淺談FPGA的電渦流緩速器控制系統(tǒng)
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論文導(dǎo)讀：這些繼電器控制器完全不能夠比擬及不可能實(shí)現(xiàn)的功能，縱觀整個(gè)行業(yè)發(fā)展及從汽車工業(yè)長(zhǎng)遠(yuǎn)發(fā)展的目光來看，基于FPGA的電渦流緩速器控制系統(tǒng)肯定要取代繼電器的控制方式以及目前的模擬電子無觸電控制系統(tǒng)，成為電渦流緩速器的控制系統(tǒng)的主流。
關(guān)鍵詞：電渦流緩速器控制，F(xiàn)PGA芯片模糊控制系統(tǒng)，F(xiàn)PGA芯片在電渦流緩速器中的應(yīng)用
0.引言
隨著汽車工業(yè)技術(shù)的發(fā)展，汽車發(fā)動(dòng)機(jī)功率逐年增加，車速大幅度提高，意味著在同樣的制動(dòng)條件、同樣的時(shí)間內(nèi)，制動(dòng)器要產(chǎn)生更多的熱量，過量的熱量會(huì)使制動(dòng)器發(fā)生熱衰退，以致制動(dòng)效能降低甚至失效。然而現(xiàn)在的車輛制動(dòng)器雖經(jīng)多方面改進(jìn)，如鼓式制動(dòng)改為盤式制動(dòng)、加寬制動(dòng)鼓和摩擦片的尺寸，改變摩擦片材料配方等，都未能從根本上解決問題。因?yàn)槭芸臻g尺寸的限制，現(xiàn)有車輪制動(dòng)器的散熱能力始終是有限的。免費(fèi)論文。
近年來，國(guó)內(nèi)商用汽車重型化、高檔化趨勢(shì)明顯，越來越多的尖端科技將應(yīng)用于現(xiàn)代公路交通，而緩速器作為一種輔助制動(dòng)裝置的先進(jìn)技術(shù)應(yīng)用于道路運(yùn)輸汽車，并且可與的ABS兼容，其諸多優(yōu)點(diǎn)使其成為長(zhǎng)途客車、公交客車和重型卡車上的基本配置。
電渦流緩速器的工作原理基于電磁感應(yīng)理論
作為一種輔助制動(dòng)裝置，其減少了主制動(dòng)裝置的機(jī)械摩擦，既提高了壽命，又提高了車輛行駛的安全性、經(jīng)濟(jì)性和舒適性，越來越受到汽車制造廠家的青睞。但是，由于汽車領(lǐng)域?qū)?shí)時(shí)性要求較高，且模糊控制算法涉及到頻繁的多字節(jié)數(shù)據(jù)的乘除運(yùn)算，而FPGA在實(shí)現(xiàn)算法方面具有巨大的優(yōu)勢(shì)，因此本文將基于FPGA進(jìn)行設(shè)計(jì)。另外，本文結(jié)合基于FPGA的32位精簡(jiǎn)指令軟核Nios編程，能很好地解決實(shí)時(shí)性與控制靈活性之間的矛盾。
1. 汽車輔助制動(dòng)裝置的分類
常用于車輛的輔助制動(dòng)裝置主要有以下5種形式。
1.1 發(fā)動(dòng)機(jī)緩速器
對(duì)行駛中的汽車的發(fā)動(dòng)機(jī)停止供給燃料，并將變速器掛入某一前進(jìn)擋，使汽車得以通過驅(qū)動(dòng)輪和傳動(dòng)系帶動(dòng)發(fā)動(dòng)機(jī)曲軸繼續(xù)旋轉(zhuǎn)。這樣，本來是汽車動(dòng)力源的發(fā)動(dòng)機(jī)就變成消耗汽車動(dòng)能從而對(duì)汽車起緩速作用的空氣壓縮機(jī)。在這種情況下，汽車對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)輸人的動(dòng)能大部分耗損在機(jī)內(nèi)的進(jìn)氣、壓縮、排氣過程中，小部分消耗于對(duì)水泵、油泵、空壓機(jī)、發(fā)電機(jī)等附件的驅(qū)動(dòng)上。
