杜萬強(qiáng)

（海南熱帶海洋學(xué)院海洋信息工程學(xué)院 海南省三亞市 572000）

駕駛模擬器是一種在車輛行駛環(huán)境中模擬駕駛的設(shè)備，常用于駕駛員訓(xùn)練、駕駛控制器設(shè)計(jì)等。在實(shí)際駕駛中，駕駛員在不同的車輛行駛環(huán)境下使用不同的動(dòng)力感來控制車輛方向。駕駛模擬器控制加載系統(tǒng)是用于為駕駛員提供動(dòng)力的轉(zhuǎn)向裝置?？刂萍虞d系統(tǒng)性能直接影響駕駛模擬器運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)的性能?？刂萍虞d系統(tǒng)通常有三種加載方式：機(jī)械加載、液壓加載、電氣加載。機(jī)械負(fù)載的優(yōu)點(diǎn)是沒有額外的扭矩，但降低了機(jī)械負(fù)載模擬的功率感的保真度。同時(shí)，由機(jī)械負(fù)載模擬的功率傳感模型簡單。對駕駛員的力反饋不能滿足復(fù)雜的環(huán)境。

隨著電子技術(shù)、電機(jī)技術(shù)的發(fā)展，以及嵌入式控制技術(shù)的飛速發(fā)展，伺服電機(jī)控制技術(shù)有了長足的進(jìn)步，使加載系統(tǒng)具有更高的加載精度。電負(fù)載體積小，結(jié)構(gòu)簡單。成本低、維護(hù)方便也是它的優(yōu)點(diǎn)，最重要的優(yōu)點(diǎn)是響應(yīng)速度快。因此，研發(fā)基于STM32和CAN總線的駕駛模擬器電機(jī)加載系統(tǒng)對于國內(nèi)駕駛模擬器技術(shù)的發(fā)展具有重要工程意義。

1 模擬駕駛器加載系統(tǒng)設(shè)計(jì)

1.1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

駕駛模擬器電控加載系統(tǒng)如圖1所示。從圖中我們可以清楚地看到，系統(tǒng)使用壓力傳感器來測量實(shí)際力，然后將力從傳感器反饋到計(jì)算機(jī)系統(tǒng)。我們通過力和力臂的乘積來計(jì)算電控加載系統(tǒng)產(chǎn)生的扭矩。最后，系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)閉環(huán)力控制。拉力傳感器采用應(yīng)變片形變測量原理，可準(zhǔn)確測量受力。同時(shí)，傳感器元件與電氣系統(tǒng)和機(jī)械結(jié)構(gòu)相連。編碼器反饋位置信號，實(shí)時(shí)檢測操作桿當(dāng)前位置?？刂破饔?jì)算控制模型的功率以實(shí)現(xiàn)模型力跟蹤。

圖1：駕駛模擬器電控加載系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

1.2 基于STM32和CAN總線的伺服電機(jī)控制系統(tǒng)構(gòu)成

本文中執(zhí)行器選用三相交流永磁同步伺服電機(jī)，采用電流反饋脈寬調(diào)制逆變器模式，具有速度性能優(yōu)良、結(jié)構(gòu)簡單、重量輕、效率高、慣性小、過載能力強(qiáng)等特點(diǎn)。驅(qū)動(dòng)模式有三種模式：位置模式、速度模式和扭矩模式?？刂葡到y(tǒng)處理器采用STM32 ARM 處理器，并通過CAN 總線提供從主機(jī)到從機(jī)的訪問，即使在多個(gè)高速外設(shè)同時(shí)工作時(shí)也能實(shí)現(xiàn)并發(fā)訪問和高效操作。由于位置模式，控制器需要發(fā)送脈沖來控制電機(jī)，所以定時(shí)器工作在PWM 模式。脈寬調(diào)制模式（PWM）可以產(chǎn)生一個(gè)信號。A/D 轉(zhuǎn)換器集成模擬輸入多路復(fù)用器、輸入緩沖器、可編程增益放大器和可編程數(shù)字濾波器。數(shù)據(jù)精度為24 位，可同時(shí)捕捉四個(gè)力傳感器的信號。在A/D 轉(zhuǎn)換器力傳感器信號采集之前，對力傳感器信號進(jìn)行過濾以消除噪聲和干擾信號。濾波方式是由電容和電阻構(gòu)成的低通無源濾波器。低通濾波器可以讓頻帶低于截止頻率的信號通過，而阻止高于截止頻率的信號?？刂破魍ㄟ^CAN 總線向PC 傳輸數(shù)據(jù)。CAN 總線是一種使用雙絞線作為通信介質(zhì)的“多主控制、沖突檢測、自動(dòng)仲裁”網(wǎng)絡(luò)，CAN 總線速度為400kbps。

