電動外后視鏡折疊器控制系統(tǒng)仿真優(yōu)化

馬麗瓊，盧鵬

（641300 四川省 資陽市 四川希望汽車職業(yè)學(xué)院）

0 引言

汽車外后視鏡是汽車的重要安全件，國內(nèi)部分企業(yè)生產(chǎn)的汽車電動折疊外后視鏡產(chǎn)品在折疊運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)存在動態(tài)特性差和耗能大的問題，造成產(chǎn)品的市場競爭力弱[1]。因此，設(shè)計(jì)合理的控制系統(tǒng)，優(yōu)化啟動特性和轉(zhuǎn)速跟隨特性，有利于改善其動態(tài)特性、減少能耗、提高產(chǎn)品質(zhì)量，有利于提高國內(nèi)企業(yè)在后視鏡市場的競爭力[2]。

本文采用CATIA 軟件建模得到汽車外后視鏡電動折疊系統(tǒng)模型，再建立基于ADAMS 的多體動力學(xué)模型，然后進(jìn)入控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)。該控制系統(tǒng)是基于ADAMS 與MATLAB 的電動折疊器PID 控制聯(lián)合仿真。

1 汽車外后視鏡折疊控制系統(tǒng)組成及控制策略

汽車外后視鏡電動折疊器的控制系統(tǒng)分為輸入部分、控制部分以及輸出部分[3]?？刂撇糠质俏⒖貑卧狤CU，它整合了以往電控方式中的繼電器型限位開關(guān)，通過輸出控制信號至執(zhí)行器實(shí)現(xiàn)電路通斷動作，執(zhí)行器部分包括驅(qū)動電路和折疊電機(jī)[4]。輸入部分包含指令信號輸入電路，也包含傳感器，即電流傳感器和轉(zhuǎn)速傳感器[5-6]。圖1 所示為后視鏡折疊控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)圖。

圖1 后視鏡折疊控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖Fig.1 Composition of rearview mirror folding control system

該控制系統(tǒng)的控制策略為，輸入部分通過信號輸入電路送進(jìn)ECU 單元，經(jīng)ECU 內(nèi)部程序發(fā)出信號控制驅(qū)動電路，進(jìn)而控制折疊電機(jī)[7]。折疊電機(jī)的輸出量是轉(zhuǎn)速，通過轉(zhuǎn)速傳感器反饋給ECU 進(jìn)行誤差修正。電機(jī)另一個(gè)反饋量是電樞電流，到位后，電機(jī)轉(zhuǎn)動受阻發(fā)生堵轉(zhuǎn)，電流迅速增大，此時(shí)通過電流傳感器即可發(fā)送信號給ECU，ECU 中斷驅(qū)動電路，從而使電機(jī)停止轉(zhuǎn)動[8]。

2 硬件選取

汽車外后視鏡電動折疊器控制系統(tǒng)首先需要根據(jù)系統(tǒng)總體方案進(jìn)行硬件系統(tǒng)設(shè)計(jì)與選取[9]。

轉(zhuǎn)速傳感器測量的是電機(jī)轉(zhuǎn)速。光電式傳感器受電磁的干擾較小，安裝位置靈活，所以選擇光電式轉(zhuǎn)速傳感器作為測速傳感器，型號為GK122。

該系統(tǒng)不需要測出具體的電流數(shù)值，只需事先限定一個(gè)限定值，當(dāng)電機(jī)堵轉(zhuǎn)，電流超過限定值時(shí)，電流傳感器發(fā)出高電平；電機(jī)轉(zhuǎn)動過程中，電樞電流未超過限定值時(shí)，發(fā)出低電平信號。只有高電平信號反饋回ECU，才能讓ECU 中斷驅(qū)動電路，使電機(jī)停轉(zhuǎn)。所以電流計(jì)只需具備比較限流功能即可，綜合模塊特點(diǎn)，選擇WCS1700 電流檢測一體模塊。該模塊主要有2 個(gè)功能：一是經(jīng)過運(yùn)放跟隨的模擬信號，適用于A/D 轉(zhuǎn)換；二是開關(guān)信號，可預(yù)先設(shè)定限流值，當(dāng)實(shí)際電流值大于預(yù)設(shè)值時(shí)，開關(guān)信號會由低電平變?yōu)楦唠娖剑⒂蠰ED 指示燈指示，簡單易用。模塊具有響應(yīng)時(shí)間快、靈敏度好、電頻切換穩(wěn)定、電流設(shè)置方便、限流設(shè)置方便等特點(diǎn)。

