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[摘 要]为提高FSAE赛车换挡品质，在电控气动换挡基础上研发电控电机换挡系统。通过微处理器对换挡信号进行处理，控制直流电机带动机械机构实现换挡动作。通过PID算法实现换挡电机电压的稳定性控制。通过闭环控制及数据收集分析系统实现对换挡参数的分析调整，提高换挡稳定性及换挡效率。
[关键词]电机换挡，FSAE赛车，微处理器，直流电机
中图分类号：U469.696 文献标识码：A 文章编号：1009-914X（2017）27-0150-02
[Abstract]To improve the quality of the shifting in FSAE racing car， we design this electronic motor shifting system on the based of the electronic air-operated shifting system. In this system， shifting signals can be processed by the microprocessor which controls the motor to pull the mechanical component. PID algorithm is used to guarantee the stability of the shifting voltage. Closed-loop control and data collection and analyzation system are used to adjust the shifting parameters and improve the stability and efficiency in shifting.
[Key words]Motor， FSAE Racing Car， Microprocessor， Direct Current Motor
引言
中国大学生方程式汽车大赛（简称“中国FSAE”）是一项由高等院校汽车工程或汽车相关专业在校学生组队参加的汽车设计与制造比赛。各参赛车队按照赛事规则和赛车制造标准，在一年的时间内自行设计和制造出一辆在加速、制动、操控性等方面具有优异表现的小型单人座休闲赛车，能够成功完成全部或部分赛事环节的比赛。中国大学生方程式汽车大赛旨在由各大学车队的本科生和研究生构想、設计、制造、开发并完成一辆小型方程式赛车并参加比赛。为了给予参赛车队最大的设计灵活性和自由度以表达其创造力和想象力，赛事对于赛车的整体设计只有很少的限制。参赛队所面临的挑战在于要制作出一辆能够顺利完成规则中所提及的所有条目的赛车。比赛本身给了参赛车队一个同来自各地大学的车队同场竞技的机会，以展示和证明队员的创造力和工程技术水平。[1]
参赛车辆将在一系列的静态和动态项目中进行测评，其中包括：技术检查、成本与制造分析、营销报告、赛车设计、单项性能测试和良好的赛道耐久性。在FSAE赛事的动态项目中，因存在大量的弯道及桩筒，而为了获得更快的圈速，车手必然会在上述地方进行频繁的换挡。如果换挡的响应时间过长，或者准确率较低，必然会影响车手的入弯及出弯速度，影响比赛成绩，而且不稳定的换挡系统也会给车手造成较大的心理压力，进而影响车手的发挥，这些问题对换挡系统的设计人员提出了极大的要求。
在目前的FSAE赛事中，换挡的方式以机械换挡以及气动换挡为主。机械换挡的优点在于系统稳定性高，其缺点是操作复杂，需要较大体力。在过弯的过程中车手既要操控方向又要操纵机械换挡机构，在FSAE赛事的多弯道赛道中，势必会对车手的体力以及操纵技术提出了很大的要求。气动换挡则是利用高压气体推动换挡摇臂进行换挡动作，其优点是大大减轻了车手的体力消耗，并且对电子控制要求相对较低，相对开发难度较小。但电控气动换挡系统的换挡时间存在较难突破的瓶颈，且在高速避障，耐久等比赛项目中，因频繁换挡，导致高压气体压力下降，造成后期换挡品质的急剧降低。并且高压气体的储存与使用具有一定的风险性，高压气管漏气以及震动碰撞等情况都有可能会使气动换挡系统失去功能，从而导致车手对赛车的失控。
