STM32的模糊控制快捷货车电子防滑器的研究

安防与国防   作者:陈启武 王飞 吴新春 时间:2016-09-28来源:电子产品世界

编者按:本文针对目前铁路快捷货车制动防滑效率不高的现状,提出了一种以STM32F103为控制核心的电子防滑器,介绍了电子防滑器的工作原理以及硬件组成。该系统采用模糊控制方案,进行二维模糊控制器的设计,并在MATLAB/Simulink中建立了快捷货车的制动防滑仿真模型。仿真结果表明,采用模糊控制时,系统的稳定性增强、调节时间短、响应速度快且具有较强的鲁棒性。最后分析了系统软件设计。

摘要:本文针对目前铁路快捷货车制动防滑效率不高的现状,提出了一种以STM32F103为控制核心的电子防滑器,介绍了电子防滑器的工作原理以及硬件组成。该系统采用模糊控制方案,进行二维模糊控制器的设计,并在MATLAB/Simulink中建立了快捷货车的制动防滑仿真模型。仿真结果表明,采用模糊控制时,系统的稳定性增强、调节时间短、响应速度快且具有较强的鲁棒性。最后分析了系统软件设计。

引言

  随着铁路货运的发展,时速160km/h的快捷货车防滑制动技术成为研究的重要课题。目前,中国铁路总公司下达的科研计划《160km/h快捷货车关键技术研究》明确提出了开展快捷货车防滑器安全技术的研究。由于受粘着限制,快捷货车在制动过程中容易发生滑行,导致车轮或轨面擦伤。因此,可靠的防滑控制是提高快捷货车制动效率、确保行车安全运行的关键。传统的机械式防滑器存在灵敏度低、响应慢、制动效果差、易磨损等缺点。基于此,本文提出了一种以STM32为防滑控制器,以模糊控制为算法的电子防滑器。该防滑器通过实时采集4个车轴上速度传感器发出的脉冲信号,计算各轴速度和轮减速度,通过比较轴速获得整车速度,以计算滑移率。再将计算结果与多滑行判据进行比较,一旦检测到某轴发生滑行,即控制该轴防滑电磁阀充放气、调节制动缸压力,防止车轮继续滑行。快捷货车电子防滑器的原理图如图1所示。

1 系统硬件设计

  系统硬件总体设计方案如图2所示。采用模块化设计思想,主要包括电源模块、主控模块、速度信号采集与调理模块、排风阀驱动模块、故障检测模块、存储与显示模块。

1.1 电源模块

  为了使电子防滑器稳定可靠地工作,一个性能优质的电源是十分必要的。电子防滑器的外部电源使用的是车轴动能供电装置[1],该装置内部经过电源管理后可给防滑控制器各个模块正常供电。由于系统各个用电元件的供电电压不同,故在电源模块中需进行DC/DC转换电路设计,使防滑控制器稳定可靠地工作。

1.2 防滑控制器主控模块

  防滑控制器的主控芯片选用的是ST(意法半导体)公司基于ARM Cortex-M3内核的32位微控制器STM32F103ZET6,其内核架构先进,性能优越,最高工作频率可达72MHz,执行效率高,并拥有丰富的外设资源。利用其通用定时器的捕获/比较通道可捕捉到外部引脚电平的跳变,可方便地用于速度信号的测量。此外,完成防滑控制用到的片上资源还包括:SRAM、GPIO、ADC、DMA、USART、外部中断接口、I2C接口和内部看门狗等。

1.3 速度信号采集与调理模块

  速度传感器采用霍尔式传感器,主要负责采集各轮对的实时转速,经过信号调理(光电隔离)后提供给主控单元进行处理。

1.4 防滑排风阀驱动模块

  排风阀是执行部件,排风阀驱动模块用于将控制器输出的弱电信号转换为驱动电磁阀的功率信号,从而实现防滑控制。

1.5 故障检测、存储与显示模块

  电子防滑器需要具备一些附属功能,如故障检测、存储与显示功能。当速度传感器与防滑排风阀出现故障时,能够将故障信息存储下来,在货车停车检修的时候通过显示操作面板获取、清除故障信息。

2 模糊控制器的设计与验证

  由于快捷货车轮轨黏着多变、受外界各种影响因素较多,因此很难提取出线性模型来描述,而且铁路现场实验费用非常高。模糊控制方法的优点是不需要精确的数学模型,利用模糊分析和专家经验确定模糊控制规则,在处理非线性控制系统时,变控制系统以及不确定性控制系统有其自身的优势。因此,把模糊控制理论引入到电子防滑器的设计中无疑是一种很好的选择。下面将对模糊控制器的设计与验证过程进行分析讨论。

2.1 模糊控制器的设计

2.1.1 精确量模糊化

  电子防滑器的滑行判据主要包括速度差、减速度、滑移率以及减速度微分等[5-7]。本文选取滑移率E和受控轮减速度EC为输入变量,制动缸压力的调整量U作为输出变量,在MATLAB/Simulink环境中进行二维模糊控制器的设计。其中滑移率的基本论域为[0,0.26],减速度的基本论域为[-4,+4]。滑移率的模糊论域范围设定为[0,6],模糊语言变量分为5级:NB、NS、ZE、PS和PB;减速度的模糊论域范围在[-6,+6],模糊语言变量分为 7级:PL、PM、PS、ZE、NS、NM和NL。由此可得,滑移率的量化因子为KE=6/0.26=23.08,减速度的量化因子为KEC=6/4=1.5。制动缸压力的调整量为最终输出变量,范围设定在[-100%,+100%],模糊论域为[-6,+6],其量化因子为KU=1/6。在设计模糊控制器时,能否适当选取KE和KEC,对系统响应速度和实际调整量有较大影响[4]