1.2發(fā)動(dòng)機(jī)排氣輔助制動(dòng)裝置
汽車在掛擋前進(jìn)時(shí)，對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)停止供油，汽車前進(jìn)的慣性力通過驅(qū)動(dòng)輪和傳動(dòng)系反帶發(fā)動(dòng)機(jī)曲軸繼續(xù)旋轉(zhuǎn)。這樣，發(fā)動(dòng)機(jī)就像空氣壓縮機(jī)那樣，對(duì)汽車起到了緩速的作用。為了加強(qiáng)發(fā)動(dòng)機(jī)這種緩速作用，可設(shè)法增加進(jìn)氣、排氣、壓縮等方面的阻力，如阻塞進(jìn)氣或排氣通道或改變進(jìn)、排氣門啟閉時(shí)刻等。其中，比較常用的方法是在發(fā)動(dòng)機(jī)排氣管處設(shè)置排氣閥。在需要緩速時(shí)，關(guān)閉排氣閥，阻塞排氣通道。該方法又稱為排氣緩速。
1.3電渦流緩速器
電渦流緩速器是由轉(zhuǎn)動(dòng)的圓盤和固定的磁極、線圈組成。線圈在通電后產(chǎn)生磁場(chǎng)，由于圓盤在磁場(chǎng)中轉(zhuǎn)動(dòng)，因此有電渦流流過，電渦流和磁場(chǎng)間因相互作用而產(chǎn)生方向相反的制動(dòng)力。免費(fèi)論文。其中隨電渦流而產(chǎn)生的熱量由裝設(shè)在圓盤上的散熱風(fēng)道散發(fā)到大氣中。電渦流緩速器的發(fā)展趨勢(shì)是:輕量化、集成化、電子控制、自帶發(fā)電機(jī)。
1.4永磁鐵電渦流緩速器
永磁鐵電渦流式緩速器與使用電磁線圈的電渦流緩速器工作原理相同，使用永久磁鐵替換了勵(lì)磁模塊，較電渦流緩速器有以下優(yōu)點(diǎn):
1.4.1永久磁鐵比電磁鐵質(zhì)量輕，體積小，質(zhì)量與體積均為電磁鐵的1/8左右;
1.4.2不消耗電能，不用考慮發(fā)電機(jī)或蓄電池的容量大小，永磁式不會(huì)發(fā)熱:
1.4.3永久磁鐵的磁力很強(qiáng)，在高速區(qū)制動(dòng)力也不會(huì)低下。
但是永磁式力矩不可調(diào)節(jié)，安裝控制較為麻煩。
1.5液力緩速器
液力緩速器的主要零件是固定葉輪和旋轉(zhuǎn)葉輪，一般安裝在變速器處。當(dāng)汽車需要緩速時(shí)，汽車通過驅(qū)動(dòng)橋和變速器等反帶液力緩速器的旋轉(zhuǎn)葉輪轉(zhuǎn)動(dòng)，固定葉輪通過流動(dòng)的液體對(duì)旋轉(zhuǎn)葉輪產(chǎn)生阻力矩，使汽車緩速。
2.電渦流緩速器結(jié)構(gòu)及工作原理
電渦流緩速器上午緩速器定子上有8個(gè)由高導(dǎo)磁材料的磁極作為磁扼，呈圓周分布形式均勻安裝在優(yōu)質(zhì)鋁板上，8個(gè)勵(lì)磁線圈套于磁極上，圓周上相對(duì)的2個(gè)磁極的勵(lì)磁線圈為串聯(lián)連接而形成的一對(duì)磁極，相鄰磁極均為北、南相間，這樣就形成了相對(duì)相互獨(dú)立的4對(duì)磁極。轉(zhuǎn)子由內(nèi)轉(zhuǎn)子與外轉(zhuǎn)子組成，內(nèi)外轉(zhuǎn)子均為圓環(huán)狀，用導(dǎo)磁性能良好的鐵磁材料制成，轉(zhuǎn)子通過法蘭盤裝置在傳動(dòng)軸凸緣上，可隨傳動(dòng)軸自由轉(zhuǎn)動(dòng)，內(nèi)外轉(zhuǎn)子盤和定子磁扼間保持有極小的、均勻的間隙。
