闞英哲，羅　勇，龍克俊，謝小洪，程　新

(重慶理工大學(xué) 重慶汽車學(xué)院，重慶　400054)

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新型無(wú)舵機(jī)轉(zhuǎn)向電動(dòng)代步車設(shè)計(jì)與開(kāi)發(fā)

闞英哲，羅勇，龍克俊，謝小洪，程新

(重慶理工大學(xué) 重慶汽車學(xué)院，重慶400054)

針對(duì)市場(chǎng)上現(xiàn)有代步車、平衡車體積、質(zhì)量較大，而且需要一定的時(shí)間來(lái)學(xué)習(xí)才能掌握駕駛技能的問(wèn)題，設(shè)計(jì)了一款轉(zhuǎn)向靈活平穩(wěn)、車速安全適中、體積小巧、質(zhì)量輕便的新型代步車。以輕便實(shí)用為原則，對(duì)整車的機(jī)械結(jié)構(gòu)與目標(biāo)參數(shù)進(jìn)行了設(shè)計(jì)。針對(duì)不使用舵機(jī)而采用轉(zhuǎn)速差來(lái)實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)向的特點(diǎn)，研究了轉(zhuǎn)向角的計(jì)算方法。同時(shí)為了實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)向的平穩(wěn)性，對(duì)控制系統(tǒng)的硬件和軟件進(jìn)行了規(guī)劃與設(shè)計(jì)。采用PID控制方法實(shí)現(xiàn)對(duì)電機(jī)的穩(wěn)定控制。對(duì)樣車的測(cè)試結(jié)果表明：所設(shè)計(jì)的代步車結(jié)構(gòu)合理、操作簡(jiǎn)單、行駛平穩(wěn)，能滿足廣大使用者對(duì)代步車功能的需求。

新型代步車；轉(zhuǎn)向設(shè)計(jì)；轉(zhuǎn)角計(jì)算；PID

隨著社會(huì)文明的發(fā)展，科學(xué)的進(jìn)步，人類物質(zhì)文化生活水平的提高和環(huán)保、能源意識(shí)的增強(qiáng)，人們的工作、學(xué)習(xí)、生活節(jié)奏日益加快，社會(huì)呼喚著一種無(wú)污染、低噪聲、操作簡(jiǎn)單、速度適中的個(gè)人交通代步工具。如今活躍在市場(chǎng)上的有平衡車、電動(dòng)車以及電動(dòng)滑板車。樂(lè)行2013年發(fā)布其自主研發(fā)的第一代平衡車，正式上市10個(gè)月，實(shí)現(xiàn)銷售額2億元[1]。2015年，廣東檢驗(yàn)檢疫局轄區(qū)內(nèi)平衡車出口量已超過(guò)1 000萬(wàn)臺(tái)，在國(guó)外的銷量增幅超過(guò)200%[2]?？梢?jiàn)，代步車具有廣闊的發(fā)展前景。但是這些代步產(chǎn)品體積、質(zhì)量較大，而且需要一定的時(shí)間來(lái)學(xué)習(xí)才能掌握駕駛其技能。針對(duì)以上存在的問(wèn)題，本研究設(shè)計(jì)了一款體積小、質(zhì)量輕，可以放在背包中的輕型代步車。該車不僅攜帶方便，而且操作簡(jiǎn)單，在短時(shí)間內(nèi)便可熟練、安全、方便地使用。

1　機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與目標(biāo)參數(shù)設(shè)定

1.1設(shè)計(jì)目標(biāo)參數(shù)

代步車機(jī)械結(jié)構(gòu)如圖1所示。左右2個(gè)電極分別帶動(dòng)2個(gè)車輪旋轉(zhuǎn)。該車配有2個(gè)電極驅(qū)動(dòng)器，分別對(duì)左右電機(jī)進(jìn)行轉(zhuǎn)速控制，同時(shí)讀取電機(jī)的轉(zhuǎn)速脈沖返回單片機(jī)，方便計(jì)算車輪轉(zhuǎn)速。為了減少小車的質(zhì)量和體積，該車沒(méi)有使用舵機(jī)等傳動(dòng)系統(tǒng)，而是將前輪固定在軸承上，利用左右車輪的轉(zhuǎn)速差實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)向，簡(jiǎn)化了整車的結(jié)構(gòu)。后輪采用萬(wàn)向輪，可以在小車進(jìn)行轉(zhuǎn)向的時(shí)候調(diào)成任何角度，使得小車轉(zhuǎn)向更為流暢。壓力傳感器放置于小車的車身上方，對(duì)稱分布在適合人腳踩踏的位置，通過(guò)控制腳上的壓力來(lái)控制小車的直行和轉(zhuǎn)向。

