基于STM32的快捷货车电子防滑器设*

陈启武，吴新春

(西南交通大学 信息科学与技术学院，成都 610031)

陈启武，吴新春

(西南交通大学 信息科学与技术学院，成都 610031)

摘要:针对目前铁路快捷货车制动防滑效率不高的现状，设计了一种以STM32F103为控制核心的电子防滑器。该防滑器通过采集车轴的速度信号来检测车轮的滑行状态，及时控制防滑阀以调整制动缸压力，防止车轮继续打滑。详细介绍了电子防滑器的工作原理以及硬件组成。系统软件采用模糊控制算法，分析了速度测量和滑行控制的判定方法。与传统的机械式防滑控制器相比，提高了速度与防滑判据的运算速度，满足了快捷货车防滑控制的实时性与准确性要求。

关键词:快捷货车；STM32；模糊控制；防滑器；制动

引言

本文提出了一种以STM32F103(以下简称STM32)为防滑控制器、以模糊控制为算法的电子防滑器。

1快捷货车电子防滑器原理

快捷货车电子防滑器与客车防滑器的原理基本一致。货车在制动过程中，防滑控制器通过实时采集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。

图1　快捷货车电子防滑器原理图

2系统硬件设计

综合快捷货车电子防滑器的功能需求和使用环境等情况，为了减少系统输入、输出与核心控制单元之间的信号干扰，且便于维护，系统硬件采用如图2所示的模块化设计，主要分为电源模块、STM32主控模块、速度信号采集与调理模块、防滑阀驱动模块、故障检测模块以及故障存储与显示模块。

图2　快捷货车电子防滑器硬件总体方案

各部分功能原理如下：

(1) 电源模块

为了使防滑控制器稳定可靠地工作，一个性能优质的电源是十分必要的。防滑控制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输出48 V的DC，给防滑控制器各个模块供电。由于系统用电元件主要有 DC+12 V 、DC+5 V和 DC+3.3 V 三种不同的供电电压，故需要在主控板上进行DC/DC电压转换电路的设计。本文采用了LM317、MC7805和 ASM1117-3.3三种电源芯片，先由LM317 将 48 V电压转换为12 V，再由MC7805将12 V转换为5 V，最后由ASM1117-3.3将5 V转换为3.3 V。在电源和地之间需配置去耦电容，以消除电源线上引入的高频干扰。

(2) STM32主控模块

为提高防滑器的响应速度和准确性，在主控芯片选型上要求具有较高的运算速度与数据处理能力。本设计方案的主控制器选用的是ST公司推出的基于ARM Cortex-M3内核的32位微控制器STM32F103，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、外部中断接口、I2C接口和内部看门狗等。

(3) 速度信号采集与调理模块

速度传感器是电子防滑器的输入部分，主要负责采集各组轮正确的转速以提供给防滑器主控单元STM32计算。速度传感器采用霍尔式转速传感器，其输出信号为与转速成正比的方波信号。利用STM32的通用定时器3的通道0～3分别采集4路传感器的速度脉冲信号。由于霍尔式传感器的正常工作电压为12 V，STM32的输入捕获口最高只能承受3.3 V的CMOS电平。选用光路耦合器4N25可实现输入(12 V)、输出(3.3 V)信号的隔离。速度信号采集与调理电路如图3所示。

(4) 防滑阀驱动模块

防滑阀是快捷货车防滑控制的执行部件，防滑阀的动作通过控制两个电磁阀(进气阀和排风阀)来实现。本文选用额定工作电压为12 V的高速电磁阀，选用体积小巧的节能降温器Coil Cool产品系列的CC24060D芯片作为防滑电磁阀的驱动单元。

CC24060D可以在大功率启动电磁阀后，自动将电磁阀的功率降低到最小，即仅满足衔铁保持吸附的所需的最小功率。用于驱动电磁阀的GPIO口与CC24060D芯片之间采用光耦隔离以减小系统干扰，防滑阀驱动电路如图4所示。

