??? 摘? 要: 在實車碰撞試驗中,車速的大小直接影響試驗的結果。為了從根本上解決橡皮繩彈射實車碰撞試驗中橡皮繩的老化和時變特性給速度控制帶來的困難,提高控制精度和抗干擾能力,對橡皮繩彈射車速控制系統進行了簡要介紹,對基于MOTOROLA單片機系統的控制器的硬件實現和軟件算法進行了分析和討論。?
??? 關鍵詞: 速度控制 單片機 控制器
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??? 撞擊速度控制一直是汽車碰撞試驗中最為關鍵的部分。汽車被動安全性法規中的多項決定性的指標如人體頭部傷害指數(HIC)、胸部合成加速度、大腿力等都是同車輛撞擊速度有密切關系的,所以必須嚴格保證撞擊速度在允許的偏差范圍內[1～4]。在國內首創的橡皮繩彈射實車碰撞速度控制系統中,控制器的設計對整個控制系統的性能起著決定性的作用。在汽車行業中廣泛應用的MOTOROLA單片機系統具有卓越的穩定性和豐富實用的功能,該系統配以其它輔助電路,可成功地構建出系統的控制器。經實驗驗證,設計的控制器能夠完成速度的采集和控制算法的實現。?
1 車速控制的總體方案?
??? 為了解決橡皮繩的時變特性和驅動裝置的非線性特性,提高整個系統抵抗滾動阻力干擾的能力,根據橡皮繩彈射碰撞試驗系統實際情況,結合清華大學汽車碰撞試驗室的實際,速度控制的總體方案如圖1所示。?
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??? 通過控制橡皮繩拉伸的長度進行“開環”控制,粗略地把速度控制到一定的范圍內。通過安裝在加速滑車上的傳感器、控制器和執行器等構成速度“閉環”控制系統,力圖精確、穩定地控制碰撞時的車速。?
??? 對于質量為1.5噸的小轎車,在距離加速末端拉伸5m處釋放加速,可得到15km/h的車速。由動能定理和等效原理可以計算出在拉伸5m以上情況下,在距離加速末端拉伸5m處與加速末端的速度差:?
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??? 其中,v1、v22、v21分別為拉伸5m得到的車速、拉伸5m以上時加速末端的速度和在距離加速末端拉伸5m處的速度。若在實車碰撞中v22+v21=100km/h?
??? 代入數據可得: v22-v21=2.25km/h?
??? 由理論分析和計算結果可以看出:在加速末端速度變化量相對很小,有利于控制調整,但是留給控制系統的時間也很少。閉環系統控制策略為對整個過程的初始階段不加控制,到加速的末端進行速度的調整和控制。?
??? 圖2為試驗車輛與滑車之間連接的示意圖。由于滑車與被測試車輛間只有推力,其非線性特性和動力的時變特性給控制系統的實現增加了難度。“閉環”系統實現的框圖如圖3所示。?
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??? 執行器即為剎車機構,利用軌道和剎車片的摩擦消耗系統的動能來降低加速滑車的速度,導致加速滑車與被測車輛脫離,從而切斷被測車輛的動力源,對車速進行控制。?
2 控制器的設計實現?
2.1 總體設計分析?
??? 控制器要求具有復雜計算的能力,而且整個閉環系統需要安裝在加速滑車上,工況較惡劣。因此選用單片機作為整個控制器的核心器件,以單片機系統來構建控制器。?
??? 根據控制單元的要求,作為控制器核心器件的單片機應具備以下性能:?
??? ·有足夠大的RAM?
??? ·有足夠大的EEPROM?
??? ·有足夠大并方便開發的ROM?
??? ·有A/D轉換功能?
??? ·有串行通訊能力?
??? ·有足夠強的中斷功能?
??? ·有很高的穩定性,最好有良好的耐沖擊能力?
??? 根據以上的性能要求,選擇MOTOROLA公司的MC68HC711E9[6]單片機。
??? 為了實現速度采集、狀態顯示、算法實現和數據處理等功能,所設計的控制器的組成框圖如圖4所示。?
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2.2 速度的測量?