使用者可以站在2個(gè)壓力傳感器放置的位置，通過(guò)2只腳的壓力變化控制小車直行或者轉(zhuǎn)向。當(dāng)左腳的壓力比右腳的壓力大時(shí)，小車會(huì)進(jìn)行左轉(zhuǎn)，反之右轉(zhuǎn)。當(dāng)2只腳的壓力差在一定小的范圍內(nèi)，小車會(huì)直行。當(dāng)使用者使用較大的壓力踩壓力傳感器時(shí)，小車會(huì)以較高的車速行駛；以較小的壓力踩時(shí)，小車會(huì)以較低的速度行駛。

圖1　代步車機(jī)械結(jié)構(gòu)

該車是一款城市便捷代步車，其最高車速要在安全適中的范圍內(nèi)。交通專家通常將自行車的正常車速定位于15km/h，基于代步車的行駛車況以及操作難易度，該車設(shè)計(jì)最高車速為10km/h。這樣，既保證了使用者的一般速度要求，又保證了行車安全性。在爬坡坡度為5°的時(shí)候也應(yīng)保持6km/h的速度。另外，除去使用者個(gè)人的質(zhì)量，還應(yīng)該在載質(zhì)量上額外加入使用者攜帶物品的質(zhì)量。

該車為短距離行程代步車，行駛里程的設(shè)計(jì)必須綜合使用者的一般目標(biāo)行駛里程、每次為小車充電時(shí)間間隔，以及電池的電容量和體積大小的關(guān)系。如果電池容量過(guò)大，雖然行駛里程和充電間隔時(shí)間會(huì)加長(zhǎng)，但是由于體積過(guò)大，使得小車失去了原有的輕便性。

綜上，本車的設(shè)計(jì)目標(biāo)參數(shù)如表1所示。

表1　設(shè)計(jì)目標(biāo)參數(shù)

1.2電機(jī)的選擇

按所用電機(jī)的種類，電動(dòng)車驅(qū)動(dòng)分為直流有刷電機(jī)驅(qū)動(dòng)和直流無(wú)刷電機(jī)驅(qū)動(dòng)。直流有刷電機(jī)控制簡(jiǎn)單，啟動(dòng)、加速平穩(wěn)，調(diào)速性能良好，然而由于其換相時(shí)需要換向器和電刷，機(jī)械磨損嚴(yán)重，需要定期維護(hù)，且效率偏低。直流無(wú)刷電機(jī)用電子換相電路代替換相機(jī)構(gòu)實(shí)現(xiàn)換相，提高了效率，且其體積、質(zhì)量小，啟動(dòng)加速較直流電機(jī)快。當(dāng)前市場(chǎng)上直流有刷電機(jī)正在被直流無(wú)刷電機(jī)取代。

