是否延时结束,否则将重新进行任务调度。可以通过调用OSIntEnter(),OSSAVESP(),OSTimeTick()和OSIntExit()四个函数进行实现[10]。OSIntEnter()函数通知μC/OS-Ⅱ进入中断服务子程序,OSSAVESP()函数用来保存堆栈指针,OSTimeTick()函数给要求延时若干时钟节拍的任务延迟计数器减1,当反复运行该程序后,计数器为0时,则表明该任务进入了就绪状态,OSIntExit()函数标志时钟节拍中断服务子程序结束。
之后最重要的一点,就是要将中断服务子程序OSTickISR()与任务级任务切换函数OSCtxSw()添加到系统中断向量表的相应位置中。这里使用的是实时时钟中断模块(RTI)来实现时钟中断的产生,因此要将OSTickISR()连接到向量表RTI位置。OSCtxSw()函数是利用软中断来实现任务的切换功能的,因此软中断服务子程序的向量地址必须指向OSCtxSw()。
在进行上述程序编写后,下载代码到硬件中,μC/OS-Ⅱ就可以在本系统上实现运行了。
3 通信程序设计
利用任务形式来解决POC状态的检测问题,不仅可以提高程序效率以及避免死循环现象,同时,还可以建立通信故障检测报警任务,在不同的通信状态下,对驾驶员提供故障信息,方便处理。
线控转向程序结构包括系统初始化、通信控制、数据采集和控制算法四大部分。这里只对其中的系统初始化及通信控制部分进行了设计。
3.1 系统初始化
在主程序main()中,首先对MC9S12XF512芯片进行初始化,包括:时钟初始化、I/O口初始化、A/D模块初始化、PWM模块初始化以及FlexRay协议配置初始化。之后,调用OSInit()函数对μC/OS-Ⅱ操作系统进行初始化。接着创建三个任务,按照优先级顺序9、11、13,分别为FlexRay通信启动任务、数据接收发送任务和故障检测报警任务,由这三个任务实现线控转向系统的通信部分功能,其他部分功能可通过创建其他任务进行扩展。最后调用OSStart()启动内核运行,让任务在操作系统的管理与调度下运行。
3.2 通信任务设计
以Freescale公司开发的针对该芯片的FlexRay通讯传输层和表示层的驱动程序为基础,进行应用层的程序设计,即编写通信任务程序,完成协议的运行过程。
3.2.1 FlexRay通信启动任务
按照上文介绍的FlexRay协议中定义的协议运行过程,当对FlexRay通信进行初始配置后,协议将进入就绪状态,之后发送启动节点命令等待协议状态由启动状态变为正常主动状态;在正常主动状态中,首先发送关键帧启动网络中的其他节点,发送完成后进入到节点唤醒状态,然后开启FlexRay通信的各种中断,包括:传输中断、接收中断、存储区中断以及定时器中断等,最后挂起任务等待检测到通信故障时进行唤醒;协议正常被动状态是在通信出现故障时,重新配置协议,进行协议的重启。需要注意的是用户必须在多任务系统启动以后再开启时钟节拍器,也就是在调用OSStart()之后,由任务优先级最高的那个任务开启RTI中断,否则系统容易死锁。程序流程图如图2所示。
3.2.2 数据接收发送任务
FlexRay数据的接收发送是通过中断服务程序进行的,因此在该任务中,只需判断POC状态是否进入正常主动状态,如果是则使用全局变量对接收函数Frreceiveda()和发送函数Frtransmitdata()的消息缓冲区进行数据的读取和更新。
3.2.3 故障检测任务
在通信过程中,当其他节点因故障重启或是通信线路中断时,可以利用故障检测任务检查POC状态,当协议运行在正常被动状态时,则判断为通信线路出现故障,将故障LED指示灯设定为闪烁状态;当协议运行在暂停状态时,则判断为节点控制器故障,故障LED指示灯设定为常亮状态,并对FlexRay通信启动任务进行解挂,重新对协议进行配置,待故障解决,系统可以自动启动节点运行。程序流程图如图3所示。
