STM32的模糊控制快捷貨車電子防滑器的研究

摘要：本文針對目前鐵路快捷貨車制動(dòng)防滑效率不高的現(xiàn)狀，提出了一種以STM32F103為控制核心的電子防滑器，介紹了電子防滑器的工作原理以及硬件組成。該系統(tǒng)采用模糊控制方案，進(jìn)行二維模糊控制器的設(shè)計(jì)，并在MATLAB/Simulink中建立了快捷貨車的制動(dòng)防滑仿真模型。仿真結(jié)果表明，采用模糊控制時(shí)，系統(tǒng)的穩(wěn)定性增強(qiáng)、調(diào)節(jié)時(shí)間短、響應(yīng)速度快且具有較強(qiáng)的魯棒性。最后分析了系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)。

引言

　　隨著鐵路貨運(yùn)的發(fā)展，時(shí)速160km/h的快捷貨車防滑制動(dòng)技術(shù)成為研究的重要課題。目前，中國鐵路總公司下達(dá)的科研計(jì)劃《160km/h快捷貨車關(guān)鍵技術(shù)研究》明確提出了開展快捷貨車防滑器安全技術(shù)的研究。由于受粘著限制，快捷貨車在制動(dòng)過程中容易發(fā)生滑行，導(dǎo)致車輪或軌面擦傷。因此，可靠的防滑控制是提高快捷貨車制動(dòng)效率、確保行車安全運(yùn)行的關(guān)鍵。傳統(tǒng)的機(jī)械式防滑器存在靈敏度低、響應(yīng)慢、制動(dòng)效果差、易磨損等缺點(diǎn)?；诖?，本文提出了一種以STM32為防滑控制器，以模糊控制為算法的電子防滑器。該防滑器通過實(shí)時(shí)采集4個(gè)車軸上速度傳感器發(fā)出的脈沖信號，計(jì)算各軸速度和輪減速度，通過比較軸速獲得整車速度，以計(jì)算滑移率。再將計(jì)算結(jié)果與多滑行判據(jù)進(jìn)行比較，一旦檢測到某軸發(fā)生滑行，即控制該軸防滑電磁閥充放氣、調(diào)節(jié)制動(dòng)缸壓力，防止車輪繼續(xù)滑行。快捷貨車電子防滑器的原理圖如圖1所示。

1 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

　　系統(tǒng)硬件總體設(shè)計(jì)方案如圖2所示。采用模塊化設(shè)計(jì)思想，主要包括電源模塊、主控模塊、速度信號采集與調(diào)理模塊、排風(fēng)閥驅(qū)動(dòng)模塊、故障檢測模塊、存儲(chǔ)與顯示模塊。

1.1 電源模塊

　　為了使電子防滑器穩(wěn)定可靠地工作，一個(gè)性能優(yōu)質(zhì)的電源是十分必要的。電子防滑器的外部電源使用的是車軸動(dòng)能供電裝置^[1]，該裝置內(nèi)部經(jīng)過電源管理后可給防滑控制器各個(gè)模塊正常供電。由于系統(tǒng)各個(gè)用電元件的供電電壓不同，故在電源模塊中需進(jìn)行DC/DC轉(zhuǎn)換電路設(shè)計(jì)，使防滑控制器穩(wěn)定可靠地工作。

1.2 防滑控制器主控模塊

　　防滑控制器的主控芯片選用的是ST(意法半導(dǎo)體)公司基于ARM Cortex-M3內(nèi)核的32位微控制器STM32F103ZET6，其內(nèi)核架構(gòu)先進(jìn)，性能優(yōu)越，最高工作頻率可達(dá)72MHz，執(zhí)行效率高，并擁有豐富的外設(shè)資源。利用其通用定時(shí)器的捕獲/比較通道可捕捉到外部引腳電平的跳變，可方便地用于速度信號的測量。此外，完成防滑控制用到的片上資源還包括：SRAM、GPIO、ADC、DMA、USART、外部中斷接口、I2C接口和內(nèi)部看門狗等。

1.3 速度信號采集與調(diào)理模塊

　　速度傳感器采用霍爾式傳感器，主要負(fù)責(zé)采集各輪對的實(shí)時(shí)轉(zhuǎn)速，經(jīng)過信號調(diào)理(光電隔離)后提供給主控單元進(jìn)行處理。

1.4 防滑排風(fēng)閥驅(qū)動(dòng)模塊

　　排風(fēng)閥是執(zhí)行部件，排風(fēng)閥驅(qū)動(dòng)模塊用于將控制器輸出的弱電信號轉(zhuǎn)換為驅(qū)動(dòng)電磁閥的功率信號，從而實(shí)現(xiàn)防滑控制。

