电动教练车模拟控制的研究

1、武汉科技大学本科毕业论文题目学 院:汽车与交通工程学院专 业:车辆工程学 号:201023179076学生姓名:郑榕指导教师:麻友良日 期:二一四年五月 当UU2、U3时，使斩波器较多的降低电枢电压的值，从而使电磁转矩下降较快，以使车身“抖动”相对剧烈；当UU3、U4时，离合器踏板松得过快，发动机所能提供的力矩小于阻力矩，会导致车辆直接熄火。在此情况下，电动机应该被控制停机（可直接用单片机控制电动机停机）。图4.6 直流电动机调速控制主电路电枢电压调节过程变电枢电压调速是直流电机调速系统中应用最广的一种调速方法，适用于电动机基速以下的调速控制。电枢电压调压法的调速过程是：当降低电枢电压时，在电

2、动机转速、阻力矩还没来得及改变时，电枢电流必然下降，电枢产生的电磁转矩也会下降。在电动教练车起步时，电动机的转速很低，按照电动机的机械特性，电动机提供的转矩会很大，要达到和燃油汽车起步效果一样，就必须降低电磁转矩，用电枢电压调节法刚好达到此目的。 变负荷下电动机转速稳定控制行驶阻力与转向角及转向速度之间的关系任何主动转向系统在汽车转向时,主要的转向阻力矩来自前轮。作用在前轮的转向阻力矩可分为主动阻力矩和被动阻力矩两部分。主动阻力矩是由作用在转向轮轮胎的外力和外力矩所引发的,其力矩的大小及方向与转向系统是否运动无关。而被动阻力矩的大小与转向系统是否运动有关,其被动阻力矩的方向总是同转向轮的运动方

3、向相反,阻止转向轮的运动。汽车转向时作用在两前轮被动阻力矩可分为如下3部分:第一部分是转向器及传动机构中的摩擦所引起的摩擦阻力矩Mb1,其大小基本上可看成一个常量,它总是阻止前轮的转向运动,因此,摩擦阻力矩Mb1的符号总是与前轮的转向运动方向相反。Mb1可近似表示为：Mb1=sgn*Tf1,其中是转向轮转向角，Tf1是摩擦力矩。第二部分是转向器及传动机构中的阻尼力矩Mb2,其大小同前轮的转向角速度有关, Mb2可近似地表示为：Mb2=-*，其中是前轮的转向角速度，为转向器及传动机构的阻尼系数。第三部分被动阻力矩Mb3是由轮胎和路面之间的摩擦所产生的。这时轮胎与路面之间的摩擦力矩Mb3为: Mb

4、3=-Fz*f*,其中Fz是前轮法向力，f是路面的摩擦系数，是轮胎和路面接触面的斜对角线长度。汽车转向时，行驶路况等其他外在因素不变的情况下，行驶阻力的变化主要来源于由转向角和转向角速度变化引起的被动阻力矩变化引起的。由上面三个等式分析可得，转向角越大，转向角速度越大，被动阻力矩越大，从而行驶阻力越大。又方向盘转角与转向轮转角成大致正比例关系，即转向轮转角虽方向盘转角的增大而增大，减小而减小。从而可以得到，行驶阻力随着转向角和转向速度的增大而增大，减小而减小。由以上行驶阻力与转向角及转向速度之间的关系分析可知，在汽车转向的过程中所产生的行驶阻力大小变化与方向盘转向角和转向速度有关。方向盘转向角

5、和转向速度影响着转向过程中引起变化的行驶阻力。电动教练车转向过程总体控制框图电动教练车转向过程跟电动机的转速、电枢电流、方向盘的转向角和转向速度有很大的关联，因此在电动机上安装一个霍尔转速传感器，电枢位置安装电流传感器，在方向盘位置安装一个转向角传感器。首先，各传感器采集电动机转速信号n、电枢电流信号I，方向盘转向角信号以及由计算得到的转向速度信号v，然后一方面由模糊控制查询表找到对应控制量的清晰值电枢电压U，由 STC89C52 单片机计算出占空比，输出给直流电机，从而相应提高电动机的电磁转矩，使电动机的电磁转矩与其负载转矩相平衡，控制电动机转速下降，另一方面将转向前采集的转速n0作为目标转

6、速，调节过程中采集的转速信号作为实际转速信号n，将两者进行比较，转速信号n作为反馈信号对电枢电压进行再次调节，形成闭合调节回路，从而保证电动机的转速保持恒定。其总体框图如下图5.1：方向盘转向角信号电枢电流信号方向盘转向角信号电枢电流信号STC89C52单片机及其驱动电路直流电动机转速图5.1 电动教练车转向过程总体控制框图电动教练车转向过程模糊控制确定控制系统的输入与输出变量根据转向过程中转速稳定控制策略，选择转向过程的行驶阻力增量F和电枢电流上升率D作为输入变量，输出变量则采用电压U。其中采用方向盘转向角和转向速度v来识别行驶阻力增加量F的大小。 由于输入变量较多，本文采用分层多规则结构的