因此为克服当前电控气动换挡系统存在的换挡时间瓶颈并获得更稳定的换挡品质，本文着眼于使用更为稳定的电机作为输出元件，设计开发了用于FSAE赛车的电控电机换挡系统。电动电机换挡系统能够对拨片换挡信号进行准确地采集和处理，并且输出控制信号精准的控制舵机的转动角度，使得舵机能够带动机械机构，完成换挡动作。[2]因为电信号与舵机的反应时间相较于气动机械元件很短，因此，电控电机换挡系统换挡时间可以大大减小，在保证了换挡成功率的同时也降低了换挡时间。电控电机换挡系统既具有着气动换挡的减少车手体力消耗的优点，又具有着机械换挡的稳定性高的优点，因此，在未来的FSAE大学生方程式赛车上，电控电机换挡势必会成为主流。电控电机换挡系统也很好的体现出了FSAE方程式赛车智能化的趋势。
一、系统总体设计
1.1 设计目标
设计出一套适用于大学生方程式赛车上的响应快速准确的电机换挡系统。系统应以方向盘上的换挡拨片作为输入信号源，通过处理器的处理，驱动执行电机完成换挡动作。应设计出可靠实用的算法或模块，以同时保证换挡稳定性及换挡的效率。
1.2 设计内容
本系统采用STM32F103芯片作为系统处理器，用于整个换挡系统的控制。除此之外还包括了微处理器电源模块、舵机电源模块、CAN（Controller Area Network）收发模块、EEPROM（Electrically Erasable Programmable Read-Only Memory）数据存储模块等。
硬件方面，整个系统采用车载12V电源供电，通过电源转换模块将其转化为3.3V电源为微处理器供电，并配有另外一套独立的可调电源模块，通过微处理器来控制电压（8.4V）为舵机供电。采用TJA1050芯片作为CAN收发模块，用以与车载ECU进行通信，以获得轮速，水温等信息，同时可以方便后续二次开发及功能的添加。 软件部分使用C语言编程，并且使用KEIL软件以及J-Link进行编译调试。[3]开发适用于电机换挡的API（Application Programming Interface，应用程序编程接口），精简程序内容，方便程序的调试与使用。
系统由方向盘上的拨片开關[4][5]产生输入信号，通过嵌入式单片机进行信号的接收与处理，使用PWM（Pulse Width Modulation）控制算法，产生输出信号，控制舵机的转动角度及转动停留时间，带动换挡摇臂进行运动，从而实现自动换挡[4]。
二、机械结构设计
2.1 电机选型
电机选取KSTX20-8.4-50型数码舵机，选取其工作电压为8.4V，则其扭力为45Kg*cm@8.4V，速度为0.15sec/60°@8.4V其扭力与速度可以达到换挡所需力矩并且转速较快，可以实现快速换挡。并且舵机质量仅有78g，具有质量轻、体积小的优点。
数码舵机具有精度高，无反应区少，定位准确并且控制反应快的优点。在舵机行程中具有更强的加速，更平均的扭力，以及在一个位置上更强的固定力量。因此，该型号数码舵机可以实现电机换挡的需求。
2.2 传动机构设计
电机换挡的传动机构是通过CATIA进行三维设计，然后导出二维图，进行加工。传动机构采用四连杆机构，简单且可靠。连接处采用轴承连接，以达到减小转动阻力的目的。电机输出轴通过优弧形状的轴进行连接，将舵机的转矩输出，推动换挡摇臂运动，从而实现了电机换挡的功能[7]。电机换挡的传动机构如图1所示。
三、电气系统设计
3.1 硬件设计
硬件使用Altium Designer软件进行设计，并对PCB（Printed Circuit Board）进行布局，制作电路板。
嵌入式处理器采用STM32F102C8T6，具有处理速度快、抗干扰能力强、开发成本低的好处。
电源模块分为两个子模块，如图2所示。微处理器电源模块使用LM2596-5V与AMS1117-3.3V，为整个嵌入式系统提供5V与3.3V电压。舵机电源模块使用LM2596-ADJ与数字电位器X9312并配合CPU来得到稳定的8.4V电压为舵机单独提供可靠稳定的电压，其中为了得到8.4v的电压，将电压输出使用微处理器PA5引脚进行ADC采样，并且计算出输出电压值，然后跟据输出的电压值控制数字电位器X9312的阻值，来调整LM2596-ADJ的输出电压值，形成闭环控制。
