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Highways&AutomotiveApplications
第5期
2007年9月
MCS-51单片机在汽车四轮转向系统中的应用3
张慧萍,杨志刚
(重庆交通大学,重庆 400074)
摘 要:提出了在汽车助力转向(EPS)的条件下,如何以MCS-51单片机作电控单元(ECU)的核心部件来实现汽车四轮转向(4WS);介绍了4WS系统的基本组成及工作原理,统的硬件设计、控制方法和接口技术。
关键词:汽车;助力转向(EPS);四轮转向(4WS););中图分类号:U463.42 文献标识码:B()05-0024-02
,(、提高汽车的操纵平稳性等优点,引起高档轿车生产商的高度重视。与两轮转向技术相比,4WS技术更多地应用了自动控制技术,增加了电控单元(ECU)。单片机以其体积小巧、质量轻、功耗小和方便的外围接口技术等优点而被广泛应用于4WS中。本文研究MCS-51单片机在汽车4WS中的应用。
。在控制系统中,速度传感器、前轮转角传感器和后轮转角传感器向ECU提供信号,ECU对接收的信号进行处理后,向液压系统发出后轮偏转的指令。低速时,转向过程中后轮的动态影响不予考虑。中速时,汽车后轮先朝与前轮相反的方向偏转,通过中间位置后,再与前轮同方向偏转。ECU对输入信号进行分析处理后,使后轮始终保持期望的偏转角。转向时,前轮转角传感器将转向信号送至ECU,ECU参照车速信号,根据预定的控制策略进行分析计算,然后驱动后轮液压偏转系统,控制后轮转向机构根据ECU的指令以与前轮偏转成一定比例的偏转角度偏转。ECU实时监测汽车运行状况,计算目标转向角与前、后轮实际转向角之间的差值,形成闭环控制,实时调整前、后轮的转角,从而根据汽车的实际运动状态实现汽车的四轮转向。
4WS汽车行驶过程中,电子控制系统或液压系
1 4WS控制系统的基本组成及工作原理
1.1 基本组成
4WS汽车是在前轮转向系统的基础上,在汽车
后悬架上安装一套后轮转向系统,两者之间通过一
定的方式联系,使汽车在前轮转向的同时后轮也参与转向,从而提高汽车低速行驶时的机动性和高速行驶时的稳定性。典型的4WS系统主要由前轮转向系统、传感器、ECU和后轮转向系统等组成,ECU是其核心部件,而单片机是ECU的核心(见图1)
。
统出现故障时,则后轮转向机构自动恢复到两轮转向状态,后轮自动回到中间位置,保证汽车像普通两轮转向汽车一样安全地行驶。同时,仪表盘上的4WS指示灯亮,警告驾驶员,故障情况被存储在ECU中,以便于维修时检码。
2 控制系统设计
根据设计控制原理,在4WS模式下,ECU主要
图1 4WS系统的基本组成
根据传感器采集的方向盘转矩信号和轮速信号,并参照前轮转角信号,通过CPU运算,输出液压驱动信号,驱动后轮自动转向。本文用C语言编程来实现设计的控制算法。
1.2 工作原理
本文研究的4WS是在助力转向条件下的电子
3基金项目:重庆市教育基金项目(KJ050405)
总第122期 Highways&AutomotiveApplications 25
2.1 芯片介绍
MCS-51系列单片机主要有8031、8051和8751等通用产品,以其典型的结构和完善的总线专
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用寄存器的集中管理、众多的逻辑位操作功能及面向控制的丰富指令系统,堪称为一代“名机”,为后续其他单片机的发展奠定了基础:8位CPU、4kB程序存储器(ROM)、128B数据存储器(RAM)、32条I/O口线、111条指令(大部分为单字节指令)、21个专用寄存器、2个可编程定时/计数器、5个中断源、2个优先级、1个全双工串行通信口、64kB外部数据存储器寻址空间、64kB外部程序存储器寻址空间、逻辑操作位寻址功能、双列直插一+5V电源供电。构,-,如高速I/O口、A/D转换器、(脉宽调制)和WDT等增强功能,并对低电压、微功耗、扩展串行总线(I2C)和控制网络总线(CAN)等功能加以完善。所以MCS-51系列单片机在控制技术领域具有独特优势。2.2 信号采集与安装
1)方向盘转矩传感器安装在方向盘下面,安装
图2。,该
8155可编程并行接口,再,最后由液压驱动系统驱动后轮偏转。设计要求后轮转角不大于5°。
ECU采用2片8051AH控制器,一片为控制8051,进行方向盘转矩和车轮转速信号采集、车轮转
