STM32的模糊控制快捷貨車(chē)電子防滑器的研究

摘要：本文針對目前鐵路快捷貨車(chē)制動(dòng)防滑效率不高的現狀，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。該系統采用模糊控制方案，進(jìn)行二維模糊控制器的設計，并在MATLAB/Simulink中建立了快捷貨車(chē)的制動(dòng)防滑仿真模型。仿真結果表明，采用模糊控制時(shí)，系統的穩定性增強、調節時(shí)間短、響應速度快且具有較強的魯棒性。最后分析了系統軟件設計。

引言

　　隨著(zhù)鐵路貨運的發(fā)展，時(shí)速160km/h的快捷貨車(chē)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的科研計劃《160km/h快捷貨車(chē)關(guān)鍵技術(shù)研究》明確提出了開(kāi)展快捷貨車(chē)防滑器安全技術(shù)的研究。由于受粘著(zhù)限制，快捷貨車(chē)在制動(dòng)過(guò)程中容易發(fā)生滑行，導致車(chē)輪或軌面擦傷。因此，可靠的防滑控制是提高快捷貨車(chē)制動(dòng)效率、確保行車(chē)安全運行的關(guān)鍵。傳統的機械式防滑器存在靈敏度低、響應慢、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(guò)實(shí)時(shí)采集4個(gè)車(chē)軸上速度傳感器發(fā)出的脈沖信號，計算各軸速度和輪減速度，通過(guò)比較軸速獲得整車(chē)速度，以計算滑移率。再將計算結果與多滑行判據進(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、調節制動(dòng)缸壓力，防止車(chē)輪繼續滑行?？旖葚涇?chē)電子防滑器的原理圖如圖1所示。

1 系統硬件設計

　　系統硬件總體設計方案如圖2所示。采用模塊化設計思想，主要包括電源模塊、主控模塊、速度信號采集與調理模塊、排風(fēng)閥驅動(dòng)模塊、故障檢測模塊、存儲與顯示模塊。

1.1 電源模塊

　　為了使電子防滑器穩定可靠地工作，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(chē)軸動(dòng)能供電裝置^[1]，該裝置內部經(jīng)過(guò)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轉換電路設計，使防滑控制器穩定可靠地工作。

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(意法半導體)公司基于A(yíng)RM Cortex-M3內核的32位微控制器STM32F103ZET6，其內核架構先進(jìn)，性能優(yōu)越，最高工作頻率可達72MHz，執行效率高，并擁有豐富的外設資源。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接口和內部看門(mén)狗等。

1.3 速度信號采集與調理模塊

　　速度傳感器采用霍爾式傳感器，主要負責采集各輪對的實(shí)時(shí)轉速，經(jīng)過(guò)信號調理(光電隔離)后提供給主控單元進(jìn)行處理。

1.4 防滑排風(fēng)閥驅動(dòng)模塊

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

1.5 故障檢測、存儲與顯示模塊

　　電子防滑器需要具備一些附屬功能，如故障檢測、存儲與顯示功能。當速度傳感器與防滑排風(fēng)閥出現故障時(shí)，能夠將故障信息存儲下來(lái)，在貨車(chē)停車(chē)檢修的時(shí)候通過(guò)顯示操作面板獲取、清除故障信息。

2 模糊控制器的設計與驗證

　　由于快捷貨車(chē)輪軌黏著(zhù)多變、受外界各種影響因素較多，因此很難提取出線(xiàn)性模型來(lái)描述，而且鐵路現場(chǎng)實(shí)驗費用非常高。模糊控制方法的優(yōu)點(diǎn)是不需要精確的數學(xué)模型，利用模糊分析和專(zhuān)家經(jīng)驗確定模糊控制規則，在處理非線(xiàn)性控制系統時(shí)，變控制系統以及不確定性控制系統有其自身的優(yōu)勢。因此，把模糊控制理論引入到電子防滑器的設計中無(wú)疑是一種很好的選擇。下面將對模糊控制器的設計與驗證過(guò)程進(jìn)行分析討論。