7、设计方法。模糊控制器第一步由和v推出行驶阻力增加量F的大小；第二步由行驶阻力增加量F和电枢电流上升率D推出电压U，然后由单片机计算出占空比，输出给直流电机，从而相应提高电动机的电磁转矩，使电动机的电磁转矩与其负载转矩相平衡，控制电动机转速下降，同时，调节过程中采集的转速信号实际转速信号n与转向前采集的转速n0进行比较，如果n小于n0，则再适当提高电动机的电磁转矩，如果n大于n0，则适当降低电动机的电磁转矩，从而保证电动机的转速保持恒定。如下图5.2：方向盘转向角方向盘转向角转向速度电枢电流上升率D模糊化模糊化模糊推理模糊推理精确化电动机转速图5.2 电动机转速稳定模糊控制结构图电压U行驶阻力增

8、量F 输入-输出变量论域和模糊集合 选择各变量的论域如下： ：0 , 1 , 2 , 3 , 4 , 5 , 6 , 7 , 8 v：0 , 1 , 2 , 3 , 4 , 5 , 6 , 7 , 8 D：0 , 1 , 2 , 3 , 4 , 5 , 6 , 7 , 8 F：0 , 1 , 2 , 3 , 4 , 5 , 6 , 7 , 8 U：0 , 1 , 2 , 3 , 4 , 5 , 6 , 7 , 8 我们对各个输入输出变量均选择5个模糊变量，如下： ：非常慢（VS），慢（S），中（M），快（B），非常快（VB） v：非常慢（VS），慢（S），中（M），快（B），非常快（VB） D

9、：非常小（VS），小（S），中（M），大（B），非常大（VB） F：非常慢（VS），慢（S），中（M），块（B），非常快（VB） U：非常小（VS），小（S），中（M），大（B），非常大（VB）确定各变量的隶属度函数 本论文采用三角形隶属度函数，同样利用MATLAB软件隶属度函数的编辑器，得到如下图5.3所示各变量的隶属度函数图像。 图 5.3 电压隶属度函数建立模糊控制规则表和模糊控制查询表根据转向时的实际操作的驾驶经验：方向盘转向角越大，转向速度越大，其行驶阻力增量就越大。因此，可以总结出以下模糊控制规则表，如下表5.1。 R1：If is VS and v is VS then F is

10、 VS R2：If is VS and v is S then F is VS同理可知R3 、R4 . R25。 表5.1 冲击度模糊推理规则表FVS S M BVB vVSVSVSSMBSVSSMBVBMSMBVBVBBMBVBVBVBVBBVBVBVBVB直流电动机通电后所产生的电磁转矩M与电枢电流I的关系：M=Cm*I，其中是磁极的磁通量。可以得到，电磁转矩M与电枢电流I，故电流上升率即转矩增大率。可以根据上表推出的行驶阻力增量的大小，可以结合电枢电流上升率，推出电压的模糊推理规则表。由理论经验和驾驶实验可知，汽车所受行驶阻力越大且电枢电流上升越快，电压值应该越大，总结可得电压模糊推理规

11、则表，如下表5.2 。表5.2 电枢电压模糊推理规则表 U FVSSMBVBDVSVSVSMBVBSVSVSMBVB MVSSMBVB BVSSBVBVBVBSMVBVBVB确定模糊控制查询表 根据已经确定的输入、输出变量的论域，以及论域上所建立的模糊集合及其对应的模糊控制规则表，采用Mamdani推理方法进行模糊推理，计算出输入论域上的每对点对应的模糊控制量，再通过加权平均重心法对模糊结果进行清晰化处理，最终可以得到电枢电压U的模糊控制查询表。只要输入变量、V、D的离散值就可以由模糊控制查询表找到对应控制量的清晰值电枢电压U。 电动机转速稳定的控制他励直流电动机在负载转矩波动状态情况下，通过

12、用模糊控制方法，得到电枢电压的参数,并将其转换为相应的占空比，用斩波器（PWM）脉宽调制的方法实现对电枢电压的调节，使电枢电流增大，从而提高电动机的电磁转矩，使电动机的电磁转矩与其负载转矩相平衡，控制电动机转速下降。同时，调节过程中采集的实际转速信号n作为反馈信号，与转向前采集的转速n0进行比较，如果n小于n0，则再适当提高电动机的电磁转矩，如果n大于n0，则适当降低电动机的电磁转矩，从而保证电动机的转速保持恒定。 结论由于传动系统具有高阶非线性时变特征，其输入输出之间还具有强耦合关系。在汽车复杂运行工况和大量的不确定环境因素的影响下，传统的控制方法己不能满足系统的控制要求。然而，我们可以通过

