風(fēng)擋雨刷控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

張 恒，李云紅，李曉東，宋 鵬

（西安工程大學(xué) 電子信息學(xué)院，陜西 西安710048）

0 引 言

雨刷系統(tǒng)是汽車的重要控制系統(tǒng)之一，傳統(tǒng)的手動機(jī)械雨刷在使用過程中，會分散駕駛員的注意力.在雨雪天氣，往往成為發(fā)生交通事故的重要隱患.針對傳統(tǒng)雨刷的缺點(diǎn)，李艷明［1］等提出了一種基于智能功率開關(guān)BTS6143D的車輛雨刷電機(jī)啟動控制方案，采用脈寬調(diào)制（PWM）起動方式，使車輛負(fù)載轉(zhuǎn)速平穩(wěn)上升，減小了起動時(shí)的機(jī)械沖擊以及電流沖擊，實(shí)現(xiàn)了雨刷電機(jī)平穩(wěn)無級啟動的過程；張朝祥［2］等則通過雨量傳感器檢測雨量大小，提出一種基于模糊控制理論的雨刷控制器，克服了非線性因素對系統(tǒng)造成的影響；張奎［3］等提出將智能PID控制技術(shù)應(yīng)用到直流電機(jī)的控制中，自動調(diào)整控制參數(shù)，從而獲得最佳的過程響應(yīng)曲線.通過對目前雨刷控制系統(tǒng)的比較，本系統(tǒng)采用PWM［4－5］方法對直流電機(jī)調(diào)速，并在分析了模糊控制理論及雨刷同步擺動規(guī)則的基礎(chǔ)上，利用STM32作為ARM微控制單元，提出了一種基于模糊控制［6－9］的智能雨刷系統(tǒng).該系統(tǒng)將轉(zhuǎn)速偏差與轉(zhuǎn)速偏差變化量模糊化為模糊控制器的輸入語言變量，根據(jù)所制定的一套模糊控制規(guī)則來調(diào)節(jié)PWM的輸出變量，并以此來驅(qū)動兩直流電機(jī)［10］，使兩個(gè)風(fēng)擋雨刷同步工作，并在系統(tǒng)中設(shè)計(jì)了位置檢測的功能.在控制策略和控制算法的基礎(chǔ)上，用Matlab/Simulink軟件進(jìn)行仿真和驗(yàn)證，對比了PID控制和模糊控制的控制效果，從而提高了系統(tǒng)的響應(yīng)速度和穩(wěn)態(tài)性能.

1 模糊控制算法

在風(fēng)擋雨刷同步控制系統(tǒng)中，有許多非線性因素都會對雨刷同步造成影響.這樣，就需要用人的經(jīng)驗(yàn)知識來調(diào)整PWM信號的占空比，使兩個(gè)雨刷同步擺動.因此，把模糊控制技術(shù)運(yùn)用到雨刷同步器，可以使系統(tǒng)有良好的控制效果.

模糊控制器是模糊控制的關(guān)鍵，本模糊控制器的輸入變量是兩個(gè)雨刷到達(dá)復(fù)位位置的時(shí)間偏差E和時(shí)間偏差變化率Ec，輸出變量是PWM脈寬調(diào)制信號占空比D的增量VD.在進(jìn)行輸入變量模糊化時(shí)，時(shí)間偏差E在其論域上定義7個(gè)模糊集隸屬度函數(shù)，相應(yīng)的語言變量為負(fù)大（NB）、負(fù)中（NM）、負(fù)小（NS）、零（0）、正小（PS）、正中（PM）、正大（PB），其隸屬度函數(shù)為三角形.時(shí)間偏差變化率Ec在其論域上定義5個(gè)模糊集隸屬度函數(shù)，相應(yīng)的語言變量為負(fù)大（NB）、負(fù)?。∟S）、零（0）、正?。≒S）、正大（PB），其隸屬度函數(shù)為三角形.輸出變量PWM占空比增量VD在其論域上定義7個(gè)模糊集隸屬度函數(shù)，相應(yīng)的語言變量為負(fù)大（NB）、負(fù)中（NM）、負(fù)?。∟S）、零（0）、正?。≒S）、正中（PM）、正大（PB），其隸屬度函數(shù)為三角形.模糊控制規(guī)則如表1所示.

表1 模糊控制規(guī)則Table 1 Fuzzy control rules

2 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

風(fēng)擋雨刷控制系統(tǒng)由左、右各1臺雨刷控制器組成，控制模塊采用STM32作為ARM微控制單元.左、右控制開關(guān)可分別控制左、右雨刷器工作，分間歇、低速、高速和復(fù)位停止4種工作狀態(tài).當(dāng)左、右控制開關(guān)所處不同檔位時(shí)，左、右雨刷各自獨(dú)立工作，不要求同步.當(dāng)左、右雨刷同時(shí)開啟到同一個(gè)檔位時(shí)，系統(tǒng)控制左、右雨刷同步擺動.控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示.

