实车碰撞车速控制系统控制器的设计与实现

撞击速度控制一直是汽车碰撞试验中最为关键的部分。汽车被动安全性法规中的多项决定性的指标如人体头部伤害指数(HIC)、胸部合成加速度、大腿力等都是同车辆撞击速度有密切关系的,所以必须严格保证撞击速度在允许的偏差范围内[1～4]。在国内首创的橡皮绳弹射实车碰撞速度控制系统中,控制器的设计对整个控制系统的性能起着决定性的作用。在汽车行业中广泛应用的MOTOROLA单片机系统具有卓越的稳定性和丰富实用的功能,该系统配以其它辅助电路,可成功地构建出系统的控制器。经实验验证,设计的控制器能够完成速度的采集和控制算法的实现。

1 车速控制的总体方案

为了解决橡皮绳的时变特性和驱动装置的非线性特性,提高整个系统抵抗滚动阻力干扰的能力,根据橡皮绳弹射碰撞试验系统实际情况,结合清华大学汽车碰撞试验室的实际,速度控制的总体方案如图1所示。

通过控制橡皮绳拉伸的长度进行"开环"控制,粗略地把速度控制到一定的范围内。通过安装在加速滑车上的传感器、控制器和执行器等构成速度"闭环"控制系统,力图精确、稳定地控制碰撞时的车速。

对于质量为1.5吨的小轿车,在距离加速末端拉伸5m处释放加速,可得到15km/h的车速。由动能定理和等效原理可以计算出在拉伸5m以上情况下,在距离加速末端拉伸5m处与加速末端的速度差:

其中,v1、v22、v21分别为拉伸5m得到的车速、拉伸5m以上时加速末端的速度和在距离加速末端拉伸5m处的速度。若在实车碰撞中v22+v21=100km/h

代入数据可得: v22-v21=2.25km/h

由理论分析和计算结果可以看出:在加速末端速度变化量相对很小,有利于控制调整,但是留给控制系统的时间也很少。闭环系统控制策略为对整个过程的初始阶段不加控制,到加速的末端进行速度的调整和控制。

图2为试验车辆与滑车之间连接的示意图。由于滑车与被测试车辆间只有推力,其非线性特性和动力的时变特性给控制系统的实现增加了难度。"闭环"系统实现的框图如图3所示。

执行器即为刹车机构,利用轨道和刹车片的摩擦消耗系统的动能来降低加速滑车的速度,导致加速滑车与被测车辆脱离,从而切断被测车辆的动力源,对车速进行控制。

2 控制器的设计实现

2.1 总体设计分析

控制器要求具有复杂计算的能力,而且整个闭环系统需要安装在加速滑车上,工况较恶劣。因此选用单片机作为整个控制器的核心器件,以单片机系统来构建控制器。

根据控制单元的要求,作为控制器核心器件的单片机应具备以下性能:

·有足够大的RAM

·有足够大的EEPROM

·有足够大并方便开发的ROM

·有A/D转换功能

·有串行通讯能力

·有足够强的中断功能

·有很高的稳定性,最好有良好的耐冲击能力

根据以上的性能要求,选择MOTOROLA公司的MC68HC711E9[6]单片机。

为了实现速度采集、状态显示、算法实现和数据处理等功能,所设计的控制器的组成框图如图4所示。

2.2 速度的测量

在控制系统中,速度的测量精度直接影响最后的控制精度。若用传统的五轮仪方式来测量车速,其滑差和传动迟滞问题将使精度提高到本系统要求的水平变得很困难;若应用超声波测速,其测量距离对于长达70m的加速跑道又显不足。因此采用的速度测量方案为:由记录等距明暗条纹的反射式光电开关完成位移的采集,时间由扩展的单片机内部的计数器来记录,最后速度由单片机计算出来。此新颖的非接触式测量大距离的方法测量精度高、安装简便、成本较低。

作为速度控制系统的控制器,时间的测量精度直接影响控制的精度。采用集成的精度为30×10-6的晶振提供时钟信号,时间测量精度远高于速度测量精度,所以由计数器时钟信号引起的误差可以忽略不计。此外,因为碰撞全程的每一个位移采集点用4字节32位计数器来记录时间的绝对值,所以消除了累积误差。

对于单片机计数器的时钟,出于精度的考虑,选择的分频因子为1。这样用于定时的单片机的计数器的时钟频率与单片机的E时钟信号的频率相同,其时钟周期为即0.5μs。对于单片机本身具有的16位计数器,在上述的时钟周期情况下,计数器每32.77ms溢出一次,本控制器采用4字节来记录时间,系统记录的整个时间长度为:

32.77×64=2097s≈35min

此时间长度可以满足整个碰撞试验过程对时间长度的要求。为了实现上述设计,对于每个位移点,系统用两个字节来表示16位计数器的溢出次数,即为4字节时间值的高16位,此数值的更新由计数器的溢出中断程序来实现。另外两个字节为光电开关经过明暗条纹交界处时16位计数器的数值,即为4字节时间值的低16位,用输入捕捉中断程序来实现。输入捕捉中断程序把输入捕捉中断所记录的16位计数器的数