角计算及分析控制等;另一个为监控8051,主要检测电路是否接线良好及传感器和电动机等工作是否正常。控制8051AH的中断INT0接受中断信号,当4WS启动时,其中断服务程序从监控8051AH的P0.0端输出一下降沿脉冲,监控8051AH的P0.0接控制8051AH的INT0端,其产生的下降沿使控制8051AH的INT0触发,控制8051AH产生INT0中断。控制8051AH中断INT0设定为下降沿触发,其中断服务程序将控制8051AH的定时/计数器T0设定为计数状态,对车轮速度脉冲进行采集,T1设定为定时状态,对车轮速度的采样时间进行控制。控制8051AH定时/计数器T0在计数工作状态下,通过74LS151集成电路数据选择器接轮速传感器,每20ms进行一次速度信号采集。控制8051AH定时/计数器T1在定时状态下,每20ms产生溢出中断,溢出中断服务程序中将T0采集的速度脉冲值读入内存,并调用速度计算程序。方式转换信号2WS和4WS分别通过监控8051AH的P1.0、P1.1输出。方向盘转矩信号经A/D转换后输入控制8051AH的P1口,经ECU转角计算程序计算出前、后车轮的转角,由控制8051AH的P3口输出电机驱动信号,实现四轮转向。2.5 系统主要任务和算法设计
主要任务:A/D转换,方向盘转矩、前后轮转角位移、车速、开关方式转换信息经过A/D转换成计算机可识别的数字量,计算机对这些数字量进行处理后输出控制量,再经D/A转换成可用于各种控制
简单,受干扰少。本设计采用量程较大、质量轻、防护等级高、易安装的E6CP-AG3C型旋转编码器。
2)前轮转角信号由绝对式角位移传感器采集。该传感器安装在前轮转向机构靠近车轮的一侧,采用非接触型霍尔元件传感器,用来检测前轮的瞬时偏转角,输出电压与前轮转角成线性正比例关系,为0～5V。
3)后轮转角信号由高精度的增量式光电编码
器获得。它将蜗杆转动的角度根据转动方向变为相应的增、减计数脉冲,每转一圈产生2048个脉冲,输出量为时钟信号和方向信号。2.3 控制流程
根据设计的控制策略,ECU根据方向盘转矩信号和车速信号,并及时采集前轮转角信号,经CPU运算后输出后轮转角驱动信号,实现后轮自动转向。其控制流程见图2。2.4 硬件、管脚及接线介绍
控制过程中,车轮转速传感器输出脉冲数经74LS151数据选择器直接输入ECU接口端,方向盘转矩信号由转矩传感器输入带多路转换开关的ADC0809模/数转换器,选用的8155可编程并行I/O扩展接口为4WS
控制过程中其他控制功能提
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第5期
2007年9月
混装空燃比传感器和氧传感器的必要性及检测
张葵葵
(湖南交通职业技术学院,湖南长沙 410004)
摘 要:通过阐述双氧传感器对催化转换器转换效率的监测作用及氧传感器的缺点,提出了车辆混装空燃比传感器和氧传感器的必要性,,并以实例说明了车用混装空燃比传感器和氧传感器的检测方法。
关键词:汽车;空燃比传感器;氧传感器;;中图分类号:U463.99 文献标识码:B)05-0026-04
系统)是在发动机闭环控制中用于喷油脉宽修正,现今还用于检测催化转换器的转换效率。装备OBDⅡ系统的车辆,利用双氧传感器监测三元催化传换器的转换效率。
[如图1(a)所示]。拥有高贮氧量,表示TWC良好;贮氧能力低,则代表TWC已劣化。一个失效的TWC,其下游氧传感器会出现与上游氧传感器相符的电压尖峰波形[如图1(b)所示]。
下游氧传感器上所出现的尖峰波形表
1 OBDⅡ系统对TWC转换效率的监控方法
采用OBDⅡ系统的车辆,发动机ECU利用下
游氧传感器来监测并控制TWC贮存与释放氧气的能力。一个良好的TWC,应该有90%以上的碳氢转化效率。在发动机稀薄燃烧期间,TWC贮存氧气,而在浓燃烧时释放这些氧气,以烧掉过多的碳氢化合物。TWC转换效率的测量通过监控发动机闭环控制期间TWC内贮氧量来完成。下游氧传感器
图1 三元催化转换器前后氧传感器的电压波形对比
的模拟量;LCD液晶显示器显示刷新任务;D/A转
换用于驱动电机的模拟信号。
主要算法:高速时的4WS控制算法;低速时的4WS控制算法;切换控制算法;故障诊断控制算法。
辆四轮转向控制系统中的应用[J].工业控制技术,
2005(5).
[2] 袁凯陈,陈思忠.旋转编码器在四轮转向汽车上的应用
[J].汽车电子,2002(12).
[3] 仝秋红,王伟力,张 磊.MCS-51单片机在汽车ABS
3 结 语
本文讨论的4WS技术的前提是汽车助力转向
技术能成熟运用,所设计的4WS技术理论基本通过计算机仿真试验。为使该理论更具实用价值,应进一步做模型车试验,通过试验来修正设计。参考文献:
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转向系统[J].微电机,2005(5).
[5] 黄 鹏.摩托罗拉单片机在汽车控制中的应用[J].公
路与汽运,2005(5).
[6] 何立民.MCS-51系列单片机应用系统设计[M].北
京:北京航空航天大学出版社,1996.收稿日期:2007-04-18