13、把研究对象适当地模糊的方法，用精确的数学方法去解决模糊的概念，从而达到精确的效果。现有的模糊状态识别技术，可以实现对离合器操控状态的识别和行驶阻力变化的预判，有了对电动机负载状态变化的准确识别与预判，可以实现多参数限定条件下的电动机转矩控制，从而改变电动机原有的机械特性，使电动教练车具有与燃油汽车相同的操控特性。模糊控制有着很多传统控制理论所不具备的特点： 模糊控制在设计的过程中往往需要的是专家丰富的经验和大量的知识，并且我们还要将这些知识和经验转化成机器能够识别的控制规则。在这样的一个过程中，我们就不需要去具体的知道控制系统内部的数学模型，就能够对我们的控制系统进行建模。换句话来说，模糊控制

14、系统是完全不依赖被控对象对应的数学模型的。 控制系统的适应性和鲁棒性好。 由于模糊控制理论中的控制规则都是用我们熟悉的自然语言来描述的，所以一般的操作人员很容易就学会模糊控制。 模糊控制系统需要将精确信息转换成模糊信息，这与传统控制系统有着明显的不同。 此外，本论文主要是采用斩波器脉宽调制的方法实现调速控制的。PWM的占空比信号在0%100%范围内连续可调，能使加在电枢上的平均电压在0Ub范围内改变，从而实现电动机的转速控制。PWM速度控制有如下优点：1）电动机损耗和噪声小。晶体管开关频率很高，远比转子能跟随的频率高，也即避开了机械的共振。由于开关频率高，使得电枢电流仅靠电枢电感或附加较小的电

15、抗器便可连续，所以电动机功耗与发热小。2）系统动态特性好，响应频带宽，PWM控制方式的速度控制单元与理想的电动机匹配，可充分发挥系统的性能，从而获得很宽的频带。具有调速范围宽、响应速度快等性能。3）低速时电流脉冲和转速脉动都很小，稳速精度高。4）功率晶体管工作在开关状态，其损耗小，电源利用率高，并且控制方便。5）响应很快。PWM控制方式，具有四象限的运行能力，即电动机能驱动负载，也能制动负载，所以响应很快。通过这些特殊控制方法，使得电动教练车与燃油汽车具有相同的操控特性。在操纵离合器踏板时，如果松开较快，将会使车身产生抖动；如果松开过快，电动机则可能停机。在场地驾驶转向时，电动机转速可以基本维

16、持不变。这解决了电动教练车与燃油汽车具有较大操控特性差异的问题，使电动教练车得以推广。参考文献1 R. Krishnan, Electric Motor Drives, Prentice Hall, Englewood Cliffs, NJ, 20012 李兴虎主编，电动汽车概论M,北京：北京理工大学出版社，2005.08.6143 CCChan, KTChauThe Recent Advances in 1310bal Electric VehiclesDModem Electric Vehicle Technology, Oxford University Press 20014 章桐，贾

17、永轩主编. 电动汽车技术革命M,北京：机械工业出版社，2010.04.1205 林钢主编.模糊控制及其在家用电器中的应用M，北京：机械工业出版社，2006.04.18746 杨超群，麻友良. 电动教练车起步过程模糊控制. J. 公路与汽运，2013,5（3）：10117 杨超群. 电动教练车起步控制设计与仿真.硕士学位论文. 武汉：武汉科技大学. 2013.05.26398 麻友良，严运兵. 电动汽车概论M. 北京：机械工业出版社.2012.52599 陆艺，郭斌，赵静，陈宇. 基于高速数据采集的离合器踏板特性测试系统D. 汽车技术. 2011.09.4851 10 夏高长，张猛，王继磊等.

18、AMT汽车起步过程离合器接合控制的研究D. 重庆交通大学学报. 2012.31（3）477481 11 孙林峰，麻友良. 电动教练车模拟燃油车操控特性的研究与开发D. 四川兵工学报. 2011.03.124126 12 罗明胜. 电驱动教练车的模拟操纵控制方法的研究. 硕士学位论文. 武汉：武汉科技大学. 2010.05.11913 何万库，洪际伟，牛秦玉. 基于主动油门的离合器起步策略研究D. 机械与电子. 2010.03.777914 黄炳华，陈祯福.汽车主动转向系统中转向阻力矩的分析与计算D.武汉理工大学学报.2008.91291515 P.F.Muir and C.P.Neuman, Pulsewidth modulation control of brushless DC motors for robotic application, IEEET ransaction on Industrial Electronic，IE-32(3),222-229,19851