LM2596开关电压调节器是降压型电源管理单片集成电路，能够输出3A的驱动电流，同时具有很好的线性和负载调节特性，内部集成频率补偿和固定频率发生器，在特定的输入电压和输出负载的条件下，输出电压的误差可以保证在±4%的范围内，振荡频率误差在±15%的范围内。[8]
CAN模块采用TJA1050芯片，TJA1050芯片具有抗干扰能力强，稳定性好，成本低的优点。[9]CAN模块如图3所示。
EEPROM数据存储模块采用AT24C02芯片。EEPROM（电可擦可编程制度存储器）具有可频繁擦除和重编程、掉电后数据不丢失的优点。EEPROM模块如图4所示。
3.2 软件设计
系统软件开发编译环境为Keil5，使用ST官方提供的函数库进行开发[10][11]。根据实际需求和模块化编程的思想编写相关程序。程序包含系统初始化及底层功能加载模块，参数调整模块，传感器模块，显示模块，升降档模块，循环侦听模块，中断处理模块和异常自恢复模块。
3.2.1 系统稳定性控制
添加看门狗（Watch Dog）功能，防止程序跑飞或锁死后无法自动恢复，造成换挡系统失效。同时，通过添加EEPROME芯片，实现对整个系统参数的实时保存，以保证重启后系统可以迅速恢复到正常运行状态。
3.2.2 换挡控制
通过改变传输至换挡电机的特定频率PWM波的占空比，实现控制电机的正反转动[8]，达到控制赛车升降档的目的。通过修改数字电位器的参数，控制换挡电机两端电压，实现对换挡电机的调速。通过修改停滞时间，控制换挡电机的停留时间以修改换挡时间[12][13]。
3.2.3 换挡稳定性控制
为保证换挡稳定性，通过采集换档后的车速与发动机转速，计算出当前的挡位，以判断换挡是否成功。但是由于换挡后的车速变化有一定的滞后性，所以为了保证换挡效率，在实现闭环控制的基础上建立数据存储分析机制，通过对每次换挡的挡位，电机电压，换挡摇臂转角，摇臂停留时间，以及换挡成功情况进行计算分析，并与以前数据进行对比[14][15]，以获得在一定成功率下最优换挡策略，最大限度保证换挡的成功率。
四、结论
电机换挡系统能够及时响应输入的换挡信号并且进行准确的换挡动作，在经过多次换挡操作后，换挡系统的稳定性有较为明显的提高。本系统有效的解决了换挡稳定性与换挡效率之间的问题，在换挡稳定性与换挡效率之间实现了较好的平衡，更好的实现FSAE赛车对换挡的需求。
参考文献
[1] 中国汽车工程学会.中国大学生方程式汽车大赛规则（2016）[EB＼OL].[2016-05-27].http：//www.formulastudent.com.cn/download/.
[2] 叶普荫.赛车运动与汽车工业发展[J].城市车辆，1996（03）：44-46.
[3] 谭浩强.C程序设计（第三版）[M].北京：清华大学出版社，2006.
[4] 郭智毅.拨片换挡MitsubishiNewOutLander[J].汽车与运动，2006（09）：24.
[5] 刘奕玮.基于大学生方程式汽车大赛的气动换挡系统的设计与仿真[J].科技致富向导，2014（14）：283-284.
[6] 王丰元，何建勇，刘尊民，韦重欢.FSAE赛车拨片换挡系统研发[J].青岛理工大学学报，2016（03）：93-96
[7] 江耕华，胡来瑢，陈启松.机械传动设计手册：上册[M].北京：煤炭工业出版社，1992：546-715.
[8] 蒋皓.数字控制VRM关键技术研究[D].南京航空航天大学2013.
[9] 石润彬，邓晶.基于STM32的CAN智能温度检测系统设计[J].绍兴文理学院学报（自然科学），2011（10）：42-46.
[10] 基于MDK的STM32处理器开发应用（M）.北京：北京航空航天大学出版社，2008.
[11] 刘同法.ARMCortex-M3内核微控制器快速入门与应用[M].北京：北京航空航天大学出版社，2009.
[12] 王晓明.电动机的单片机控制[M].北京：北京航空航天大学出版社，2002：99-120.
[13] 朱亦隆，陈鑫宇.基于FSAE的无线数采与自动换挡研究[J].科技创新与应用，2016（10）：70.
[14] 潘辉.STM32-FSMC机制的NORFlash存储器扩展技术（J）.单片机与嵌入式系统应用，2009（10）：31-34.