3 控制流程設(shè)計(jì)

軟件系統(tǒng)工作流程設(shè)計(jì)包括主程序設(shè)計(jì)、子程序設(shè)計(jì)[10]。

主程序設(shè)計(jì)為循環(huán)結(jié)構(gòu)，通過不斷運(yùn)行采集各傳感器發(fā)來的信號，識別車輛電控系統(tǒng)的狀態(tài)和駕駛員對后視鏡輸入的動作信號，流程圖如圖2 所示。駕駛員啟動車輛，控制系統(tǒng)就開始工作。首先進(jìn)行參數(shù)變量的定義與初始化，接著檢測電源狀態(tài)，先判斷控制電流是否過載，如果有過載，則進(jìn)行過載止停子程序，否則進(jìn)行動作信號判斷。如果有動作信號，則執(zhí)行動作子程序，否則返回讀入控制參數(shù)再次循環(huán)。

圖2 控制系統(tǒng)主程序控制流程圖Fig.2 Main program control flow of control system

子程序包括執(zhí)行動作子程序與過流停止子程序。執(zhí)行動作子程序流程如圖3 所示。當(dāng)控制模塊讀取到動作信號時(shí)，執(zhí)行動作子程序?qū)π盘栠M(jìn)行判斷。首先控制模塊將動作信號送至ECU，ECU 發(fā)出控制信號給驅(qū)動電路，驅(qū)動電路控制電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)，然后通過電流檢驗(yàn)?zāi)K對電樞電流進(jìn)行判斷，如果電機(jī)電流沒有超過堵轉(zhuǎn)電流值，系統(tǒng)判斷電樞電流沒有過載，便會接著讀取后視鏡殼體轉(zhuǎn)速，將其返回給ECU 的PID 模塊進(jìn)行反饋調(diào)節(jié)，繼續(xù)控制驅(qū)動電路。直至收到電流過載信號，此時(shí)返回出口，回到主程序判斷過程。

圖3 執(zhí)行動作子程序流程Fig.3 Subroutine flow of executing action

過流止停程序流程如圖4 所示。當(dāng)電流校驗(yàn)?zāi)K接收到電路過載信號時(shí)，就會給ECU 發(fā)出信號讓其中斷電機(jī)的驅(qū)動電路，使電機(jī)停止轉(zhuǎn)動，并返回出口，回到主程序的讀入控制參數(shù)步驟。

圖4 過流止停程序流程Fig.4 Program flow of overcurrent stop

4 基于ADAMS 與MATLAB 的電動折疊器PID 控制聯(lián)合仿真

基于ADAMS 與MATLAB 的電動折疊器PID控制聯(lián)合仿真包括機(jī)構(gòu)模型參數(shù)設(shè)置、MATLAB控制系統(tǒng)建立、PID 控制參數(shù)調(diào)試和結(jié)果分析[11]。

4.1 機(jī)構(gòu)模型參數(shù)設(shè)置

創(chuàng)建狀態(tài)變量，將后視鏡機(jī)構(gòu)模型的電機(jī)角轉(zhuǎn)速作為仿真模塊的輸入，將殼體的角轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)動角度作為輸出，設(shè)置了4 個(gè)狀態(tài)變量M_V，Velocity，Angle，電機(jī)軸力矩M_Torque。

指定狀態(tài)變量，要將其設(shè)定為輸出或者是輸入。通過ADAMS 的Data Element 工具，可以創(chuàng)建Plant Input 和Plant Output，在其變量名的一欄中選擇對應(yīng)的輸入變量或者輸出變量。至此，在ADAMS 中把模型的仿真模塊參數(shù)設(shè)置完畢。

導(dǎo)出控制參數(shù)，通過ADAMS/Control 模塊中的導(dǎo)出選項(xiàng)，按圖5 所示，根據(jù)輸入?yún)?shù)M_V，輸出參數(shù)Velocity，Angle，MOTION_T，設(shè)置控制參數(shù)導(dǎo)出。設(shè)置相關(guān)參數(shù)之后，就能導(dǎo)出對應(yīng)的控制系統(tǒng)M 文件。