按電機(jī)轉(zhuǎn)子是否通過(guò)機(jī)械機(jī)構(gòu)驅(qū)動(dòng)輪轂，電動(dòng)車驅(qū)動(dòng)分為無(wú)齒驅(qū)動(dòng)和有齒驅(qū)動(dòng)。無(wú)齒驅(qū)動(dòng)是電機(jī)轉(zhuǎn)子直接驅(qū)動(dòng)輪轂轉(zhuǎn)動(dòng)，其驅(qū)動(dòng)效果完全取決于電機(jī)的機(jī)械特性和控制方式，為了增強(qiáng)電機(jī)的啟動(dòng)、爬坡能力，啟動(dòng)時(shí)電流應(yīng)足夠大。相關(guān)試驗(yàn)結(jié)果證明：電動(dòng)車在坡度為15°的路面行駛且負(fù)載2人時(shí)，其電流需達(dá)30A。然而長(zhǎng)時(shí)間過(guò)大的啟動(dòng)電流會(huì)引起電機(jī)退磁、蓄電池過(guò)放電和控制器燒壞，所以必須對(duì)這兩方面因素進(jìn)行折中考慮，希望在較小的電流下實(shí)現(xiàn)比較大的轉(zhuǎn)矩輸出。當(dāng)前市場(chǎng)上的電動(dòng)車大多采用直接驅(qū)動(dòng)方式，其限流值根據(jù)蓄電池容量為12～20A，啟動(dòng)時(shí)間達(dá)20s，啟動(dòng)時(shí)間過(guò)長(zhǎng)，爬坡能力不足。有齒驅(qū)動(dòng)是利用減速齒輪機(jī)構(gòu)的減速增扭作用，使得在相同電流下輸出到輪轂的轉(zhuǎn)矩為無(wú)齒驅(qū)動(dòng)的數(shù)倍，從而有效解決了電流和轉(zhuǎn)矩的矛盾。然而在有齒驅(qū)動(dòng)方式下，電機(jī)轉(zhuǎn)子經(jīng)常工作在3 000～5 000r/min，使得電機(jī)齒輪磨損嚴(yán)重，維護(hù)成本變高。

直流無(wú)刷電機(jī)低速直接驅(qū)動(dòng)配置方式的缺點(diǎn):① 啟動(dòng)、加速緩慢，爬坡能力不足。直接驅(qū)動(dòng)方式由于沒(méi)有變速機(jī)構(gòu)而直接驅(qū)動(dòng)電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)，所以整車對(duì)于不同道路的適應(yīng)能力只能完全取決于電機(jī)的動(dòng)力性能——轉(zhuǎn)矩、轉(zhuǎn)速特性，而電機(jī)在啟動(dòng)時(shí)固有的低速大電流特性，使得低速大扭矩的迎風(fēng)或爬坡等行駛能力受到很大限制。② 整車故障率高。由于啟動(dòng)、加速能力差，電動(dòng)車在遇到上坡路時(shí)只能通過(guò)增大電流來(lái)增大爬坡能力，使得電機(jī)經(jīng)常工作在大電流狀態(tài)下，發(fā)熱嚴(yán)重，特性變差，退磁加快，壽命降低。同時(shí)控制器開(kāi)關(guān)器件經(jīng)常工作在大電流狀態(tài)下，使得故障率升高。③ 蓄電池壽命降低。由于啟動(dòng)、加速、上坡時(shí)電機(jī)母線電流過(guò)大，使得蓄電池經(jīng)常處于過(guò)放電狀態(tài)，甚至達(dá)到2C、3C放電，嚴(yán)重降低了蓄電池的壽命。據(jù)統(tǒng)計(jì)，目前電動(dòng)車蓄電池價(jià)格占整車價(jià)格的1/3，而壽命不到2年。④ 整車效率低、續(xù)航里程短。由于母線電流經(jīng)常處于較大值，使得電機(jī)銅耗增大、發(fā)熱量變大、效率下降。同時(shí)，由于爬坡能力有限，爬坡速度慢，使得電機(jī)大電流上坡時(shí)間過(guò)長(zhǎng)而浪費(fèi)電量，導(dǎo)致續(xù)航里程變短。

綜上所述，當(dāng)前電動(dòng)車存在的問(wèn)題是啟動(dòng)速度慢、爬坡能力不足、效率低下，其本質(zhì)是電流和轉(zhuǎn)矩的矛盾，希望用較小的電流實(shí)現(xiàn)較大的轉(zhuǎn)矩輸出。采用高速電機(jī)加齒輪減速驅(qū)動(dòng)方式能有效解決這一問(wèn)題。然而當(dāng)整車輕載高速運(yùn)行時(shí)，轉(zhuǎn)子速度太高，造成機(jī)械損耗太大。經(jīng)上述分析，選擇直流無(wú)刷減速電機(jī)或者直流無(wú)刷行星減速電機(jī)。