2.1 模糊控制器的設計

2.1.1 精確量模糊化

　　電子防滑器的滑行判據主要包括速度差、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計。其中滑移率的基本論域為[0，0.26]，減速度的基本論域為[-4，+4]?；坡实哪：撚蚍秶O定為[0，6]，模糊語(yǔ)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(yǔ)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)缸壓力的調整量為最終輸出變量，范圍設定在[-100%，+100%]，模糊論域為[-6，+6]，其量化因子為KU=1/6。在設計模糊控制器時(shí)，能否適當選取KE和KEC，對系統響應速度和實(shí)際調整量有較大影響^[4]。

2.1.2 確定模糊控制規則

　　模糊控制規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)驗和常識，通過(guò)經(jīng)驗歸納或合成推理而得來(lái)。本文結合了對電子防滑器的既有經(jīng)驗和對模糊控制的反復實(shí)踐^[5-8]，總結出了如表1的模糊控制規則。

2.1.3 解模糊

　　模糊控制器要實(shí)現其控制，必須要產(chǎn)生一個(gè)精確量，才能被相關(guān)執行機構所接受。解模糊就是將模糊推理得到的模糊控制量轉化為精確量的過(guò)程。根據上述得到的模糊控制規則，采用重心法求取各個(gè)相應的控制量^[6]，可得該系統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(kāi)發(fā)。本文采用離線(xiàn)查詢(xún)法實(shí)現模糊控制^[5-6]：通過(guò)軟件編程，將模糊控制的輸入量先進(jìn)行離散化，再通過(guò)模糊推理制成模糊控制離線(xiàn)查詢(xún)表，在實(shí)際的防滑控制過(guò)程中只需測得模糊輸入的量化值，通過(guò)查表即可得到模糊控制的輸出。

2.2 模糊控制器的驗證

　　為了實(shí)現模糊控制器性能的驗證，本文選用中車(chē)眉山車(chē)輛有限公司的160km/h快捷貨車(chē)樣車(chē)相關(guān)數據作為數學(xué)模型^[3]，在Simulink仿真軟件中搭建了快捷貨車(chē)防滑控制的仿真模型，如圖3所示。

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

　　從仿真結果來(lái)看，打滑時(shí)輪減速度得到有效的控制，且調節時(shí)間短、響應速度快，具有較強的魯棒性?？梢哉f(shuō)明，采用模糊控制時(shí)，系統取到了理想的防滑控制效果。

3 系統軟件設計

　　系統軟件主要分為兩大部分：第一部分為系統初始化部分，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算子程序、防滑控制子程序、故障檢測子程序和停車(chē)處理子程序。速度測量與計算子程序主要完成速度信號的實(shí)時(shí)檢測、計算輪速和輪減速度，得到整車(chē)速度，進(jìn)而計算滑移率。防滑控制子程序主要包括滑行檢測和模糊控制兩部分，系統首先進(jìn)行滑行狀態(tài)的定時(shí)檢測，以判斷各車(chē)輪在運行過(guò)程中是否打滑，若發(fā)生打滑，則進(jìn)入模糊控制子程序，再根據滑行判據，利用離線(xiàn)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，如有故障應該作出相應的控制：當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，對應車(chē)軸實(shí)施一般的正常制動(dòng)。停車(chē)處理子程序是在貨車(chē)停車(chē)檢修的情況下，列檢人員通過(guò)按鍵操控實(shí)現系統的自檢、故障顯示與清除功能，以便防滑器的檢修與維護。

　　系統軟件流程如圖5所示。系統上電或復位后，先執行系統初始化程序，然后進(jìn)入主控制循環(huán)程序。主控制程序中先執行故障檢測子程序，如果系統正常，則進(jìn)入速度測量與計算子程序，得到滑移率和減速度。當整車(chē)速度大于3km/h時(shí)^[5]，則執行防滑控制子程序;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(chē)處理子程序。

4 結語(yǔ)

　　高性能的防滑控制器及先進(jìn)的控制算法，對快捷貨車(chē)制動(dòng)系統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，在軟硬件設計上，采用模塊化設計思想，有效提高了快捷貨車(chē)防滑控制的實(shí)時(shí)性和準確性，彌補了以往機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進(jìn)行二維模糊控制器的設計，并運用MATLAB/Simulink仿真工具搭建仿真模型進(jìn)行仿真驗證，最后證明采用模糊控制算法進(jìn)行電子防滑器的設計是一種可行的方式。

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