??? 在控制系統中,速度的測量精度直接影響最后的控制精度。若用傳統的五輪儀方式來測量車速,其滑差和傳動遲滯問題將使精度提高到本系統要求的水平變得很困難;若應用超聲波測速,其測量距離對于長達70m的加速跑道又顯不足。因此采用的速度測量方案為:由記錄等距明暗條紋的反射式光電開關完成位移的采集,時間由擴展的單片機內部的計數器來記錄,最后速度由單片機計算出來。此新穎的非接觸式測量大距離的方法測量精度高、安裝簡便、成本較低。?
??? 作為速度控制系統的控制器,時間的測量精度直接影響控制的精度。采用集成的精度為30×10-6的晶振提供時鐘信號,時間測量精度遠高于速度測量精度,所以由計數器時鐘信號引起的誤差可以忽略不計。此外,因為碰撞全程的每一個位移采集點用4字節32位計數器來記錄時間的絕對值,所以消除了累積誤差。?
??? 對于單片機計數器的時鐘,出于精度的考慮,選擇的分頻因子為1。這樣用于定時的單片機的計數器的時鐘頻率與單片機的E時鐘信號的頻率相同,其時鐘周期為
即0.5μs。對于單片機本身具有的16位計數器,在上述的時鐘周期情況下,計數器每32.77ms溢出一次,本控制器采用4字節來記錄時間,系統記錄的整個時間長度為:?
??? 32.77×64=2097s≈35min?
??? 此時間長度可以滿足整個碰撞試驗過程對時間長度的要求。為了實現上述設計,對于每個位移點,系統用兩個字節來表示16位計數器的溢出次數,即為4字節時間值的高16位,此數值的更新由計數器的溢出中斷程序來實現。另外兩個字節為光電開關經過明暗條紋交界處時16位計數器的數值,即為4字節時間值的低16位,用輸入捕捉中斷程序來實現。輸入捕捉中斷程序把輸入捕捉中斷所記錄的16位計數器的數值和計數器的溢出次數存儲到每一位移點對應的RAM中。為滿足時間的精確性需求,在所有的中斷中,計數器的溢出中斷優先級最高,輸入捕捉中斷的優先級次之。?
??? 考慮到在試驗過程中對計數器記錄的時間的一致性需求,計數器的溢出中斷和輸入捕捉中斷之間不希望有中斷嵌套發生。用于設置位移標志的條形碼產生的中斷信號的間距為2cm,對于最高車速為60km/h的試驗車輛,其兩個輸入捕捉中斷之間的時間差最小為:?
??? 0.02÷60×3.6=0.0012s?
??? 在這段時間里共有1200/0.5=2400個E時鐘,足可以運行一個輸入捕捉中斷程序和一個計數器溢出中斷程序。因此在車速不超過上述車速時,單片機可以成功地對時間進行記錄。?
??? 光電的輸出電路為集電極開路接口形式,為了與單片機的CMOS輸入電路進行連接,利用分壓電阻及門電路的輸入特性來進行電平變換,設計的位移采集及整型電路示意圖如圖5所示。?
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2.3 其它外圍電路?
??? ·通訊電路?
??? 單片機內部有全雙工的串行通信接口,可以直接同計算機進行串行通信。但是單片機的信號是CMOS電平,而計算機的串行口是EIA-RS232C電平,其電平1為-3V～-25V,電平0為+3V～+25V,因此要進行CMOS電平和EIA-RS232電平間的相互轉換。本系統采用芯片MAX232進行電平轉換。串行通訊方式為全雙工,波特率為9600,1個起始位,8個數據位,1個停止位。?
??? 為了減少控制電路的元件數量,把MAX232芯片設計在控制器之外單獨的一個通訊電路板上。通訊電路由兩根電纜分別與控制器和上位PC機連接。?
??? EIA-RS232C是一個功能強大的通用串行通信總線,單片機只有一個輸出信號線、一個輸入信號線、一個地線,因此只用部分EIA-RS232C的接線。請求發送RTS和允許發送CTS短接,調制解調器就緒DSR和數據終端就緒DTR短接,對應的發送數據線同單片機的數據接收線相,PC機的接收數據線同單片機的發送數據線相連,另外兩者共地。?
??? ·單片機的工作模式及譯碼電路?