設(shè)車速為v(km/h)，車輪半徑為r(m)，則車輪轉(zhuǎn)速n(r/min)和車速之間的關(guān)系為

(1)

已知最高車速為10km/h，若車輪直徑設(shè)計(jì)為0.064m(2.5英寸)，則根據(jù)式(1)計(jì)算得到在最高車速時(shí)車輪轉(zhuǎn)速為

(2)

考慮實(shí)際情況，70kg的成年人駕車爬5°坡時(shí)速度為6km/h，則

(3)

70×10×sin5°)×6=0.139

(4)

(5)

式中：P為總功率；PN為電機(jī)額定功(kW)；nT為傳動(dòng)系效率0.90 ～ 0.92；m 為最大總質(zhì)量(kg)； f 為滾動(dòng)摩擦因數(shù)；umax為最高車速(km/h)。

T=(mgfcos5°+mgsin5°)=(70×10cos5°+

70×10sin5°)=1.838 9kW

(5)

(6)

根據(jù)以上計(jì)算，得出代步車的電機(jī)基本設(shè)計(jì)參數(shù),見(jiàn)表2。

表2　代步車電機(jī)基本參數(shù)

結(jié)合以上參數(shù)，本車選擇上海綠色動(dòng)力機(jī)電有限公司生產(chǎn)的57ZW24-100型直流無(wú)刷行星減速電機(jī)，該電機(jī)符合本車對(duì)于電機(jī)參數(shù)的基本要求。根據(jù)所選電機(jī)，選擇配套的DBLS-01直流無(wú)刷電動(dòng)驅(qū)動(dòng)器。

1.3電池容量

電機(jī)為24V直流電機(jī)，該車要求續(xù)駛里程15km。設(shè)續(xù)駛里程為X，則

(7)

式中：V為電池電壓(V)；C為電池容量(Ah)；ηM，ηI，ηT分別為電機(jī)、逆變器、傳動(dòng)系統(tǒng)效率；λ為放電深度; ∑F為行駛過(guò)程中所有阻力之和。

4.134 6 Ah

(8)

經(jīng)計(jì)算得到，在不影響車輛體積的前提下，電池容量至少為4.134 6Ah。

與鉛酸、鎳氫等電池相比，鋰離子電池具有電壓高、比能量高、循環(huán)壽命長(zhǎng)、自放電率低、無(wú)記憶效應(yīng)等優(yōu)點(diǎn)[3]，因此選用鋰電池作為該車的電源電池。

2　控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

該車的控制系統(tǒng)由電源穩(wěn)壓模塊、單片機(jī)最小系統(tǒng)板MK60DN512、電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊、傳感器、電壓放大器等組成。為了方便程序調(diào)試，添加了藍(lán)牙串口模塊，可以將壓力傳感器采集到的實(shí)際電壓和車輪轉(zhuǎn)速脈沖反饋到電腦上。

使用者腳下的電壓由壓力傳感器采集，經(jīng)由電壓放大芯片放大，傳輸至單片機(jī)ADC模塊引腳。單片機(jī)ADC模塊進(jìn)行數(shù)模轉(zhuǎn)換，將電壓轉(zhuǎn)換為數(shù)值輸入控制系統(tǒng)。經(jīng)過(guò)單片機(jī)控制系統(tǒng)處理后，再由FTM模塊將數(shù)字信號(hào)轉(zhuǎn)化為PWM信號(hào)，傳輸給電機(jī)驅(qū)動(dòng)器，電機(jī)驅(qū)動(dòng)器進(jìn)而控制電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)及其轉(zhuǎn)速。電機(jī)驅(qū)動(dòng)器將電機(jī)轉(zhuǎn)速脈沖信號(hào)傳回至單片機(jī)以供單片機(jī)對(duì)車速進(jìn)行分析。

另外添加了藍(lán)牙串口模塊。串口藍(lán)牙模塊的主要功能是使用藍(lán)牙通信作為物理層替代傳統(tǒng)異步串行通信中的TX和RX導(dǎo)線，從而實(shí)現(xiàn)無(wú)線異步串行通信。使用藍(lán)牙串口模塊可以將單片機(jī)中讀取的電壓值和編碼器讀取的轉(zhuǎn)速脈沖無(wú)線反饋到電腦上，方便設(shè)計(jì)者讀取數(shù)字做進(jìn)一步的控制分析。該車的控制系統(tǒng)硬件連接如圖2所示。

