单片机在汽车驾驶模拟器中的应用

文章摘要： 为了实现精确控制，该文中采用位置式积分分离型PID控制算法对电机转速进行控制。积分分离型PID控制算法与普通PID算法相比较，其优越性体现在：消除电动机力矩改变较大时造成的静差。计算机编程实现积分分离型PID控制的程序框图，如图5所示。 从图5中可看出，PID算法并不是一直计算，当两者相差比较小时，该计算无实际意义且占用过多资源，但当偏差大于一定值时才启动。采用积分分离型PID控制算法后，其控制效果比普通PID控制算法有较大的改善，由文献的比较图可明显看出。可变占空比的输出波形如图6所示。5 结论 该控制电路可控制直流力矩电机的转速、转向及输出力矩，电路简单，容易实现，结合

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    为了实现精确控制，该文中采用位置式积分分离型PID控制算法对电机转速进行控制。积分分离型PID控制算法与普通PID算法相比较，其优越性体现在：消除电动机力矩改变较大时造成的静差。计算机编程实现积分分离型PID控制的程序框图，如图5所示。

    从图5中可看出，PID算法并不是一直计算，当两者相差比较小时，该计算无实际意义且占用过多资源，但当偏差大于一定值时才启动。
采用积分分离型PID控制算法后，其控制效果比普通PID控制算法有较大的改善，由文献的比较图可明显看出。可变占空比的输出波形如图6所示。

5 结论
    该控制电路可控制直流力矩电机的转速、转向及输出力矩，电路简单，容易实现，结合PID控制算法实现电机的精确控制；该系统可在不改变硬件电路的情况下，通过改写软件程序实现多种控制；为了减少控制器件与驱动电路的干扰，电路中采用光电耦合器并加入4只磁片电容消除射频辐射，使系统更安全、可靠。此控制系统在汽车驾驶模拟器中经实验验证其输出与实际很接近，精确度满足模拟要求。

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    图3中VQl、VQ3为P沟道MOSFET，VQ2、VQ3为N沟道MOSFET；电阻R1～R4用来保护器件不受损坏；二极管(VD1～VD4)是在MOSFET关断时起保护作用，防止电动机的感应电流损坏MOSFET；电容器(C1～C4)的值通常小于10 pF，主要用于减少换向器换相引起的干扰。H桥工作模式与电机运行状态的关系如表1所示。

3 计算机与单片机的通讯
    计算机与单片机使用串口通讯，考虑到串口的输出电压高达十几伏，而单片机正常工作电压仅3．3 V，仅兼容5 V电压，串口输出为RS-232电平，而单片机为TTL电平，因此，应在串口输出与单片机之间加一电平转换电路。这里采用MAX3232实现电平转换，其电路图如图4所示。

    在设计该电平转换电路时应注意以下几点：1)电路中的电容为0．1μF，实际应用中如果MAX3232的引脚2和引脚6电压达不到要求，则可换为1μF的电容，但使用中要注意正负极性。2)MAx3232的串口的引脚7与引脚8悬空。3)若MAX3232的引脚16接地电阻选用钽电容，可用其正极接地，但作者经过数次试验后发现电容发热严重，故建议采用负极接地，且正极接地时若电压过高有可能发生爆炸。

4 回正力矩的计算及模拟的实现
    本系统选用直流力矩电机作为力矩输出。直流力矩电机输出力矩与电流的幅值成正比，所以调速系统的关键是控制电动机电流大小。电机力矩控制采用单片机的PWM方式改变电机的平均电压，根据实际所需的电动机力矩计算所需的占空比，从而实时控制电机。
    回正力矩的计算是由上位机完成的，上位机由测得的车速及方向盘的转角，计算出此时方向盘上受到的回正力矩。上位机将计算得的数值通过接口传送到单片机对力矩电机进行控制，同时力矩传感器将电机的实际输出力矩反馈给单片机的ADC模块，如果实际值与计算值不符，计算机就用PID算法进行调速。最终使输出与计算值相一致。

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