車輛緩速或制動(dòng)時(shí)，定子勵(lì)磁線圈通入直流電流而勵(lì)磁，產(chǎn)生的磁力線穿過轉(zhuǎn)子圓盤。根據(jù)電磁感應(yīng)理論，當(dāng)穿過閉合導(dǎo)線回路所包圍的面積的磁通發(fā)生變化時(shí)，在導(dǎo)線回路中將產(chǎn)生感應(yīng)電流。緩速器的轉(zhuǎn)子從表面上看不是一個(gè)閉合導(dǎo)線，但從微觀角度，可以把它看成是一個(gè)由數(shù)個(gè)閉合導(dǎo)線構(gòu)成的集合體，這樣，當(dāng)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，其內(nèi)部無數(shù)閉合導(dǎo)線所包圍的面積內(nèi)的磁通量就發(fā)生變化，從而在轉(zhuǎn)子內(nèi)部產(chǎn)無數(shù)段感應(yīng)電流，這種電流稱為渦電流。渦電流的作用有兩個(gè)方面:一是這些渦流在具有一定的電阻的轉(zhuǎn)子內(nèi)部流動(dòng)時(shí)會(huì)產(chǎn)生熱效應(yīng)而散失，也就是車輛的動(dòng)能就通過感應(yīng)電流轉(zhuǎn)化為熱能，并通過轉(zhuǎn)子風(fēng)葉產(chǎn)生的強(qiáng)勁風(fēng)力將熱量快速散發(fā)出去;二是渦流會(huì)產(chǎn)生的磁場(chǎng)，根據(jù)它自己所產(chǎn)生合導(dǎo)線回路中所產(chǎn)生的感應(yīng)電流總是向引起電磁感應(yīng)的變化，也就是說轉(zhuǎn)子內(nèi)部渦流所產(chǎn)生的新的磁場(chǎng)與定子線圈產(chǎn)生方向相反的、反抗轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)動(dòng)，這樣就產(chǎn)生了制動(dòng)力矩。
電渦流緩速器的傳統(tǒng)控制方式采用繼電器控制。傳統(tǒng)的手控開關(guān)一般分4個(gè)檔次。開關(guān)處于0擋位時(shí)，線圈全部斷電;處于第1擋位時(shí)，繼電器盒內(nèi)1號(hào)繼電器吸合，則第一組勵(lì)磁線圈通電，這時(shí)緩速器產(chǎn)生的制動(dòng)力矩約為最大力矩的25%;處于第2擋位時(shí)，繼電器盒內(nèi)1號(hào)與2號(hào)繼電器吸合，則第一組和第二組勵(lì)磁線圈同時(shí)通電，這時(shí)電渦流緩速器產(chǎn)生制動(dòng)力矩約為最大力矩的50%;第3、第4檔位依此類推。電渦流緩速器還有一個(gè)腳控開關(guān)，當(dāng)駕駛員踩下制動(dòng)踏板時(shí)，電渦流緩速器自動(dòng)起作用，并根據(jù)制動(dòng)踏板的行程，腳控開關(guān)上4個(gè)壓力傳感器依次接通，其作用與手控開關(guān)一樣。繼電器盒內(nèi)有4個(gè)大電流繼電器，分別為每組勵(lì)磁線圈提供勵(lì)磁電流。
3.我國(guó)電渦流緩速器現(xiàn)狀
電渦流緩速器做為汽車的二級(jí)剎車系統(tǒng)，相關(guān)技術(shù)源自于歐美等發(fā)達(dá)國(guó)家。在90年代末期我國(guó)等一些民營(yíng)企業(yè)逐漸引進(jìn)相關(guān)技術(shù)，歷經(jīng)發(fā)展近20年但是目前中國(guó)所有企業(yè)生產(chǎn)的緩速器系統(tǒng)，其整車配套的兩年故障率都高達(dá)20%以上，造成此問題的核心是中國(guó)企業(yè)幾乎沒有夠檔次的開發(fā)機(jī)構(gòu)和夠用的開發(fā)資金。所有企業(yè)都期望跳過開發(fā)階段直接進(jìn)入成品生產(chǎn)階段。然而這卻是不可能的�，F(xiàn)在大多數(shù)企業(yè)的做法是以仿制開始，以盡可能少的投入、盡可能快的時(shí)間進(jìn)入投產(chǎn)階段。但是這樣做無可避免的帶來很多的麻煩。產(chǎn)品的不完善必然在今后暴露出問題來。所以就有了今天這樣的局面。