圖2　控制系統(tǒng)硬件連接

3　軟件設(shè)計(jì)

該車是利用左右車輪的轉(zhuǎn)速差來(lái)實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)向的，當(dāng)人站在小車上時(shí)，左右腳的壓力并不能掌握得非常精準(zhǔn)。當(dāng)使用者想直行的時(shí)候，由于左右腳的壓力有一些小的偏差，導(dǎo)致小車會(huì)進(jìn)行轉(zhuǎn)向，此時(shí)，人會(huì)由于無(wú)法掌控小車而失去平衡。所以，該車的控制算法既要保證左右轉(zhuǎn)速隨著壓力的大小而變快或變慢，又要考慮到人對(duì)腳下壓力掌控的能力，故采用電壓差來(lái)控制轉(zhuǎn)向的模式。即根據(jù)左右車輪的電壓差來(lái)判定小車是左轉(zhuǎn)、直行還是右轉(zhuǎn)。

該車是利用左右車輪的轉(zhuǎn)速差實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)向。左右車輪在軸承上固定，只能轉(zhuǎn)動(dòng)，不使用舵機(jī)。由于使用者在車上雙腳站立，在保持平衡的同時(shí)很難精確把握腳下的壓力，若直接使用單片機(jī)采集的信號(hào)原始值作為轉(zhuǎn)速信號(hào)輸出的話，小車的轉(zhuǎn)向?qū)?huì)變得十分不穩(wěn)定，并且小車保持直行也會(huì)變得非常困難。所以，該車采用左右壓力傳感器電壓采集值的差值作為小車是否直行或進(jìn)行各種角度轉(zhuǎn)彎的基礎(chǔ)依據(jù)。當(dāng)左右電壓差在0～ 1V時(shí)，令左邊車速=右邊車速=(左邊車速+右邊車速)/2，從而保證即使使用者的左右腳壓力不相等也能保持穩(wěn)定的直行。轉(zhuǎn)角信號(hào)的變化會(huì)隨著車速的加快而減少，即使左右電壓差一致，當(dāng)轉(zhuǎn)速不同的時(shí)候，給左右車輪的速度差也不一樣，這樣有效控制了轉(zhuǎn)向的平穩(wěn)性。在轉(zhuǎn)彎工況中，在程序中輸入電壓差與目標(biāo)轉(zhuǎn)速的對(duì)應(yīng)關(guān)系，在每一種工況中都賦予左右車輪不同的轉(zhuǎn)速差，則可根據(jù)駕駛?cè)说男枰瓿刹煌潭鹊钠椒€(wěn)轉(zhuǎn)向，轉(zhuǎn)彎工況的設(shè)計(jì)將在下文中詳細(xì)介紹。該車的軟件控制流程如圖3所示。

3.1轉(zhuǎn)向控制

首先，假設(shè)左車輪的車速為0，右車輪以一固定轉(zhuǎn)速轉(zhuǎn)動(dòng)，則車的運(yùn)動(dòng)軌跡是一個(gè)圓，圓的半徑即為車的寬度L2，如圖4所示。

圖3　軟件控制流程

圖4　代步車運(yùn)行軌跡1

然后，假設(shè)左右車輪以不同的固定速度運(yùn)行，且左邊的速度VL>右邊的速度VR，則小車的運(yùn)行軌跡是一個(gè)同心圓，如圖5所示。

圖5　代步車運(yùn)行軌跡2

設(shè)左輪在1s內(nèi)轉(zhuǎn)過(guò)的路程為S1，右輪在1s內(nèi)轉(zhuǎn)過(guò)的路程為S2,則

(9)

截取1s內(nèi)小車行駛的轉(zhuǎn)角，取同心圓中的一個(gè)扇形，根據(jù)扇形公式得

(10)

因?yàn)?個(gè)扇形的圓心角相等，故

(11)