[15] 张涛，左谨平，马华玲.FatFs在32位微控制器STM32上的移植[J].电子技术，2010（03）：25-27.
[关键词]电机换挡，FSAE赛车，微处理器，直流电机
中图分类号：U469.696 文献标识码：A 文章编号：1009-914X（2017）27-0150-02
[Abstract]To improve the quality of the shifting in FSAE racing car， we design this electronic motor shifting system on the based of the electronic air-operated shifting system. In this system， shifting signals can be processed by the microprocessor which controls the motor to pull the mechanical component. PID algorithm is used to guarantee the stability of the shifting voltage. Closed-loop control and data collection and analyzation system are used to adjust the shifting parameters and improve the stability and efficiency in shifting.
[Key words]Motor， FSAE Racing Car， Microprocessor， Direct Current Motor
引言
中国大学生方程式汽车大赛（简称“中国FSAE”）是一项由高等院校汽车工程或汽车相关专业在校学生组队参加的汽车设计与制造比赛。各参赛车队按照赛事规则和赛车制造标准，在一年的时间内自行设计和制造出一辆在加速、制动、操控性等方面具有优异表现的小型单人座休闲赛车，能够成功完成全部或部分赛事环节的比赛。中国大学生方程式汽车大赛旨在由各大学车队的本科生和研究生构想、設计、制造、开发并完成一辆小型方程式赛车并参加比赛。为了给予参赛车队最大的设计灵活性和自由度以表达其创造力和想象力，赛事对于赛车的整体设计只有很少的限制。参赛队所面临的挑战在于要制作出一辆能够顺利完成规则中所提及的所有条目的赛车。比赛本身给了参赛车队一个同来自各地大学的车队同场竞技的机会，以展示和证明队员的创造力和工程技术水平。[1]
参赛车辆将在一系列的静态和动态项目中进行测评，其中包括：技术检查、成本与制造分析、营销报告、赛车设计、单项性能测试和良好的赛道耐久性。在FSAE赛事的动态项目中，因存在大量的弯道及桩筒，而为了获得更快的圈速，车手必然会在上述地方进行频繁的换挡。如果换挡的响应时间过长，或者准确率较低，必然会影响车手的入弯及出弯速度，影响比赛成绩，而且不稳定的换挡系统也会给车手造成较大的心理压力，进而影响车手的发挥，这些问题对换挡系统的设计人员提出了极大的要求。
在目前的FSAE赛事中，换挡的方式以机械换挡以及气动换挡为主。机械换挡的优点在于系统稳定性高，其缺点是操作复杂，需要较大体力。在过弯的过程中车手既要操控方向又要操纵机械换挡机构，在FSAE赛事的多弯道赛道中，势必会对车手的体力以及操纵技术提出了很大的要求。气动换挡则是利用高压气体推动换挡摇臂进行换挡动作，其优点是大大减轻了车手的体力消耗，并且对电子控制要求相对较低，相对开发难度较小。但电控气动换挡系统的换挡时间存在较难突破的瓶颈，且在高速避障，耐久等比赛项目中，因频繁换挡，导致高压气体压力下降，造成后期换挡品质的急剧降低。并且高压气体的储存与使用具有一定的风险性，高压气管漏气以及震动碰撞等情况都有可能会使气动换挡系统失去功能，从而导致车手对赛车的失控。