1.5 故障檢測、存儲(chǔ)與顯示模塊

　　電子防滑器需要具備一些附屬功能，如故障檢測、存儲(chǔ)與顯示功能。當(dāng)速度傳感器與防滑排風(fēng)閥出現(xiàn)故障時(shí)，能夠?qū)⒐收闲畔⒋鎯?chǔ)下來，在貨車停車檢修的時(shí)候通過顯示操作面板獲取、清除故障信息。

2 模糊控制器的設(shè)計(jì)與驗(yàn)證

　　由于快捷貨車輪軌黏著多變、受外界各種影響因素較多，因此很難提取出線性模型來描述，而且鐵路現(xiàn)場實(shí)驗(yàn)費(fèi)用非常高。模糊控制方法的優(yōu)點(diǎn)是不需要精確的數(shù)學(xué)模型，利用模糊分析和專家經(jīng)驗(yàn)確定模糊控制規(guī)則，在處理非線性控制系統(tǒng)時(shí)，變控制系統(tǒng)以及不確定性控制系統(tǒng)有其自身的優(yōu)勢。因此，把模糊控制理論引入到電子防滑器的設(shè)計(jì)中無疑是一種很好的選擇。下面將對模糊控制器的設(shè)計(jì)與驗(yàn)證過程進(jìn)行分析討論。

2.1 模糊控制器的設(shè)計(jì)

2.1.1 精確量模糊化

　　電子防滑器的滑行判據(jù)主要包括速度差、減速度、滑移率以及減速度微分等[5-7]。本文選取滑移率E和受控輪減速度EC為輸入變量，制動(dòng)缸壓力的調(diào)整量U作為輸出變量，在MATLAB/Simulink環(huán)境中進(jìn)行二維模糊控制器的設(shè)計(jì)。其中滑移率的基本論域?yàn)閇0，0.26]，減速度的基本論域?yàn)閇-4，+4]?；坡实哪：撚蚍秶O(shè)定為[0，6]，模糊語言變量分為5級：NB、NS、ZE、PS和PB;減速度的模糊論域范圍在[-6，+6]，模糊語言變量分為 7級：PL、PM、PS、ZE、NS、NM和NL。由此可得，滑移率的量化因子為KE=6/0.26=23.08，減速度的量化因子為KEC=6/4=1.5。制動(dòng)缸壓力的調(diào)整量為最終輸出變量，范圍設(shè)定在[-100%，+100%]，模糊論域?yàn)閇-6，+6]，其量化因子為KU=1/6。在設(shè)計(jì)模糊控制器時(shí)，能否適當(dāng)選取KE和KEC，對系統(tǒng)響應(yīng)速度和實(shí)際調(diào)整量有較大影響^[4]。

2.1.2 確定模糊控制規(guī)則

　　模糊控制規(guī)則對模糊控制器的控制效果影響最為突出，它源于操作人員的經(jīng)驗(yàn)和常識，通過經(jīng)驗(yàn)歸納或合成推理而得來。本文結(jié)合了對電子防滑器的既有經(jīng)驗(yàn)和對模糊控制的反復(fù)實(shí)踐^[5-8]，總結(jié)出了如表1的模糊控制規(guī)則。

2.1.3 解模糊

　　模糊控制器要實(shí)現(xiàn)其控制，必須要產(chǎn)生一個(gè)精確量，才能被相關(guān)執(zhí)行機(jī)構(gòu)所接受。解模糊就是將模糊推理得到的模糊控制量轉(zhuǎn)化為精確量的過程。根據(jù)上述得到的模糊控制規(guī)則，采用重心法求取各個(gè)相應(yīng)的控制量^[6]，可得該系統(tǒng)模糊控制器的控制表，如表2所示。

　　將表2固化到STM32的ROM中，以便電子防滑器的軟件開發(fā)。本文采用離線查詢法實(shí)現(xiàn)模糊控制^[5-6]：通過軟件編程，將模糊控制的輸入量先進(jìn)行離散化，再通過模糊推理制成模糊控制離線查詢表，在實(shí)際的防滑控制過程中只需測得模糊輸入的量化值，通過查表即可得到模糊控制的輸出。

2.2 模糊控制器的驗(yàn)證

　　為了實(shí)現(xiàn)模糊控制器性能的驗(yàn)證，本文選用中車眉山車輛有限公司的160km/h快捷貨車樣車相關(guān)數(shù)據(jù)作為數(shù)學(xué)模型^[3]，在Simulink仿真軟件中搭建了快捷貨車防滑控制的仿真模型，如圖3所示。