图3　速度信号采集与调理电路

图4　防滑阀驱动电路

(5) 故障检测模块

电子防滑器除了要实现防滑控制外，还应具备完善的故障检测功能，以便在元件工作不正常时釆取必要的防护措施，故障检测电路如图5所示。

图5　故障检测电路

为节省硬件资源，采用STM32的ADC1的12路通道分别检测防滑器的4个速度传感器和8个防滑电磁阀的工作状态，LM358是一种高增益、内部频率补偿、输出电压摆幅大(0～1.5 V)的双运算放大器，可保证STM32的ADC稳定可靠工作。速度传感器和防滑电磁阀有一个正常工作的电压范围，如果该电压值超出范围，即可认为发生故障。当速度传感器开路时，AD0处电压约12 V，ADCA0输出高电平(约1.5 V)；当短路时，AD0处电压约为0 V，ADCA0输出低电平(约为0 V)。防滑阀故障检测同理，这里不再赘述。

(6) 故障存储与显示模块

系统在检测到故障的同时需要将故障码记录并保存下来，以便于停车检修时维护，故障与存储与显示电路如图6所示。本文采用串行CMOS EEPROM芯片AT24C16作为故障码的存储器，其存储容量为16 KB，可进行百万次擦写，该元件通过STM32的I2C总线接口进行读写操作，设计简单、使用方便。为方便查看故障信息，系统还设计了故障显示功能，采用两位共阴极数码管作为显示器，由STM32的GPIO口进行显示控制。此外，利用STM32的3个外部中断引脚设计了按键操控模块，以实现系统自检、故障码显示以及清除的功能。

图6　故障存储与显示电路

3系统软件设计

由于防滑控制系统功能比较复杂，采用模块化的程序设计方法，在明确电子防滑器功能原理的情况下，将不同功能的程序进行模块化设计，这样不但可以提高系统的实时性，而且软件结构清晰，易于以后的功能扩展，设计和调试也很方便。系统软件总体框图如图7所示。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。第二部分为主控制程序部分，主要包括速度测量与防滑判据计算子程序、防滑控制子程序、故障检测子程序等。整体软件在 Keil MDK环境下采用 C语言编写，采用ST-Link仿真器对程序进行调试与下载。

图7　系统软件总体框图

3.1速度测量与防滑判据计算

车轮圆周速度V与车轴速度传感器发出的脉冲信号频率f之间成正比关系，其关系表达式如下所示：

(1)

式中，D为车轮直径，Z为车轮每转产生的脉冲个数。由式(1)可知，只要计算出脉冲信号的频率f,即可获得车轮圆周速度V。快捷货车在制动运行过程中速度变化范围很广(0～160 km/h)，为了保证在高、低速情况下都能满足速度脉冲测量较高的精度要求，本文采用变周期M/T法测速，如图8所示。

图8中，T0为程序中设定的测速周期(一般最短为100 ms[5])，由STM32的通用定时器1设定，T0=N0t0。其中，t0为定时器1基准脉冲的计数周期，N0为定时器1预装载计数值。定时器3作为4个轴速捕获单元的时基，计数周期为1 ms。开启定时器的周期中断和捕获中断，在测量中断处理程序中，进行速度和减速度等值的计算。设某个测速时区内第一个速度脉冲捕获时的基准脉冲计数值为N11，最后一个速度脉冲捕获时对应的基准脉冲数为N12， 本次中断捕获到的速度脉冲数为n1，则轮速度V1的计算公式如下所示：

(2)

图8　变周期M/T法测速原理

式中，f0为定时器1基准脉冲的频率(系统时钟频率72 MHz除以分频系数2等于36 MHz)。

同理，在下一个相邻的定时器中断计算出V2：

(3)

则相邻2 个测速时区内速度V1、V2之间的时间间隔Δt为：

(4)

其中， N12=N21， 则减速度α为：

(5)