因此为克服当前电控气动换挡系统存在的换挡时间瓶颈并获得更稳定的换挡品质，本文着眼于使用更为稳定的电机作为输出元件，设计开发了用于FSAE赛车的电控电机换挡系统。电动电机换挡系统能够对拨片换挡信号进行准确地采集和处理，并且输出控制信号精准的控制舵机的转动角度，使得舵机能够带动机械机构，完成换挡动作。[2]因为电信号与舵机的反应时间相较于气动机械元件很短，因此，电控电机换挡系统换挡时间可以大大减小，在保证了换挡成功率的同时也降低了换挡时间。电控电机换挡系统既具有着气动换挡的减少车手体力消耗的优点，又具有着机械换挡的稳定性高的优点，因此，在未来的FSAE大学生方程式赛车上，电控电机换挡势必会成为主流。电控电机换挡系统也很好的体现出了FSAE方程式赛车智能化的趋势。
一、系统总体设计
1.1 设计目标
设计出一套适用于大学生方程式赛车上的响应快速准确的电机换挡系统。系统应以方向盘上的换挡拨片作为输入信号源，通过处理器的处理，驱动执行电机完成换挡动作。应设计出可靠实用的算法或模块，以同时保证换挡稳定性及换挡的效率。
1.2 设计内容
本系统采用STM32F103芯片作为系统处理器，用于整个换挡系统的控制。除此之外还包括了微处理器电源模块、舵机电源模块、CAN（Controller Area Network）收发模块、EEPROM（Electrically Erasable Programmable Read-Only Memory）数据存储模块等。
硬件方面，整个系统采用车载12V电源供电，通过电源转换模块将其转化为3.3V电源为微处理器供电，并配有另外一套独立的可调电源模块，通过微处理器来控制电压（8.4V）为舵机供电。采用TJA1050芯片作为CAN收发模块，用以与车载ECU进行通信，以获得轮速，水温等信息，同时可以方便后续二次开发及功能的添加。 软件部分使用C语言编程，并且使用KEIL软件以及J-Link进行编译调试。[3]开发适用于电机换挡的API（Application Programming Interface，应用程序编程接口），精简程序内容，方便程序的调试与使用。
系统由方向盘上的拨片开關[4][5]产生输入信号，通过嵌入式单片机进行信号的接收与处理，使用PWM（Pulse Width Modulation）控制算法，产生输出信号，控制舵机的转动角度及转动停留时间，带动换挡摇臂进行运动，从而实现自动换挡[4]。
二、机械结构设计
2.1 电机选型
电机选取KSTX20-8.4-50型数码舵机，选取其工作电压为8.4V，则其扭力为45Kg*cm@8.4V，速度为0.15sec/60°@8.4V其扭力与速度可以达到换挡所需力矩并且转速较快，可以实现快速换挡。并且舵机质量仅有78g，具有质量轻、体积小的优点。
数码舵机具有精度高，无反应区少，定位准确并且控制反应快的优点。在舵机行程中具有更强的加速，更平均的扭力，以及在一个位置上更强的固定力量。因此，该型号数码舵机可以实现电机换挡的需求。
2.2 传动机构设计
电机换挡的传动机构是通过CATIA进行三维设计，然后导出二维图，进行加工。传动机构采用四连杆机构，简单且可靠。连接处采用轴承连接，以达到减小转动阻力的目的。电机输出轴通过优弧形状的轴进行连接，将舵机的转矩输出，推动换挡摇臂运动，从而实现了电机换挡的功能[7]。电机换挡的传动机构如图1所示。
三、电气系统设计
3.1 硬件设计
硬件使用Altium Designer软件进行设计，并对PCB（Printed Circuit Board）进行布局，制作电路板。
嵌入式处理器采用STM32F102C8T6，具有处理速度快、抗干扰能力强、开发成本低的好处。
电源模块分为两个子模块，如图2所示。微处理器电源模块使用LM2596-5V与AMS1117-3.3V，为整个嵌入式系统提供5V与3.3V电压。舵机电源模块使用LM2596-ADJ与数字电位器X9312并配合CPU来得到稳定的8.4V电压为舵机单独提供可靠稳定的电压，其中为了得到8.4v的电压，将电压输出使用微处理器PA5引脚进行ADC采样，并且计算出输出电压值，然后跟据输出的电压值控制数字电位器X9312的阻值，来调整LM2596-ADJ的输出电压值，形成闭环控制。
LM2596开关电压调节器是降压型电源管理单片集成电路，能够输出3A的驱动电流，同时具有很好的线性和负载调节特性，内部集成频率补偿和固定频率发生器，在特定的输入电压和输出负载的条件下，输出电压的误差可以保证在±4%的范围内，振荡频率误差在±15%的范围内。[8]