4.2 MATLAB 控制系統(tǒng)建立

在MATLAB 中導(dǎo)入上文得到的控制參數(shù)M 文件，即Controlspid.m 文件，并通過Adams _ sys 命令，就能得到所需要的后視鏡機(jī)械控制系統(tǒng)仿真模塊，如圖5 所示。其中，聯(lián)合仿真所需要的是Adams_sub 模塊，其他2 個(gè)模塊分別是機(jī)構(gòu)模型的非線性與線性模型。

圖5 后視鏡機(jī)械機(jī)構(gòu)控制系統(tǒng)仿真模塊Fig.5 Control system simulation module of rearview mirror mechanism

接著按照控制系統(tǒng)總體框架圖，在Simulink中利用各模塊建立如圖6 所示的控制系統(tǒng)模型。其中，系統(tǒng)的輸入是之前設(shè)定的電機(jī)理想轉(zhuǎn)速，經(jīng)過一個(gè)比例處理模塊后轉(zhuǎn)換成相應(yīng)的殼體目標(biāo)轉(zhuǎn)速，該值通過累加器與反饋的實(shí)際仿真殼體轉(zhuǎn)速對比、求差送PID 控制器，PID 經(jīng)過處理發(fā)出一個(gè)控制轉(zhuǎn)速給ADAMS 模型，達(dá)到調(diào)節(jié)控制作用[12]。

圖6 PID 控制系統(tǒng)模型Fig.6 Model of PID control system

4.3 PID 控制參數(shù)調(diào)試和結(jié)果分析

PID 控制參數(shù)調(diào)試包括控制系統(tǒng)對階躍輸入的響應(yīng)、對理想設(shè)定輸入的響應(yīng)和調(diào)節(jié)。PID 三個(gè)環(huán)節(jié)參數(shù)調(diào)節(jié)順序，先調(diào)比例后積分，最后調(diào)微分；系數(shù)從小往大的方向變化調(diào)節(jié)。先給控制系統(tǒng)一個(gè)常量輸入，觀察控制系統(tǒng)模型對階躍輸入的響應(yīng)，確定各環(huán)節(jié)大概范圍，最后觀察系統(tǒng)對給定設(shè)計(jì)輸入的響應(yīng)效果。在這個(gè)過程中根據(jù)仿真結(jié)果，對比修改各環(huán)節(jié)參數(shù)，實(shí)現(xiàn)控制系統(tǒng)的最佳反饋控制。

控制系統(tǒng)對階躍輸入的響應(yīng)方面，考慮到殼體轉(zhuǎn)速的波動，選擇的數(shù)值比設(shè)計(jì)的殼體平均轉(zhuǎn)速稍大一點(diǎn)的值22.9°。對系統(tǒng)比例系數(shù)KP分別取1 000，1 200，1 500，1 700，進(jìn)行控制系統(tǒng)調(diào)節(jié)仿真對比。仿真時(shí)間為2.6 s。仿真之后得到的殼體速度仿真結(jié)果如圖7—圖10 所示。

圖7 比例系數(shù)KP=1 000 調(diào)節(jié)仿真結(jié)果Fig.7 Simulation with scale factor of KP=1 000

圖8 比例系數(shù)KP=1 200 調(diào)節(jié)仿真結(jié)果Fig.8 Simulation with scale factor of KP=1 200

系統(tǒng)比例系數(shù)KP調(diào)到1 000 時(shí)，局部有轉(zhuǎn)速突變，穩(wěn)態(tài)誤差非常之大；調(diào)到1 200 時(shí)，穩(wěn)態(tài)誤差依然較大，轉(zhuǎn)速局部開始有突變；繼續(xù)增大比例系數(shù)后，穩(wěn)態(tài)誤差又有小幅減小，局部突變幅度稍有增強(qiáng)；調(diào)到1 500 時(shí)穩(wěn)態(tài)誤差相對較?。划?dāng)超過1 600 時(shí)，系統(tǒng)超調(diào)量開始變大；超過1 700 時(shí)控制系統(tǒng)開始發(fā)散，變得不穩(wěn)定。最后選定系統(tǒng)的比例環(huán)節(jié)系數(shù)大致范圍為1 000～1500。

