基于嵌入式的懸架與轉(zhuǎn)向集成控制器研究

       在輸入信號進入MCU之前，需要進行模數(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，再進入模數(shù)轉(zhuǎn)換ADC端口。MCU根據(jù)車身垂直振動加速度和車輪振動加速度的差值及其變化率進行進一步計算。

       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的計數(shù)器，經(jīng)程序計算得到相應(yīng)車速。

        對執(zhí)行機構(gòu)的輸出控制包括對EPS直流電機和減振器步進電機的控制。直流電機控制可分為勵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控制電樞電壓實現(xiàn)轉(zhuǎn)速控制。圖6所示為直流電機控制示意圖[7]，定義ARM的端口PE3、PE4、PE5、PE6輸出直流電機控制信號，經(jīng)過四個驅(qū)動光耦分別加到四個MOS開關(guān)管Q1、Q2、Q3、Q4控制端。當要求電機正轉(zhuǎn)時，Q1受PWM 信號控制，同時Q4被施加高電平導(dǎo)通，Q2、Q3被施加低電平截止；當要求電機反轉(zhuǎn)時，Q3受PWM信號控制，Q2被導(dǎo)通，Q1、Q4被截止，方便實現(xiàn)了電機的方向控制和轉(zhuǎn)速控制。

      3. 軟件設(shè)計

       硬件功能的實現(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入循環(huán)，等待中斷，響應(yīng)后進入中斷子程序返回采集信號，ARM對其進行PID控制和模糊處理，輸出控制信號到執(zhí)行機構(gòu)，同時返回輸出信號進行反饋對比。程序中兩個關(guān)鍵是PID算法和模糊算法的實現(xiàn)。
為便于在計算機中實現(xiàn)PID控制，當采樣信號足夠小時，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行模糊化，限定論域的飽和值后進行模糊推理，最后反模糊化得到步進電機的方向和脈沖數(shù)，進而控制電機的轉(zhuǎn)向和步距角。這里為了易于編程實現(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。