因?yàn)镻IT定時(shí)中斷的時(shí)間設(shè)為1，單片機(jī)每1s讀取1次電機(jī)的轉(zhuǎn)速，所以積分上限設(shè)為1。

S1和S2已知，則

(12)

轉(zhuǎn)向半徑L=L1+L2。

已知轉(zhuǎn)向半徑L和左輪行駛距離S1，根據(jù)扇形弧長(zhǎng)公式計(jì)算轉(zhuǎn)向角α：

(13)

求得左右車輪速度對(duì)應(yīng)的轉(zhuǎn)向角α，對(duì)小車的轉(zhuǎn)向控制分析起到了至關(guān)重要的作用。

掌握了該種小車的轉(zhuǎn)向角計(jì)算方法，然后可以對(duì)轉(zhuǎn)向工況進(jìn)行設(shè)計(jì)。首先，由藍(lán)牙串口模塊記錄使用者在正常使用本車時(shí)左右電壓的壓力差變化的數(shù)值分布情況，經(jīng)過(guò)整理與分析之后，得到符合大多數(shù)使用者的電壓差與目標(biāo)轉(zhuǎn)角的對(duì)應(yīng)關(guān)系。將對(duì)應(yīng)關(guān)系作為判斷使用者意圖的依據(jù)確定目標(biāo)轉(zhuǎn)角。

設(shè)定3個(gè)參數(shù)為目標(biāo)轉(zhuǎn)角α目標(biāo)、實(shí)際轉(zhuǎn)角α實(shí)際和目標(biāo)轉(zhuǎn)角與實(shí)際轉(zhuǎn)角的差值Δα。實(shí)際轉(zhuǎn)角是根據(jù)串口讀取的左右車輪轉(zhuǎn)速運(yùn)用轉(zhuǎn)角計(jì)算公式算出的小車目前的實(shí)際轉(zhuǎn)角；目標(biāo)轉(zhuǎn)角是利用電壓差與目標(biāo)轉(zhuǎn)角的對(duì)應(yīng)關(guān)系找出的符合使用者意圖的目標(biāo)轉(zhuǎn)角。在程序中，根據(jù)目標(biāo)轉(zhuǎn)角與實(shí)際轉(zhuǎn)角的差值，可計(jì)算輸出目標(biāo)轉(zhuǎn)角的左右車輪控制電壓信號(hào)，直至Δα為0。轉(zhuǎn)向控制流程如圖6所知。

圖6　轉(zhuǎn)向控制流程

3.2起步工況控制策略

由于該車是通過(guò)雙腳踩壓力傳感器來(lái)控制電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)的，所以當(dāng)單腳踩在壓力傳感器上而另一只腳懸空時(shí)容易發(fā)生意外，在起步時(shí)需要采取必要的安全措施。在程序中加入起步工況，寫入if函數(shù)，在其中1個(gè)壓力傳感器無(wú)數(shù)值的時(shí)候，令2個(gè)壓力傳感器的電壓值都為0，這樣小車的2個(gè)電機(jī)都不會(huì)轉(zhuǎn)動(dòng)。

此外，在起步加速時(shí)，為了防止小車加速過(guò)快而導(dǎo)致使用者重心不穩(wěn)的情況發(fā)生，在加速過(guò)程單片機(jī)讀取車輪轉(zhuǎn)速時(shí)，當(dāng)車輪轉(zhuǎn)速較低時(shí)使用延時(shí)使小車緩慢加速，保證了小車的起步平穩(wěn)性。

將延時(shí)啟動(dòng)的程序?qū)懭胫袛?，中斷觸發(fā)的條件基于單片機(jī)讀取的車輪轉(zhuǎn)速。只有當(dāng)前轉(zhuǎn)速低于某一設(shè)定值時(shí)，即當(dāng)控制器判定此時(shí)為小車剛起步的狀態(tài)才會(huì)出發(fā)該中斷，使小車緩慢起步。