CAN模块采用TJA1050芯片，TJA1050芯片具有抗干扰能力强，稳定性好，成本低的优点。[9]CAN模块如图3所示。
EEPROM数据存储模块采用AT24C02芯片。EEPROM（电可擦可编程制度存储器）具有可频繁擦除和重编程、掉电后数据不丢失的优点。EEPROM模块如图4所示。
3.2 软件设计
系统软件开发编译环境为Keil5，使用ST官方提供的函数库进行开发[10][11]。根据实际需求和模块化编程的思想编写相关程序。程序包含系统初始化及底层功能加载模块，参数调整模块，传感器模块，显示模块，升降档模块，循环侦听模块，中断处理模块和异常自恢复模块。
3.2.1 系统稳定性控制
添加看门狗（Watch Dog）功能，防止程序跑飞或锁死后无法自动恢复，造成换挡系统失效。同时，通过添加EEPROME芯片，实现对整个系统参数的实时保存，以保证重启后系统可以迅速恢复到正常运行状态。
3.2.2 换挡控制
通过改变传输至换挡电机的特定频率PWM波的占空比，实现控制电机的正反转动[8]，达到控制赛车升降档的目的。通过修改数字电位器的参数，控制换挡电机两端电压，实现对换挡电机的调速。通过修改停滞时间，控制换挡电机的停留时间以修改换挡时间[12][13]。
3.2.3 换挡稳定性控制
为保证换挡稳定性，通过采集换档后的车速与发动机转速，计算出当前的挡位，以判断换挡是否成功。但是由于换挡后的车速变化有一定的滞后性，所以为了保证换挡效率，在实现闭环控制的基础上建立数据存储分析机制，通过对每次换挡的挡位，电机电压，换挡摇臂转角，摇臂停留时间，以及换挡成功情况进行计算分析，并与以前数据进行对比[14][15]，以获得在一定成功率下最优换挡策略，最大限度保证换挡的成功率。
四、结论
电机换挡系统能够及时响应输入的换挡信号并且进行准确的换挡动作，在经过多次换挡操作后，换挡系统的稳定性有较为明显的提高。本系统有效的解决了换挡稳定性与换挡效率之间的问题，在换挡稳定性与换挡效率之间实现了较好的平衡，更好的实现FSAE赛车对换挡的需求。
参考文献
[1] 中国汽车工程学会.中国大学生方程式汽车大赛规则（2016）[EB＼OL].[2016-05-27].http：//www.formulastudent.com.cn/download/.
[2] 叶普荫.赛车运动与汽车工业发展[J].城市车辆，1996（03）：44-46.
[3] 谭浩强.C程序设计（第三版）[M].北京：清华大学出版社，2006.
[4] 郭智毅.拨片换挡MitsubishiNewOutLander[J].汽车与运动，2006（09）：24.
[5] 刘奕玮.基于大学生方程式汽车大赛的气动换挡系统的设计与仿真[J].科技致富向导，2014（14）：283-284.
[6] 王丰元，何建勇，刘尊民，韦重欢.FSAE赛车拨片换挡系统研发[J].青岛理工大学学报，2016（03）：93-96
[7] 江耕华，胡来瑢，陈启松.机械传动设计手册：上册[M].北京：煤炭工业出版社，1992：546-715.
[8] 蒋皓.数字控制VRM关键技术研究[D].南京航空航天大学2013.
[9] 石润彬，邓晶.基于STM32的CAN智能温度检测系统设计[J].绍兴文理学院学报（自然科学），2011（10）：42-46.
[10] 基于MDK的STM32处理器开发应用（M）.北京：北京航空航天大学出版社，2008.
[11] 刘同法.ARMCortex-M3内核微控制器快速入门与应用[M].北京：北京航空航天大学出版社，2009.
[12] 王晓明.电动机的单片机控制[M].北京：北京航空航天大学出版社，2002：99-120.
[13] 朱亦隆，陈鑫宇.基于FSAE的无线数采与自动换挡研究[J].科技创新与应用，2016（10）：70.
[14] 潘辉.STM32-FSMC机制的NORFlash存储器扩展技术（J）.单片机与嵌入式系统应用，2009（10）：31-34.
[15] 张涛，左谨平，马华玲.FatFs在32位微控制器STM32上的移植[J].电子技术，2010（03）：25-27.