　　模糊控制子模塊根據(jù)輸入的防滑判據(jù)，查詢模糊控制器輸出制動(dòng)缸壓力;被控車輪模塊根據(jù)輪對受力分析理論計(jì)算并輸出輪減速度和輪速到相關(guān)模塊;整車模塊根據(jù)整車制動(dòng)力計(jì)算整車減速度和制動(dòng)距離，以便計(jì)算滑移率。粘著限制模塊根據(jù)整車速度計(jì)算粘著系數(shù)，并通過設(shè)定制動(dòng)距離讓車輪進(jìn)入打滑狀態(tài)。設(shè)定初速度為44m/s(約160km/h)，制動(dòng)缸壓初始量為450KPa，仿真結(jié)果如圖4所示。

　　從仿真結(jié)果來看，打滑時(shí)輪減速度得到有效的控制，且調(diào)節(jié)時(shí)間短、響應(yīng)速度快，具有較強(qiáng)的魯棒性?？梢哉f明，采用模糊控制時(shí)，系統(tǒng)取到了理想的防滑控制效果。

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

　　系統(tǒng)軟件主要分為兩大部分：第一部分為系統(tǒng)初始化部分，主要包括GPIO初始化、定時(shí)器初始化、ADC初始化、控制參數(shù)初始化等。第二部分為主控制循環(huán)部分，主要包括速度測量與計(jì)算子程序、防滑控制子程序、故障檢測子程序和停車處理子程序。速度測量與計(jì)算子程序主要完成速度信號的實(shí)時(shí)檢測、計(jì)算輪速和輪減速度，得到整車速度，進(jìn)而計(jì)算滑移率。防滑控制子程序主要包括滑行檢測和模糊控制兩部分，系統(tǒng)首先進(jìn)行滑行狀態(tài)的定時(shí)檢測，以判斷各車輪在運(yùn)行過程中是否打滑，若發(fā)生打滑，則進(jìn)入模糊控制子程序，再根據(jù)滑行判據(jù)，利用離線查表法輸出模糊控制量。故障檢測子程序主要檢測防滑器關(guān)鍵部件(如速度傳感器、防滑閥)是否正常工作，如有故障應(yīng)該作出相應(yīng)的控制：當(dāng)檢測到某速度傳感器發(fā)生故障時(shí)，用鄰軸正常的速度值進(jìn)行替換;在檢測到某防滑閥功能異常時(shí)，則屏蔽其控制信號，對應(yīng)車軸實(shí)施一般的正常制動(dòng)。停車處理子程序是在貨車停車檢修的情況下，列檢人員通過按鍵操控實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的自檢、故障顯示與清除功能，以便防滑器的檢修與維護(hù)。

　　系統(tǒng)軟件流程如圖5所示。系統(tǒng)上電或復(fù)位后，先執(zhí)行系統(tǒng)初始化程序，然后進(jìn)入主控制循環(huán)程序。主控制程序中先執(zhí)行故障檢測子程序，如果系統(tǒng)正常，則進(jìn)入速度測量與計(jì)算子程序，得到滑移率和減速度。當(dāng)整車速度大于3km/h時(shí)^[5]，則執(zhí)行防滑控制子程序;否則不進(jìn)行防滑控制，此時(shí)若有按鍵操作，則進(jìn)入停車處理子程序。

4 結(jié)語

　　高性能的防滑控制器及先進(jìn)的控制算法，對快捷貨車制動(dòng)系統(tǒng)性能的提高具有重要意義。本文提出了一種以STM32F103為防滑控制器、以模糊控制為算法的電子防滑器，在軟硬件設(shè)計(jì)上，采用模塊化設(shè)計(jì)思想，有效提高了快捷貨車防滑控制的實(shí)時(shí)性和準(zhǔn)確性，彌補(bǔ)了以往機(jī)械式防滑器在滑行控制動(dòng)態(tài)性能上的不足;在防滑控制算法上，選取滑移率和減速度為防滑判據(jù)進(jìn)行二維模糊控制器的設(shè)計(jì)，并運(yùn)用MATLAB/Simulink仿真工具搭建仿真模型進(jìn)行仿真驗(yàn)證，最后證明采用模糊控制算法進(jìn)行電子防滑器的設(shè)計(jì)是一種可行的方式。

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本文來源于中國科技期刊《電子產(chǎn)品世界》2016年第9期第33頁，歡迎您寫論文時(shí)引用，并注明出處。