3.3基于PID算法的電機(jī)調(diào)速控制

PID控制器是過(guò)程控制中應(yīng)用最為廣泛的控制方法[5-9]。PID控制是一種由比例、積分、微分基本控制規(guī)律組合的復(fù)合控制[6]。比例環(huán)節(jié)能夠減小系統(tǒng)的響應(yīng)時(shí)間，快速減少偏差，但是容易引起超調(diào)；積分環(huán)節(jié)主要用于消除靜差，提高系統(tǒng)控制精度，但是會(huì)影響系統(tǒng)的響應(yīng)速度；微分環(huán)節(jié)能在偏差變得太大之前引入一個(gè)修正，從而加快系統(tǒng)的響應(yīng)速度，減少調(diào)節(jié)時(shí)間[10-12]。PID控制系統(tǒng)的原理如圖7所示[13]。

圖7　PID控制系統(tǒng)原理

PID控制規(guī)律可表示為

(14)

式中：u2和u1分別是控制器的輸出和輸入，其輸入信號(hào)u1在反饋控制系統(tǒng)中一般為去偏差信號(hào)e(t)；KP為控制器的增益；TI為積分控制時(shí)間常數(shù)；TD為微分控制時(shí)間常數(shù)。

對(duì)式(14)進(jìn)行拉式變換得：

(15)

采用齊格勒-尼克斯第二設(shè)計(jì)方法來(lái)進(jìn)行PID控制器的參數(shù)初步調(diào)整。先假設(shè)TI=∞，TD=0，即先保留比例控制Kp。然后由0逐漸增加調(diào)整比例系數(shù)Kp的值，直到系統(tǒng)輸出首次出現(xiàn)持續(xù)等幅震蕩為止。這時(shí)對(duì)應(yīng)的調(diào)整值Kp取為Kp=Kc，并記下震蕩周期TC。根據(jù)獲得的臨街增益Kc和TC，齊格勒-尼科爾斯法又給出了計(jì)算PID控制參數(shù)Kp、KI、KD值的公式，如表3所示。

表3　齊格勒-尼科爾斯法第二設(shè)計(jì)方法

此時(shí)，PID控制器的傳遞函數(shù)為

(16)

PID的控制率為

(17)

4　樣機(jī)開(kāi)發(fā)與系統(tǒng)調(diào)試

開(kāi)發(fā)出的便攜式電動(dòng)代步車整車實(shí)物如圖8所示。利用Matlab對(duì)該車轉(zhuǎn)彎時(shí)的轉(zhuǎn)角進(jìn)行分析，進(jìn)而可對(duì)小車的轉(zhuǎn)向平穩(wěn)性做一個(gè)判斷。在該車運(yùn)行的過(guò)程中，利用藍(lán)牙串口模塊將采集的電壓傳感器電壓值和轉(zhuǎn)速信號(hào)傳輸至電腦繪制成表格。使用Matlab將轉(zhuǎn)角計(jì)算步驟編輯成M文件。將繪制的表格導(dǎo)入Matlab，計(jì)算出每一組數(shù)據(jù)對(duì)應(yīng)的轉(zhuǎn)角，繪制成圖表進(jìn)行轉(zhuǎn)向平穩(wěn)性分析。

圖8　整車實(shí)物

用藍(lán)牙串口模塊采集代步車在行駛S形路線中不斷來(lái)回轉(zhuǎn)向的工況信息，繪制表格。利用轉(zhuǎn)角計(jì)算M文件將每一組數(shù)據(jù)的轉(zhuǎn)角計(jì)算出來(lái)，以時(shí)間t為橫軸，轉(zhuǎn)角值為縱軸繪制圖表，如圖9所示。

從測(cè)試結(jié)果可以看出：小車在走S形路線時(shí)，無(wú)論S路線彎度的大小如何，轉(zhuǎn)角值變化較平穩(wěn)，沒(méi)有出現(xiàn)轉(zhuǎn)角數(shù)值的突變。在圖9中，轉(zhuǎn)角值的變化較為流暢，沒(méi)有在上升或下降的過(guò)程中出現(xiàn)數(shù)值波動(dòng)的情況，表明在左右某一方向的轉(zhuǎn)彎中不會(huì)出現(xiàn)因?yàn)榭刂扑惴▎?wèn)題而導(dǎo)致的非使用者意愿突然更改轉(zhuǎn)彎方向的情況。