圖1 控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)Fig.1 Structure of control system

2.1 硬件設(shè)計(jì)

根據(jù)總體設(shè)計(jì)，硬件控制模塊包括ARM最小系統(tǒng)、雨刷電機(jī)、電動機(jī)驅(qū)動模塊、檔位顯示模塊、串口通信模塊等部分，另外，還應(yīng)具有位置檢測功能及其他功能，如微控制單元產(chǎn)生PWM信號，針對控制面板輸入信號而設(shè)計(jì)輸入檢測電路等.硬件控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)框圖如圖2所示.

2.1.1 輸入檢測模塊 輸入檢測模塊能夠?qū)崿F(xiàn)高速、低速、間歇、停止4個(gè)檔位的檢測，電路采用光電隔離，并選用濾波電容去除控制面板開關(guān)抖動以及各種干擾的影響.

2.1.2 位置檢測模塊 由于雨刷電機(jī)和蝸輪蝸桿連成一體，將位置傳感器安裝在蝸輪蝸桿處.位置傳感器每隔1.5s送出一

個(gè)脈沖信號給微控制單元，當(dāng)雨刷接到停止指令，控制器進(jìn)行歸位信號檢測，如果在一個(gè)雨刷循環(huán)周期內(nèi)未檢測到歸位信號，則間歇性啟動電機(jī)并向歸位方向運(yùn)轉(zhuǎn)最多3次.如果還未檢測到歸位信號，則判定為機(jī)械性故障，輸出報(bào)警信號.

2.1.3 串口通信模塊 串口通信電路主要實(shí)現(xiàn)雨刷的精準(zhǔn)定位和同步控制.兩個(gè)微控制單元通過MAX3485芯片通信，分時(shí)收發(fā)數(shù)據(jù)信息，通過比較、處理、更新兩個(gè)微控制單元的輸出控制信號、雨刷位置信息等，達(dá)到使兩組雨刷器同步工作的目的.

圖2 硬件控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)Fig.2 Hardware block diagram of the control system design

2.2 軟件設(shè)計(jì)

系統(tǒng)功能的實(shí)現(xiàn)除了硬件的支持之外還需要通過軟件設(shè)計(jì)來進(jìn)行補(bǔ)充，高效、緊湊、模塊化的軟件流程設(shè)計(jì)不但可以使得控制器的實(shí)時(shí)性、穩(wěn)定性更高，而且能夠使得調(diào)試的過程更加容易.主程序流程圖如圖3所示.

圖3 主程序流程Fig.3 The main program block diagram

3 結(jié)果與分析

本設(shè)計(jì)提出了一種基于模糊控制理論的風(fēng)擋雨刷同步控制系統(tǒng).模糊控制是智能控制的一個(gè)重要分支，與常規(guī)PID控制相比具有無須建立被控對象的數(shù)學(xué)模型，對被控對象的時(shí)滯、非線性和時(shí)變性具有一定適應(yīng)能力等優(yōu)點(diǎn)，同時(shí)對噪聲也具有較強(qiáng)的抑制能力.用 Matlab/Simulink軟件進(jìn)行仿真和驗(yàn)證可知模糊控制與PID控制比起來具有調(diào)節(jié)速度快、超調(diào)量小等特點(diǎn).圖4～5中對比了兩種控制算法的結(jié)果，表明模糊控制系統(tǒng)超調(diào)小且響應(yīng)平穩(wěn).

圖4 PID控制系統(tǒng)仿真結(jié)果Fig.4 PID control system simulation results

圖5 模糊控制系統(tǒng)仿真結(jié)果 Fig.5 Fuzzy control system simulation results

硬件工作時(shí)，當(dāng)開關(guān)打到低速檔時(shí)，雨刷器工作頻率為12循環(huán)/min.通過示波器測量可得，低速檔位時(shí)直流電機(jī)編碼器輸出脈沖頻率為2.384 66k Hz，高電平電壓為2.48V；當(dāng)開關(guān)打到高速檔時(shí)，雨刷器工作頻率為20循環(huán)/min.通過示波器測量可得，高速檔位時(shí)直流電機(jī)編碼器輸出脈沖頻率為3.990 40k Hz，高電平電壓為2.40V；當(dāng)開關(guān)打到間歇檔時(shí)，雨刷器工作頻率為10循環(huán)/min，其中每個(gè)循環(huán)內(nèi)雨刷器工作3s，停止3s.通過示波器測量可得，間歇檔位時(shí)高電平電壓為2.40V.通過實(shí)驗(yàn)測試，本系統(tǒng)控制精準(zhǔn)，各檔位電機(jī)編碼器輸出脈沖幅度穩(wěn)定，頻率能達(dá)到預(yù)期要求，系統(tǒng)反應(yīng)靈敏，穩(wěn)定性較好.

4 結(jié)束語

風(fēng)擋雨刷同步控制系統(tǒng)通過STM32控制，通過PWM技術(shù)實(shí)現(xiàn)調(diào)速.系統(tǒng)利用模糊控制算法實(shí)現(xiàn)了同步狀態(tài)下兩個(gè)雨刷器的精準(zhǔn)控制，為機(jī)車駕駛員雨天駕駛提供了安全保障，具有較高的使用價(jià)值及較好的市場前景，對進(jìn)一步提高汽車智能化具有重要意義.

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