現(xiàn)在是個(gè)市場(chǎng)決定產(chǎn)品的時(shí)代，而緩速器系統(tǒng)的和性部件跟靈魂就是緩速器控制器目前市場(chǎng)上緩速器控制器基本是兩種控制方式：繼電器控制和電子開關(guān)式控制。兩種控制方式應(yīng)該說目前各有利弊。繼電器式控制機(jī)構(gòu)簡(jiǎn)單、成本低、維修方便。但是控制方式單一，功率分配不夠合理。電子開關(guān)式控制器功能強(qiáng)、控制方式合理，但是缺點(diǎn)是可靠性及環(huán)境應(yīng)力較差。而基于FPGA的電渦流緩速器的控制系統(tǒng)則并未進(jìn)行批量化應(yīng)用，F(xiàn)PGA的智能型控制器，可以有非常強(qiáng)的自診斷功能，可以有效的防止負(fù)載、電源變化帶來的危害。另外這種緩速控制器一般都有恒速功能，以及其他尚待開發(fā)的升級(jí)功能等。這些繼電器控制器完全不能夠比擬及不可能實(shí)現(xiàn)的功能，縱觀整個(gè)行業(yè)發(fā)展及從汽車工業(yè)長(zhǎng)遠(yuǎn)發(fā)展的目光來看，基于FPGA的電渦流緩速器控制系統(tǒng)肯定要取代繼電器的控制方式以及目前的模擬電子無觸電控制系統(tǒng)，成為電渦流緩速器的控制系統(tǒng)的主流。
4.節(jié)能型電渦流緩速器
目前大部分電渦流緩速器利用蓄電池或自帶發(fā)電機(jī)來產(chǎn)生勵(lì)磁電流，這兩種方法在緩速時(shí)都不能最優(yōu)化地將車輛所具有的動(dòng)能轉(zhuǎn)化為剎車能量。
本系統(tǒng)根據(jù)電渦流緩速器制動(dòng)力矩的大小對(duì)自發(fā)電機(jī)和蓄電池進(jìn)行調(diào)度，電渦流緩速器制動(dòng)力矩公式如下：
這里，lg為氣隙間距; d為鐵心直徑;R1為勵(lì)磁線圈中心點(diǎn)的半徑;Np為磁極對(duì)數(shù); N為勵(lì)磁線圈繞組匝數(shù);I為勵(lì)磁線圈繞組電流;r為轉(zhuǎn)子盤電阻率;mr為轉(zhuǎn)子盤相對(duì)磁導(dǎo)率;w為轉(zhuǎn)子角速度。
當(dāng)車速較大時(shí)，自發(fā)電機(jī)在一定電壓下的輸出電流大于I，將一部分電能用于制動(dòng)，剩下的電能儲(chǔ)存到蓄電池;當(dāng)車速較慢時(shí)，自發(fā)電機(jī)在一定電壓下的輸出電流小于I，則從蓄電池輸出電流到繞組線圈產(chǎn)生勵(lì)磁電流，從而最大限度地利用能源
5.基于FPGA的電渦流緩速器控制系統(tǒng)
為了提升系統(tǒng)可靠性和靈活性，本控制器根據(jù)功能需求進(jìn)行模塊化設(shè)計(jì)，主要包括ADC0809控制、NIOS處理器、模糊控制器、電源控制、PWM、LCD顯示等模塊，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖 1所示
圖 1 電渦流緩速器控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)
系統(tǒng)首先由ADC0809控制模塊控制ADC進(jìn)行各種信號(hào)，如溫度、電壓等信號(hào)的采集，然后通過Avalon總線把數(shù)據(jù)傳輸?shù)侥：刂破�、電源控制等模塊電源控制模塊根據(jù)車速會(huì)對(duì)蓄電池和自發(fā)電機(jī)進(jìn)行能量調(diào)度，實(shí)現(xiàn)最大限度的節(jié)能;模糊控制器模塊根據(jù)恒速、恒流等控制策略，計(jì)算出用于控制PWM占空比的參數(shù)，實(shí)現(xiàn)勵(lì)磁電流的調(diào)節(jié)。