圖9 比例系數(shù)KP=1 500 調(diào)節(jié)仿真結(jié)果Fig.9 Simulation with scale factor of KP=1 500

圖10 比例系數(shù)KP=1 700 調(diào)節(jié)仿真結(jié)果Fig.10 Simulation with scale factor of KP=1 700

確定比例系數(shù)范圍之后，調(diào)試積分系數(shù)，將比例系數(shù)KP設(shè)置為1 500，積分系數(shù)Ti分別取10，3 000，30 000，50 000，參見圖11—圖14。

圖11 Ti=10 積分系數(shù)調(diào)節(jié)仿真結(jié)果Fig.11 Simulation with integral coefficient of Ti=10

對控制系統(tǒng)積分系數(shù)調(diào)節(jié)后的仿真結(jié)果進(jìn)行分析，積分系數(shù)過小時(shí)，積分效果過強(qiáng)，效果不能令人滿意；隨著積分系數(shù)增大，仿真效果越來越好，當(dāng)積分系數(shù)超過30 000 后，積分效果減弱過多，效果又變差。故初步確定PID 控制器的積分時(shí)間Ti范圍在30 000 附近。同時(shí)，考慮到后視鏡機(jī)構(gòu)在實(shí)際使用中會受到許多外界干擾，而微分環(huán)節(jié)對環(huán)境的干擾比較大，所以控制系統(tǒng)中不采用微分環(huán)節(jié)，將微分系數(shù)Td設(shè)為0。

對理想設(shè)定輸入的響應(yīng)和調(diào)節(jié)，在實(shí)際中控制系統(tǒng)要控制的是后視鏡機(jī)構(gòu)的折疊電機(jī)，電機(jī)啟動時(shí)，不能立刻加載大電壓，一是出于過流保護(hù)的考慮，二是如果啟動加速度過大，將導(dǎo)致慣性力過大，傳動系會產(chǎn)生較大沖擊，傳動件可能受損，甚至燒壞電機(jī)。

圖12 Ti=3 000 積分系數(shù)調(diào)節(jié)仿真結(jié)果Fig.12 Simulation with integral coefficient of Ti=3 000

圖13 Ti=30 000 積分系數(shù)調(diào)節(jié)仿真結(jié)果Fig.13 Simulation with integral coefficient of Ti=30 000

圖14 Ti=50 000 積分系數(shù)調(diào)節(jié)仿真結(jié)果Fig.14 Simulation with integral coefficient of Ti=50 000

選定折疊運(yùn)動的總時(shí)間為2.6 s，對于加速時(shí)間，經(jīng)過對大量產(chǎn)品的數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)，設(shè)定0.1，0.2，0.3 s 3 種方案進(jìn)行優(yōu)化對比。通過仿真數(shù)據(jù)結(jié)果統(tǒng)計(jì)，得到3 種方案下電機(jī)力矩平均有效值分別為41.06，26.97，54.94 N·mm。取力矩最小的方案作為最終選擇，即加速時(shí)長設(shè)定為0.2 s。最后，得出電機(jī)的理想目標(biāo)速度曲線，如圖15 所示。

圖15 電機(jī)目標(biāo)轉(zhuǎn)速輸入曲線Fig.15 Input curve of motor target speed

后視鏡殼體理想目標(biāo)轉(zhuǎn)角曲線如圖16 所示。在沒有PID 反饋控制的情況下，模型對理想設(shè)計(jì)輸入的跟隨結(jié)果如圖17 所示，可以看出，后視鏡系統(tǒng)本身傳動可靠，但啟動有滯后，且無法控制局部的運(yùn)動沖擊。

圖16 后視鏡殼體目標(biāo)轉(zhuǎn)角曲線Fig.16 Target angle curve of rearview miroor shell

圖17 開環(huán)控制運(yùn)動仿真結(jié)果Fig.17 Open loop control simulation of motion

經(jīng)過前面系統(tǒng)對階躍輸入的控制參數(shù)調(diào)節(jié)工作，得出所設(shè)計(jì)的后視鏡控制系統(tǒng)中PID 模塊KP在1 100～1 500，Ti在20 000～30 000 時(shí)，控制效果相對較好。為了進(jìn)一步確定控制參數(shù)的最佳值，將上文設(shè)定的理想電機(jī)轉(zhuǎn)速作為控制系統(tǒng)的輸入，按照傳動比得出相應(yīng)的殼體理想輸出轉(zhuǎn)速，對比理想輸出與仿真結(jié)果，以便觀察，再調(diào)試積分系數(shù)。