樣機(jī)起步平穩(wěn)，轉(zhuǎn)向操控靈活，符合設(shè)計(jì)預(yù)期，驗(yàn)證了理論分析的正確性及所開(kāi)發(fā)的電控系統(tǒng)軟硬件的有效性。

圖9　代步車轉(zhuǎn)角變化

5　結(jié)束語(yǔ)

針對(duì)現(xiàn)有電動(dòng)代步車操作及攜帶不便的問(wèn)題，設(shè)計(jì)了基于雙電機(jī)驅(qū)動(dòng)的新型便攜式電動(dòng)代步車，并對(duì)該電動(dòng)代步車動(dòng)力系統(tǒng)參數(shù)進(jìn)行匹配設(shè)計(jì)。

針對(duì)雙電機(jī)驅(qū)動(dòng)下無(wú)舵機(jī)轉(zhuǎn)向的控制問(wèn)題，分析了雙電機(jī)驅(qū)動(dòng)下無(wú)舵機(jī)轉(zhuǎn)向原理，建立了雙電機(jī)驅(qū)動(dòng)無(wú)舵機(jī)轉(zhuǎn)向數(shù)學(xué)模型。

基于k60單片機(jī)設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)了新型代步車電控系統(tǒng)硬件，對(duì)代步車的起步、直行和轉(zhuǎn)彎等工況下的控制策略進(jìn)行了設(shè)計(jì)，并開(kāi)發(fā)出控制軟件。

開(kāi)發(fā)的電動(dòng)代步車樣機(jī)通過(guò)試驗(yàn)驗(yàn)證，證明了理論分析的正確性及電控系統(tǒng)軟硬件的有效性。

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(責(zé)任編輯劉舸)

NewDesignandDevelopmentofElectricScooterSteering

KANYing-zhe,LUOYong,LONGKe-jun,XIEXiao-hong,CHENXin

(CollegeofVehicleEngineering,ChongqingUniversityofTechnology,Chongqing400054,China)

Aimingtheexistingscooter,thatcarbalancevolumeisbigger,andqualityisheavyandneedsacertainamountoftimetolearntomastertheabilitytodrivetheproductatthemarket,wedesignedasteeringandmoderatespeedwithsmoothandflexible,andsmallvolumeandlightqualitynewscooter.Basedontheprincipleoflightandpractical,themechanicalstructureandtargetparametersofthevehicleweredesigned.Inviewofthecharacteristicofsteeringwithoutusingthesteeringgear,thecalculationmethodofthesteeringanglewasstudied.Atthesametime,thehardwareandsoftwareofthecontrolsystemweredesignedandimplementedinordertoachievethestabilityofthesteering.Finally,PIDcontrolwasusedtorealizethestabilitycontrolofthemotor.Testsontheprototypeshowthatthescooterhasreasonablestructure,simpleoperationandiseasytogetstarted,stablerunning,andcanmeettheneedsofthemajorityofusersonthecarinsteadofwalkingfunction.

newscooter;designofsteering;anglecalculation;PID

2016-04-16

國(guó)家自然科學(xué)基金青年科學(xué)基金資助項(xiàng)目(51305475)；重慶市基礎(chǔ)與前沿研究計(jì)劃項(xiàng)目(cstc2013jcyjA60004)；重慶市教委科學(xué)技術(shù)研究項(xiàng)目(KJ1500927)

闞英哲(1991—)，男，山東棗莊人，碩士研究生，主要從事車輛工程研究；通訊作者 羅勇，男，博士，副教授，主要從事車輛工程研究，E-mail:luoyong@cqut.edu.cn。

format：KANYing-zhe,LUOYong,LONGKe-jun,etal.NewDesignandDevelopmentofElectricScooterSteering[J].JournalofChongqingUniversityofTechnology(NaturalScience)，2016(9):10-17.

10.3969/j.issn.1674-8425(z).2016.09.002

U462

A

1674-8425(2016)09-0010-08

引用格式：闞英哲，羅勇，龍克俊，等.新型無(wú)舵機(jī)轉(zhuǎn)向電動(dòng)代步車設(shè)計(jì)與開(kāi)發(fā)[J].重慶理工大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué))，2016(9):10-17.