2 模擬駕駛電控加載伺服控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)及測試

模擬駕駛電控加載伺服電機(jī)控制系統(tǒng)的任務(wù)是完成力的跟蹤。在位置模式下，控制系統(tǒng)對平滑和穩(wěn)態(tài)精度的要求更高，伺服力要求更高的快速性。在工程中，控制器包括校正元件，常采用比例（P）、微分（D）、積分（I）等基本控制規(guī)律，或采用PD、PI、PID 等這些規(guī)律的組合來實(shí)現(xiàn)有效控制?？刂破鞲鶕?jù)電機(jī)編碼器代表當(dāng)前操縱桿位置的數(shù)值，實(shí)時(shí)計(jì)算出駕駛員在相應(yīng)位置感受到的模型力。即使位置變化非?？?，模型力的計(jì)算也非常精確。閉環(huán)力是根據(jù)力模型和傳感器測量的實(shí)際力計(jì)算出來的，控制器根據(jù)誤差控制伺服系統(tǒng)。

為了消除轉(zhuǎn)矩誤差和冗余轉(zhuǎn)矩，本文選用工程上常用的比例微分(PD)控制律。這種控制算法可以接近實(shí)際電機(jī)轉(zhuǎn)矩的期望模型。輸入和輸出之間的關(guān)系是：

比例控制實(shí)際上有一個(gè)可變增益放大器。在信號轉(zhuǎn)換過程中，比例控制只改變信號的增益而不影響其相位。在串聯(lián)校正中，增加控制器增益可以提高系統(tǒng)的開環(huán)增益，降低系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)精度，從而提高控制系統(tǒng)的控制精度。但是，增加系統(tǒng)開環(huán)增益會降低系統(tǒng)的相對穩(wěn)定性，進(jìn)而影響閉環(huán)系統(tǒng)的穩(wěn)定性。因此，我們選擇比例微分控制器。在PD 控制器中，微分控制可以反映信號變化的趨勢，產(chǎn)生有效的早期修正信號。目的是增加系統(tǒng)的阻尼程度，從而提高系統(tǒng)的穩(wěn)定性。在串聯(lián)校正中，PD 控制器系統(tǒng)增加了一個(gè)開環(huán)零，從而提高了系統(tǒng)的相位裕度，有助于提高系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)性能。

模擬駕駛電控加載伺服控制系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)采用循環(huán)執(zhí)行模式。在中斷期間，控制器調(diào)整模型力和力誤差。系統(tǒng)初始化包括GPIO端口初始化、時(shí)鐘初始化、SPI 初始化和控制變量初始化。在加載執(zhí)行過程中，我們實(shí)時(shí)利用CAN 總線將數(shù)據(jù)上傳到上位機(jī)，并在上位機(jī)軟件中直觀顯示，方便數(shù)據(jù)處理和數(shù)據(jù)保存。在雙通道控制加載系統(tǒng)架構(gòu)設(shè)計(jì)中，為了減小機(jī)械結(jié)構(gòu)的整體尺寸和重量，增加系統(tǒng)的靈活性和響應(yīng)性基于結(jié)構(gòu)不變性補(bǔ)償?shù)目刂葡到y(tǒng)來消除引起位置誤差的感應(yīng)運(yùn)動(dòng)的影響，并通過解耦控制滿足兩個(gè)通道獨(dú)立的要求。

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果及分析

根據(jù)駕駛模擬器控制加載系統(tǒng)的力跟蹤要求，主要完成力伺服測試和解耦控制測試。力伺服測試是表示模型力/實(shí)際力和位置的跟蹤曲線。

在模擬駕駛電控加載控制器測試過程中，從初始位置拉動(dòng)操作桿，使操作桿來回往返運(yùn)動(dòng)。在運(yùn)動(dòng)過程中，采集伺服電機(jī)位置值和力值。圖2 中，藍(lán)色曲線代表操作桿位置變化，紅色曲線代表伺服電機(jī)升降位置變化。在操作桿運(yùn)動(dòng)過程中，電機(jī)反向運(yùn)動(dòng)以補(bǔ)償位置誤差。從數(shù)據(jù)中我們看到操作桿運(yùn)動(dòng)和電機(jī)運(yùn)動(dòng)的比例是3:4，該值符合理論分析。圖3 中，藍(lán)色曲線代表電機(jī)力變化，綠色曲線代表操作桿力變化。在操作桿運(yùn)動(dòng)過程中，操作桿對操作者產(chǎn)生作用力。由于解耦控制，控制器消除了伺服電機(jī)力。駕駛員感覺不到來自伺服電機(jī)的力，實(shí)際效果符合標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范。

圖2：位置跟蹤曲線

圖3：力伺服測試曲線

4 總結(jié)

在本文中，我們基于STM32和CAN總線技術(shù)設(shè)計(jì)了駕駛模擬器力伺服控制器來實(shí)現(xiàn)模擬駕駛的力反饋控制。同時(shí)，基于解耦控制方法解決了機(jī)械耦合問題。最后，我們測試了駕駛模擬器力伺服控制器的性能，系統(tǒng)誤差跟蹤精度小于10%，系統(tǒng)響應(yīng)時(shí)間的階躍特性小于0.2s，控制加載系統(tǒng)中飛行員誘導(dǎo)運(yùn)動(dòng)的感覺滿足設(shè)計(jì)要求。