在测速中断处理程序中计算出4个轴的轮速度和减速度后，取4个轴中轮速度Vi(i=1,2,3,4)的最大值作为整车速度Vref，整车速度与各轮速度的差值即为各轴的速度差ΔVi(i=1,2,3,4)，则各轴滑移率λi(i=1,2,3,4)为：

(6)

3.2滑行检测和模糊控制

防滑控制功能任务是软件设计的核心部分，主要实现滑行检测和模糊控制。防滑器在实际控制过程中需要不停地检测每个车轮的运行状态，以判断车轮是否打滑，并控制防滑阀做相应的动作。防滑阀控制制动缸压力的动作是通过电磁阀的励磁来执行的，即控制防滑阀的是开关量。因此需要控制防滑阀动作(正值为充气、负值为排气、0为保压)的时间长短来控制制动缸的压力。设定车轮滑行检测的周期为100 ms，防滑控制周期为10 ms[6-8]。利用STM32的通用定时器3的定时中断，可实现车轮滑行状态的定时检测和防滑阀的定时控制。

为了获得较为理想的防滑控制效果，本文采用模糊控制算法进行防滑控制。首先选取滑移率E和减速度EC为防滑判据，进行二维模糊控制器的设计，并运用MATLAB/Simulink仿真工具搭建快捷货车的制动防滑模型进行仿真验证。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，具体仿真设计工作非本文重点，这里不再展开讨论。

模糊控制程序首先需要对论域设置与定义：滑移率的基本论域为[0,0.26]，模糊论域为[0，6]，量化因子为KE=6/0.26=23；减速度的基本论域为[-4，4]，模糊论域为[-6，6]，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KOP=1/6。滑行检测和模糊控制软件流程图略——编者注。

3.3故障检测与存储

故障检测主要对防滑器的关键部件(如速度传感器和防滑阀的工作状态)进行实时检测。设定故障检测的周期为10 s，利用STM32的通用定时器4的定时中断(计数周期为1 s)，可实现系统故障的定时检测。当故障检测周期中断到来时，启动STM32的ADC和DMA功能，利用DMA1的通道1直接将ADC1的外部通道口采集的速度传感器和防滑阀的反馈信号值读入内存，反馈值与储存在内存中的预定值相比较，在预定值范围内说明该附件正常，否则发生故障。如果发生故障则做出相应控制：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；当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。当速度传感器与排风阀出现故障时，需要通过AT24C16将相应的故障代码保存下来，以便在停车检修的时候通过显示操控模块获取、清除故障信息。故障检测与存储流程图略——编者注。

结语

本文提出了一种以STM32F103为防滑控制器、以模糊控制为算法的快捷货车电子防滑器。在软硬件设计上，采用模块化的设计思想，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，对快捷货车制动系统性能的提高具有重要意义。

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陈启武(硕士研究生)，主要研究方向为快捷货车监测、嵌入式系统；吴新春(讲师)，主要研究方向为数字集成电路设计、快捷货车监测。

Chen Qiwu,Wu Xinchun

(School of Information Science and Technology,Southwest Jiaotong University,Chengdu 610031,China)

Abstract：Aiming at the status that the fast railway wagons’skid braking efficiency is not high,a kind of electronic anti-skid device based on STM32F103 is designed.The anti-skid device detects the state of the wheel slide through the acquisition of the wheel speed signal to control the anti-skid brake cylinder and adjust the pressure,so as to avoid the wheel slippage.The working principle and the hardware of the electronic anti-skid device are introduced.The fuzzy control algorithm is used in the software and the method of velocity measurement and glide determination are analyzed.Compared with the traditional mechanical anti-slip controller,the design improves the calculating speed,which satisfies the real-time and precision requirement of anti-slip control of the fast railway wagons.

Key words:fast railway wagon;STM32;fuzzy control;anti-skid device;brake

* 基金项目：2015年铁路总公司科技研究开发计划项目(2015ZB06)。

中图分类号:TP368.1

文献标识码:A

收稿日期：(责任编辑：杨迪娜2015-12-29)