4 实验验证
使用Vector公司的CANoe软件,可以方便地观察FlexRay总线上的数据流情况。实验中,将CANoe软件提供的FlexRay接口板VN3600接入总线网络中,之后参考MC9S12XF512芯片手册中FlexRay通信的MicroTick定义为25 ns,因此在FlexRay初始化定义中,设置参数PMICROPERMACRONOM为40,则一个MacroTick等于40个MicroTick,也就是说,FlexRay通信配置的基准时间片为1 μs。据此,配置通信周期为5 000 μs;1个静态时槽长度为24 μs,共有91个;1个动态时槽为5 μs,共有289个;特征窗与网络空闲时间为1 371 μs。
程序中对节点NodeA和NodeB的时槽定义如表2所示。
实验结果如图4所示,运行时间2 289 s,时槽变化与周期数均与设计一致,数据收发正常。由图5可知,帧速率为3 200帧/s,总计传输7 369 600帧,没有出现无效帧与错误帧,达到了实时性和稳定性的要求。
在通信过程中,分别进行故障模拟实验。
(1) 突然断开总线来模拟应用现场出现线路故障的情况,可以发现数据停止更新,故障检测LED指示灯闪烁,说明程序检测到了线路故障问题并进行报警。当再次连接总线后,故障检测LED熄灭,数据继续更新,说明通信自动重新启动。
(2) 将任意一个控制器进行掉电,模拟单一控制器故障情况,可以发现数据停止更新,故障检测LED指示灯开始常亮,说明程序检测到了任意节点故障导致通信中断的问题并进行报警。当再次开启掉电控制器后,故障检测LED熄灭,数据继续更新,说明通信自动重新启动。通过以上两个实验,验证了故障检测报警功能良好。
5 结 语
针对线控转向系统FlexRay通信过程中存在的问题,将实时操作系统μC/OS-Ⅱ应用于系统中,进行了代码移植和通信任务设计。之后通过硬件实验,对数据结果和故障检测进行了测试,从实验结果可以看出,该系统解决了FlexRay总线应用的复杂问题,并利用μC/OS-Ⅱ操作系统保证了系统实时性、稳定性和安全性的要求,为今后实现线控转向系统在汽车辅助驾驶和智能驾驶方面的应用奠定了基础。
摘要：为解决汽车线控转向系统FlexRay通信中存在的问题,给出一种基于μC/OS-Ⅱ的通信控制设计。首先介绍了FlexRay总线技术,重点说明了通信协议操作控制过程以及应用问题。根据硬件选型进行μC/OS-Ⅱ操作系统的移植,并编写线控转向系统通讯部分的程序。最后进行通信实验,结果表明,所设计的基于μC/OS-Ⅱ操作系统的通信网络具有良好的安全稳定性,满足汽车线控转向系统通信的要求。
关键词：线控转向,μC/OS-Ⅱ,MC9S12XF512,FlexRay总线,安全稳定性
参考文献
[1]李波,夏秋华.线控技术在汽车转向系统中的应用[J].汽车电器,2005(4):8-11.
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[3]余翔,谢长君,吴友宇.车载网络FlexRay的研究与应用[J].电子元器件应用,2006(6):70-72.
[4]朱亮.基于FlexRay总线的线控转向系统及其路感模拟研究[D].北京:北京工业大学,2009.
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[7]邵贝贝.单片机嵌入式应用的在线开发方法[M].北京:清华大学出版社,2004.