5.1 ADC0809控制模塊
信號(hào)采集是系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)閉環(huán)控制的重要環(huán)節(jié)，它的好壞關(guān)系到整個(gè)系統(tǒng)的性能。采用FPGA控制ADC的方式能有效降低外界干擾對(duì)采樣造成的影響，提高可靠性。另外，利用FPGA狀態(tài)機(jī)產(chǎn)生的時(shí)序控制ADC時(shí)，控制周期短、速度快，能提高整個(gè)系統(tǒng)的實(shí)時(shí)性。免費(fèi)論文。
使用狀態(tài)機(jī)控制ADC0809芯片采樣，包括時(shí)序控制和數(shù)據(jù)的讀取首先，狀態(tài)機(jī)輸出兩路信號(hào)先后控制引腳ale和start，一旦start有效，狀態(tài)信號(hào)EOC即變?yōu)榈碗娖�，表示進(jìn)入轉(zhuǎn)換狀態(tài)，狀態(tài)機(jī)通過不斷檢測(cè)ADC0809引腳EOC的電平來判斷轉(zhuǎn)換是否結(jié)束若EOC為高電平表示轉(zhuǎn)換結(jié)束，狀態(tài)機(jī)輸出信號(hào)使引腳OE由低電平變?yōu)楦唠娖�，最后讀取轉(zhuǎn)換好的數(shù)據(jù)，主要Verilog代碼如下。
always @ ( EOC 
state )
begin case ( state )
st0 :begin ale <= #1 1'b0; start <= #1 1'b0; OE <= #1 1'b0; state <=#1 st1; end
st1 :begin ale <= #1 1'b1; start <= #1 1'b0; OE <= #1 1'b0; state <=#1 st2; end
st2 :begin ale <= #1 1'b0; start <= #1 1'b1; OE <= #1 1'b0; state <=#1 st3; end
st3 :begin ale <= #1 1'b0; start <= #1 1'b0; OE <= #1 1'b0;
state<=(EOC==1'b1)? #1 st3:st4; end
st4 :begin ale <= #1 1'b0; start <= #1 1'b0; OE <= #1 1'b0;
state<=(EOC==1'b0)? #1 st4:st5; end
st5 :begin ale <= #1 1'b0; start <= #1 1'b0; OE <= #1 1'b1; state <=#1 st6; end
st6 :begin ale <= #1 1'b0; start <= #1 1'b0; OE <= #1 1'b1; state <=#1 st0; end
default : begin ale <= #1 1'b0; start <= #1 1'b0; OE <= #1 1'b0; state <=#1 st0; end
endcase end
5.2模糊控制器模塊
電渦流緩速器是一個(gè)非線性系統(tǒng)、強(qiáng)耦合、模型較復(fù)雜的對(duì)象由于常規(guī)PID控制不具備在線調(diào)整參數(shù)的功能，所以不適于勵(lì)磁電流與車速呈非線性關(guān)系的系統(tǒng)控制而模糊理論具有很強(qiáng)的非線性建模能力，能完成復(fù)雜系統(tǒng)的非線性映射功能，將模糊推理機(jī)制引入到測(cè)控系統(tǒng)中，實(shí)現(xiàn)對(duì)電渦流緩速器的最佳控制，以滿足實(shí)際的行車情況，控制器原理圖如圖2所示
圖2 模糊控制器原理圖