2.1.2 确定模糊控制规则

  模糊控制规则对模糊控制器的控制效果影响最为突出,它源于操作人员的经验和常识,通过经验归纳或合成推理而得来。本文结合了对电子防滑器的既有经验和对模糊控制的反复实践[5-8],总结出了如表1的模糊控制规则。

2.1.3 解模糊

  模糊控制器要实现其控制,必须要产生一个精确量,才能被相关执行机构所接受。解模糊就是将模糊推理得到的模糊控制量转化为精确量的过程。根据上述得到的模糊控制规则,采用重心法求取各个相应的控制量[6],可得该系统模糊控制器的控制表,如表2所示。

  将表2固化到STM32的ROM中,以便电子防滑器的软件开发。本文采用离线查询法实现模糊控制[5-6]:通过软件编程,将模糊控制的输入量先进行离散化,再通过模糊推理制成模糊控制离线查询表,在实际的防滑控制过程中只需测得模糊输入的量化值,通过查表即可得到模糊控制的输出。

2.2 模糊控制器的验证

  为了实现模糊控制器性能的验证,本文选用中车眉山车辆有限公司的160km/h快捷货车样车相关数据作为数学模型[3],在Simulink仿真软件中搭建了快捷货车防滑控制的仿真模型,如图3所示。

  模糊控制子模块根据输入的防滑判据,查询模糊控制器输出制动缸压力;被控车轮模块根据轮对受力分析理论计算并输出轮减速度和轮速到相关模块;整车模块根据整车制动力计算整车减速度和制动距离,以便计算滑移率。粘着限制模块根据整车速度计算粘着系数,并通过设定制动距离让车轮进入打滑状态。设定初速度为44m/s(约160km/h),制动缸压初始量为450KPa,仿真结果如图4所示。

  从仿真结果来看,打滑时轮减速度得到有效的控制,且调节时间短、响应速度快,具有较强的鲁棒性。可以说明,采用模糊控制时,系统取到了理想的防滑控制效果。

3 系统软件设计

  系统软件主要分为两大部分:第一部分为系统初始化部分,主要包括GPIO初始化、定时器初始化、ADC初始化、控制参数初始化等。第二部分为主控制循环部分,主要包括速度测量与计算子程序、防滑控制子程序、故障检测子程序和停车处理子程序。速度测量与计算子程序主要完成速度信号的实时检测、计算轮速和轮减速度,得到整车速度,进而计算滑移率。防滑控制子程序主要包括滑行检测和模糊控制两部分,系统首先进行滑行状态的定时检测,以判断各车轮在运行过程中是否打滑,若发生打滑,则进入模糊控制子程序,再根据滑行判据,利用离线查表法输出模糊控制量。故障检测子程序主要检测防滑器关键部件(如速度传感器、防滑阀)是否正常工作,如有故障应该作出相应的控制:当检测到某速度传感器发生故障时,用邻轴正常的速度值进行替换;在检测到某防滑阀功能异常时,则屏蔽其控制信号,对应车轴实施一般的正常制动。停车处理子程序是在货车停车检修的情况下,列检人员通过按键操控实现系统的自检、故障显示与清除功能,以便防滑器的检修与维护。

  系统软件流程如图5所示。系统上电或复位后,先执行系统初始化程序,然后进入主控制循环程序。主控制程序中先执行故障检测子程序,如果系统正常,则进入速度测量与计算子程序,得到滑移率和减速度。当整车速度大于3km/h时[5],则执行防滑控制子程序;否则不进行防滑控制,此时若有按键操作,则进入停车处理子程序。

4 结语

  高性能的防滑控制器及先进的控制算法,对快捷货车制动系统性能的提高具有重要意义。本文提出了一种以STM32F103为防滑控制器、以模糊控制为算法的电子防滑器,在软硬件设计上,采用模块化设计思想,有效提高了快捷货车防滑控制的实时性和准确性,弥补了以往机械式防滑器在滑行控制动态性能上的不足;在防滑控制算法上,选取滑移率和减速度为防滑判据进行二维模糊控制器的设计,并运用MATLAB/Simulink仿真工具搭建仿真模型进行仿真验证,最后证明采用模糊控制算法进行电子防滑器的设计是一种可行的方式。

参考文献:

  [1]陈子康.列车车轮动能发电机:中国,200720081028[P].2007-09-11.

  [2]朱迎春.国外160km/h快速货车制动系统[J].国外铁道车辆,2004(11):109~111.

  [3]李培曙.我国快速货车上使用防滑器的可行性探讨[J].铁道车辆,2002,08(40):15-17.

  [4]金学松.轮轨蠕滑理论及其试验研究[M].西南交通大学出版社,2006:102-113.

  [5]滕晓涛.基于DSP的快速货车电子防滑器的研究[D].成都:西南交通大学,2012.

  [6]姚寿文.长大货物列车电控空气制动系统及防滑器的智能控制研究[D].北京:铁道部科学院,2000.

  [7] 罗志芳. 基于模糊滑模控制的机车防滑控制器的研究[D]. 长沙:中南大学,2012.

  [8] Wang Shujuan,Zhao Tiebin,Wang Zhiping. Development of synthetical Simulated Experimental System of Railway Electronic Antiskid Devices[J]. Measurement & Control Technology,2004,1(23): 63-65.

本文来源于中国科技期刊《电子产品世界》2016年第9期第33页,欢迎您写论文时引用,并注明出处。

关键词: STM32 模糊控制 防滑器 制动 201610

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