對于設(shè)計(jì)的給定理想輸入，將PID 控制器的比例系數(shù)設(shè)定為1 500，積分時(shí)間設(shè)定為30 000，最后得出控制系統(tǒng)輸出調(diào)試最終結(jié)果，如圖18 所示。可以看出，控制系統(tǒng)的響應(yīng)速度比較快，但是超調(diào)量大，因此把控制系統(tǒng)的比例系數(shù)KP降低到1 300，得到圖19 所示的仿真結(jié)果。超調(diào)量降低，響應(yīng)速度也沒有明顯的降低，但局部的突變依然明顯，歸根到底還是比例作用過強(qiáng)，因此進(jìn)一步將控制系統(tǒng)的比例系數(shù)KP降低。當(dāng)比例系數(shù)降到1 100時(shí)，得到的仿真結(jié)果如圖20 所示?？梢钥吹?，響應(yīng)速度快，超調(diào)量也小。如圖21 所示，將積分系數(shù)Ti下調(diào)到25 000 時(shí)，積分作用開始變得過強(qiáng)，轉(zhuǎn)速局部開始突變和超調(diào)?？偨Y(jié)控制系統(tǒng)輸出調(diào)試最終結(jié)果可知，圖20 調(diào)試結(jié)果較理想，可以作為控制系統(tǒng)的模型參數(shù)。

圖18 KP=1 500,Ti=30 000 控制系統(tǒng)輸出調(diào)試結(jié)果Fig.18 KP=1 500,Ti=30 000 commissioning results

圖19 KP=1 300,Ti=30 000 控制系統(tǒng)輸出調(diào)試結(jié)果Fig.19 KP=1300,Ti=30 000 commissioning results

圖20 KP =1 100 Ti=30 000 控制系統(tǒng)輸出調(diào)試結(jié)果Fig.20 KP=1 100,Ti=30 000 commissioning results

圖21 KP=1 100,Ti=25 000 控制系統(tǒng)輸出調(diào)試結(jié)果Fig.21 KP=1 100,Ti=25 000 commissioning results

如圖22 所示，后視鏡模型轉(zhuǎn)過的總角度為54.3°，跟目標(biāo)轉(zhuǎn)角曲線對比，上方曲線為轉(zhuǎn)過角度的目標(biāo)曲線，下方曲線為機(jī)構(gòu)仿真轉(zhuǎn)過的角度。對比設(shè)計(jì)的總轉(zhuǎn)角55°，誤差1.27%，所以控制系統(tǒng)整體的控制效果令人滿意。

圖22 后視鏡轉(zhuǎn)角輸出仿真結(jié)果Fig.22 Simulation of rearview mirror angle output

對比以上仿真結(jié)果，最終確定控制系統(tǒng)的PID控制器的比例環(huán)節(jié)和積分環(huán)節(jié)的系數(shù)分別為1 100和30 000，并證明了PID 控制系統(tǒng)對修正后視鏡機(jī)構(gòu)運(yùn)動誤差的有效性。

5 結(jié)語

本后視鏡折疊控制系統(tǒng)，首先取代了傳統(tǒng)的折疊限位機(jī)構(gòu)，在滿足折疊功能的前提下，減小了折疊系統(tǒng)轉(zhuǎn)動慣量；其次，基于ADAMS 與MATLAB對電動折疊器進(jìn)行了PID 聯(lián)合仿真控制。對控制器控制參數(shù)優(yōu)化結(jié)果是：控制系統(tǒng)的PID 控制器比例和積分環(huán)節(jié)的系數(shù)分別為1 100 和30 000，此時(shí)穩(wěn)態(tài)誤差小，響應(yīng)速度快，超調(diào)量也小，同時(shí)后視鏡轉(zhuǎn)角輸出仿真結(jié)果誤差小，控制效果令人滿意。