從原理圖可以看出，本模糊控制器采用了二維模糊調(diào)節(jié)的方式，以改善系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)性能，即模糊控制器的輸入為給定值與測(cè)量值偏差e和偏差變化率芿=ek-ek-1所對(duì)應(yīng)的兩個(gè)模糊控制集，經(jīng)量化因子量化后，得到對(duì)應(yīng)的量化等級(jí)，其量化等級(jí)分別表示為{-7、-6、-5、-4、 -3、-2、-1、0、1、2、3、4、5、6、7}。
控制決策表是經(jīng)離線模糊控制推理運(yùn)算，并結(jié)合系統(tǒng)的實(shí)際運(yùn)行進(jìn)行調(diào)整、修改得到的，但它僅反映常規(guī)模糊控制的控制規(guī)則，不能保證系統(tǒng)的動(dòng)、靜態(tài)特性在大范圍內(nèi)最優(yōu)因此，為改善模糊控制器的性能，根據(jù)系統(tǒng)的誤差和誤差變化等信息，對(duì)控制器實(shí)行在線調(diào)整，實(shí)際輸出的控制量為決策表值與比例因子的乘積比例因子的選取規(guī)則如下：當(dāng)e和芿較大時(shí)，系統(tǒng)主要是減少誤差，加快動(dòng)態(tài)過程，應(yīng)取較大值;當(dāng)e和芿較小時(shí)，系統(tǒng)接近穩(wěn)定值，應(yīng)取較小值。最后，按此原則并結(jié)合實(shí)際經(jīng)驗(yàn)得到比例因子表。
根據(jù)上面的分析，利用Verilog HDL語言設(shè)計(jì)出aul運(yùn)算模塊和rom存儲(chǔ)模塊，另外由Quartus II軟件的LPM設(shè)計(jì)乘法器lpm_mult0模塊，如圖3所示。aul模塊首先根據(jù)輸入值in_a[7..0]和in_b[7..0]進(jìn)行求差、除法等運(yùn)算得到e和芿的值，并乘上各自的量化因子得到量化等級(jí)E和艵，然后根據(jù)E和艵與控制策略表和比例因子表的對(duì)應(yīng)關(guān)系得到查表地址;rom模塊存儲(chǔ)了控制策略表U和比例因子表GU，根據(jù)aul模塊傳遞過來的地址查找U和GU表，然后將結(jié)果輸出到乘法器模塊，并計(jì)算出PWM的調(diào)節(jié)增量，從而改變PWM的占空比，實(shí)現(xiàn)對(duì)勵(lì)磁電流的調(diào)節(jié)。
圖3 模糊控制器頂層模塊電路原理圖
5.3基于Nios的主控程序
Nios處理器是整個(gè)系統(tǒng)的中樞，是各控制模塊通訊的橋梁Nios處理器通過Avalon總線將采集進(jìn)來的各種參數(shù)，如車速、ABS、電壓等，按需要傳遞到各控制模塊，控制模塊再把相關(guān)的運(yùn)算結(jié)果返回給主控程序，以實(shí)現(xiàn)相關(guān)的控制策略，如圖4所示。
圖4 主控程序流程圖
6.結(jié)論
本課題選用CycloneII系列中的EP2C5Q208C8芯片，它具有4608個(gè)邏輯單元，內(nèi)部RAM達(dá)119808位，內(nèi)部乘法器可達(dá)26單元，最大用戶I/O達(dá) 143個(gè)，這些豐富的資源能夠滿足電渦流緩速器控制器各模塊的設(shè)計(jì)需求，邏輯單元的使用率為65%，RAM使用率為45%本設(shè)計(jì)方法提高了系統(tǒng)的集成度和可靠性并且降低了功耗，F(xiàn)PGA的可重構(gòu)性大大方便了系統(tǒng)將來的升級(jí)，而不需要改變?cè)瓉淼碾娐凡季�
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