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现代汽车的线控技术 篇6
线控制动系统
1.线控制动系统结构与工作原理
线控制动系统BBW (braking-by-wire) 取代以液压或气压为主的传统制动系统, 制动力不是由液压或气压装置而是由电动机来提供。安装在制动器踏板上的传感器测量驾驶员的制动意图, 并将信号传给控制器, 控制器发出控制信号, 控制制动电动机实现制动。
线控制动系统目前分为两类。一种为电子液压制动系统EHB (Electro-hydraulic Brake System) , 另一种为电子机械制动系统EMB (Electro-mechanical Brake System) 。
(1) EHB系统EHB是将电子系统与液压系统相结合的制动系统, 由电子系统控制, 液压作为备用系统提供动力, 以确保当系统的电子部分出现故障时还能保证系统的制动能力。主要由电子踏板、电子控制单元 (ECU) 、液压执行元件 (液压泵) 等组成。电子踏板主要由制动踏板和踏板行程模拟器 (角度位置传感器) 组成 (见图1) 。在EHB系统中, 制动踏板和制动器之间的液压连接是断开的, 带有踏板行程模拟器和电子传感器的电子踏板模块代替了传统的制动踏板。驾驶员的意图通过传感器传递到电子控制单元 (ECU) , 而车轮制动与传统的制动一样。正常工作情况下备用阀关闭, 控制器通过由液压泵驱动的电动机进行制动。当控制器处于故障模式时, 备用阀打开, 常规液压制动系统起作用, 实施制动。
1.制动器 2.备用阀 3.制动踏板传感器 4.液压泵
(2) EMB系统EMB系统与EHB的最大区别在于完全取消了液压或气压制动部件, 在轮边增加电子机械制动机构, 直接形成制动, EMB是制动系统的发展方向。图2为EMB系统示意图。EMB系统的电子控制器根据电子踏板模块传感器的位移和速度信号, 结合车速等其他传感器信号, 向车轮制动模块的电动机发出信号, 控制其电流和转子转角, 进而产生所需的制动力, 达到制动的目的。在EMB系统中, 常规制动系统中的液压系统 (主缸、真空增压装置、液压管路等) 均被电子机械系统所代替, 而液压盘和鼓式制动器的调节器被电动机驱动装置所代替。由于没有独立的主动备用制动系统, 为确保安全, 要求系统具有备用的电源和进行容错控制的冗余通信链。
2.线控制动系统的特点
(1) 减少了制动管路及制动系统的阀类元件, 节省了空间, 减轻了质量, 减少了制动液的使用, 有利于环保。
(2) 制动执行器和制动踏板之间无液压和机械连接, 缩短了制动响应时间, 提高了制动性能。同时线控制动能优化ABS和ESP的功能。
(3) 易于进行改进和增加功能, 可以并入汽车CAN通信网络进行集中管理和共享信息。
线控节气门系统
1.线控节气门系统结构与工作原理
传统的节气门控制方式是驾驶员通过踩节气门踏板, 由节气门拉杆直接控制发动机节气门的开度, 从而获得加、减速。而线控节气门用一套传感器、执行器以及电子控制单元代替机械连接, 驾驶员仍通过踩节气门踏板控制拉杆, 拉杆不是直接连接到节气门, 而是连着一个节气门踏板位置传感器, 也就是说驾驶员的动作与节气门的动作之间是通过电子元件的电信号联系的。
线控节气门系统主要由节气门踏板、加速踏板位置传感器、控制单元ECU、节气门控制电动机和节气门执行机构组成 (见图3) 。加速踏板位置传感器安装在节气门踏板内部, 随时监测节气门踏板的位置。当监测到节气门踏板位置发生变化时, 能瞬间将此信号送往ECU, ECU对收集到的相关传感器信号进行运算处理, 计算出一个控制信号, 通过线路送到节气门控制电动机继电器, 节气门控制电动机驱动节气门执行机构, 从而控制节气门的开合程度。
2.线控节气门系统的特点
(1) 减少了机械零件, 减轻了系统质量, 改善了起步的平顺性。
(2) 线控节气门的控制比传统节气门精确, 发动机能够根据汽车的各种行驶信息, 精确调节进入气缸的燃油空气混合气, 改善发动机的燃烧状况, 从而大大提高了汽车的动力性和经济性。
(3) 线控节气门系统集成了加速控制、怠速控制及巡行控制等, 实现信息共享, 并用同一执行器控制节气门, 提高了操控稳定性。
结语
汽车线控技术给汽车设计提供了新思路, 对汽车电子技术、控制技术、网络技术等提出了新的要求。线控技术研究的难点在于传感器的精度, ECU硬件的可靠性、抗干扰性, 控制算法的可靠性, 执行机构的快速性, 不同系统ECU之间通信的实时性, 动力电源的高效性等。目前线控技术在汽车上的应用还不成熟, 但随着电子产品成本的降低, 控制技术的逐步完善, 汽车开发的节能、环保和安全要求的日益强烈, 线控技术必将得到越来越广泛的应用。