基于STM32和CAN总线的电机加载系统伺服控制器设计

杜万强

（海南热带海洋学院海洋信息工程学院 海南省三亚市 572000）

驾驶模拟器是一种在车辆行驶环境中模拟驾驶的设备，常用于驾驶员训练、驾驶控制器设计等。在实际驾驶中，驾驶员在不同的车辆行驶环境下使用不同的动力感来控制车辆方向。驾驶模拟器控制加载系统是用于为驾驶员提供动力的转向装置。控制加载系统性能直接影响驾驶模拟器运动控制系统的性能。控制加载系统通常有三种加载方式：机械加载、液压加载、电气加载。机械负载的优点是没有额外的扭矩，但降低了机械负载模拟的功率感的保真度。同时，由机械负载模拟的功率传感模型简单。对驾驶员的力反馈不能满足复杂的环境。

随着电子技术、电机技术的发展，以及嵌入式控制技术的飞速发展，伺服电机控制技术有了长足的进步，使加载系统具有更高的加载精度。电负载体积小，结构简单。成本低、维护方便也是它的优点，最重要的优点是响应速度快。因此，研发基于STM32和CAN总线的驾驶模拟器电机加载系统对于国内驾驶模拟器技术的发展具有重要工程意义。

1 模拟驾驶器加载系统设计

1.1 系统结构设计

驾驶模拟器电控加载系统如图1所示。从图中我们可以清楚地看到，系统使用压力传感器来测量实际力，然后将力从传感器反馈到计算机系统。我们通过力和力臂的乘积来计算电控加载系统产生的扭矩。最后，系统实现闭环力控制。拉力传感器采用应变片形变测量原理，可准确测量受力。同时，传感器元件与电气系统和机械结构相连。编码器反馈位置信号，实时检测操作杆当前位置。控制器计算控制模型的功率以实现模型力跟踪。

图1：驾驶模拟器电控加载系统结构图

1.2 基于STM32和CAN总线的伺服电机控制系统构成

本文中执行器选用三相交流永磁同步伺服电机，采用电流反馈脉宽调制逆变器模式，具有速度性能优良、结构简单、重量轻、效率高、惯性小、过载能力强等特点。驱动模式有三种模式：位置模式、速度模式和扭矩模式。控制系统处理器采用STM32 ARM 处理器，并通过CAN 总线提供从主机到从机的访问，即使在多个高速外设同时工作时也能实现并发访问和高效操作。由于位置模式，控制器需要发送脉冲来控制电机，所以定时器工作在PWM 模式。脉宽调制模式（PWM）可以产生一个信号。A/D 转换器集成模拟输入多路复用器、输入缓冲器、可编程增益放大器和可编程数字滤波器。数据精度为24 位，可同时捕捉四个力传感器的信号。在A/D 转换器力传感器信号采集之前，对力传感器信号进行过滤以消除噪声和干扰信号。滤波方式是由电容和电阻构成的低通无源滤波器。低通滤波器可以让频带低于截止频率的信号通过，而阻止高于截止频率的信号。控制器通过CAN 总线向PC 传输数据。CAN 总线是一种使用双绞线作为通信介质的“多主控制、冲突检测、自动仲裁”网络，CAN 总线速度为400kbps。

2 模拟驾驶电控加载伺服控制系统设计及测试

模拟驾驶电控加载伺服电机控制系统的任务是完成力的跟踪。在位置模式下，控制系统对平滑和稳态精度的要求更高，伺服力要求更高的快速性。在工程中，控制器包括校正元件，常采用比例（P）、微分（D）、积分（I）等基本控制规律，或采用PD、PI、PID 等这些规律的组合来实现有效控制。控制器根据电机编码器代表当前操纵杆位置的数值，实时计算出驾驶员在相应位置感受到的模型力。即使位置变化非常快，模型力的计算也非常精确。闭环力是根据力模型和传感器测量的实际力计算出来的，控制器根据误差控制伺服系统。

为了消除转矩误差和冗余转矩，本文选用工程上常用的比例微分(PD)控制律。这种控制算法可以接近实际电机转矩的期望模型。输入和输出之间的关系是：

比例控制实际上有一个可变增益放大器。在信号转换过程中，比例控制只改变信号的增益而不影响其相位。在串联校正中，增加控制器增益可以提高系统的开环增益，降低系统的稳态精度，从而提高控制系统的控制精度。但是，增加系统开环增益会降低系统的相对稳定性，进而影响闭环系统的稳定性。因此，我们选择比例微分控制器。在PD 控制器中，微分控制可以反映信号变化的趋势，产生有效的早期修正信号。目的是增加系统的阻尼程度，从而提高系统的稳定性。在串联校正中，PD 控制器系统增加了一个开环零，从而提高了系统的相位裕度，有助于提高系统的动态性能。

模拟驾驶电控加载伺服控制系统软件设计采用循环执行模式。在中断期间，控制器调整模型力和力误差。系统初始化包括GPIO端口初始化、时钟初始化、SPI 初始化和控制变量初始化。在加载执行过程中，我们实时利用CAN 总线将数据上传到上位机，并在上位机软件中直观显示，方便数据处理和数据保存。在双通道控制加载系统架构设计中，为了减小机械结构的整体尺寸和重量，增加系统的灵活性和响应性基于结构不变性补偿的控制系统来消除引起位置误差的感应运动的影响，并通过解耦控制满足两个通道独立的要求。

3 实验结果及分析

根据驾驶模拟器控制加载系统的力跟踪要求，主要完成力伺服测试和解耦控制测试。力伺服测试是表示模型力/实际力和位置的跟踪曲线。

在模拟驾驶电控加载控制器测试过程中，从初始位置拉动操作杆，使操作杆来回往返运动。在运动过程中，采集伺服电机位置值和力值。图2 中，蓝色曲线代表操作杆位置变化，红色曲线代表伺服电机升降位置变化。在操作杆运动过程中，电机反向运动以补偿位置误差。从数据中我们看到操作杆运动和电机运动的比例是3:4，该值符合理论分析。图3 中，蓝色曲线代表电机力变化，绿色曲线代表操作杆力变化。在操作杆运动过程中，操作杆对操作者产生作用力。由于解耦控制，控制器消除了伺服电机力。驾驶员感觉不到来自伺服电机的力，实际效果符合标准规范。

图2：位置跟踪曲线

图3：力伺服测试曲线

4 总结

在本文中，我们基于STM32和CAN总线技术设计了驾驶模拟器力伺服控制器来实现模拟驾驶的力反馈控制。同时，基于解耦控制方法解决了机械耦合问题。最后，我们测试了驾驶模拟器力伺服控制器的性能，系统误差跟踪精度小于10%，系统响应时间的阶跃特性小于0.2s，控制加载系统中飞行员诱导运动的感觉满足设计要求。