??? 為了增大系統采集的數據量,外擴32K RAM,器件選擇HM62256;同時為方便系統設計和譯碼電路的設計,外擴的ROM也采用32K的容量,器件選擇27C256,這樣正好分完B和C各8位共16位的64K尋址空間。由于單片機的B口為地址總線和數據總線分時復用,采用74HC373鎖存地址信號;地址信號的最高位的電平用來區分RAM和ROM地址信號。?
??? ·電源電路?
??? 電源使用汽車上常用的12V電池作為電源電壓基準,這樣有利于驅動電路的能量供給。由于控制器上很多元件的工作電壓為+5V,考慮到所使用的元器件中既有模擬電路,又有數字電路,如果使用同一個電源會造成不利影響,因此使用了兩個穩壓芯片7805和78L05,輸出+5V的電源電壓。?
??? ·推力采集電路?
??? 考慮到單片機接口的特性和信號的頻譜特征,力傳感器和A/D管腳之間加上阻容低通濾波電路。?
??? ·信號反饋電路?
??? 把單片機的一輸出管腳接到發光二極管上,用發光二極管的閃爍頻率配以一定的程序來顯示系統當前的狀態。?
??? ·測試信號點?
??? 為了方便電路的檢測,在控制器上設置了重要信號的輸出點,有利于系統的調試和分析。?
??? ·驅動電路?
??? 把單片機輸出的驅動信號進行放大,增強帶負載的能力,驅動剎車裝置的電磁閥。?
3 控制算法及實現?
??? 最簡單的思想即為只要速度值超過設定值即進行剎車,通過剎車力使得加速滑車與被測車輛分離,使被測車輛在沒有動力的情況下自行滑行,直至碰撞壁。此算法實現起來較簡單,思路清晰,但滾動阻力干擾將使控制效果和精度不會很高,而且釋放位置的不確定性使整個彈射系統對被測車輛的導向能力下降。也可以利用工程上很成熟的PID算法進行控制。由于系統的快速性要求,積分環節被排除在外,PD系數的大小可以在系統調試時具體定出,但是橡皮繩的非線性力學特性和加速滑車的單向力傳遞特性會使PD算法的效果大大下降[5]。?
??? 為了提高控制的精度,控制器首先在算法上實現了對滾動阻力的預測和補償。這里的滾動阻力是廣義的,包含汽車運動過程中坡度阻力、風阻和滾阻等所有的阻力。滾動阻力的干擾是影響系統的控制精度的重要因素,若控制器能夠計算和預測出滾動阻力的大小,將大大提高系統的控制精度。?
??? 被測車輛的受力分析為:?
??? Mc×a=Ft-Fz?
其中,Mc——被測車輛的等效平動質量;?
??? a——被測車輛的加速度,可以由位移經過兩次微分得到;?
??? Ft——推動被測車輛的力,可以由力傳感器測出;?
??? Fz——滾動阻力。?
??? 由上面的公式可以看出,滾動阻力Fz可以計算得到。這樣就可以推算出被測車輛在無動力狀態下離開加速滑車后的速度降低率,由此提高設定的速度后,得到的速度就會更加精確,有效地抑制了滾動阻力對車速控制的干擾。?
??? 為了解決加速滑車與被測車輛間的單向連接引起的非線性特性問題,應限制在加速過程中加速滑車與被測車輛間的間距。控制算法在制動的過程中發現推力傳感器推力為零時就停止制動過程,使加速滑車加速至與被測車輛接觸。若速度仍然高于設定速度則再進行剎車,這樣就保證在大的速度閉環需要動力對被測車輛進行加速時,加速滑車由于與被測車輛間距很小而迅速對被測車輛進行加速,保證了外面大閉環算法的有效性。算法的實現框圖見圖6。?
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參考文獻?
1 杜匯良.汽車碰撞試驗臺的特性研究和碰撞速度控制:[碩士學位論文].北京:清華大學汽車工程系,2001?
2 王 剛.燈光照明機構設計和速度控制系統初步設計:[碩士學位論文].北京:清華大學汽車工程系,1999?
3 張維剛.汽車碰撞彈射速度計算控制的研究:[碩士學位論文].北京:清華大學汽車工程系,1998?
4 黃世霖,張金換,王曉冬.汽車碰撞與安全.北京:清華大學出版社, 2000?
5 戴忠達.自動控制理論基礎. 北京:清華大學出版社,1991?
6 MC68HC711E9 Technical Data. MOTOROLA INC., 1991