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)品在折疊運轉(zhuǎn)時存在動態(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，然后進入控制系統(tǒng)設(shè)計。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[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ECU 單元，經(jīng)ECU 內(nèi)部程序發(fā)出信號控制驅(qū)動電路，進而控制折疊電機[7]。折疊電機的輸出量是轉(zhuǎn)速，通過轉(zhuǎn)速傳感器反饋給ECU 進行誤差修正。電機另一個反饋量是電樞電流，到位后，電機轉(zhuǎn)動受阻發(fā)生堵轉(zhuǎn)，電流迅速增大，此時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)總體方案進行硬件系統(tǒng)設(shè)計與選取[9]。

轉(zhuǎn)速傳感器測量的是電機轉(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，只需事先限定一個限定值，當(dāng)電機堵轉(zhuǎn)，電流超過限定值時，電流傳感器發(fā)出高電平；電機轉(zhuǎn)動過程中，電樞電流未超過限定值時，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，使電機停轉(zhuǎn)。所以電流計只需具備比較限流功能即可，綜合模塊特點，選擇WCS1700 電流檢測一體模塊。該模塊主要有2 個功能：一是經(jīng)過運放跟隨的模擬信號，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)實際電流值大于預(yù)設(shè)值時，開關(guān)信號會由低電平變?yōu)楦唠娖?，并有LED 指示燈指示，簡單易用。模塊具有響應(yīng)時間快、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。

3 控制流程設(shè)計

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

主程序設(shè)計為循環(huán)結(jié)構(gòu)，通過不斷運行采集各傳感器發(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，則進行過載止停子程序，否則進行動作信號判斷。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，執(zhí)行動作子程序?qū)π盘栠M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)動電路控制電機運轉(zhuǎn)，然后通過電流檢驗?zāi)K對電樞電流進行判斷，如果電機電流沒有超過堵轉(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?zāi)K接收到電路過載信號時，就會給ECU 發(fā)出信號讓其中斷電機的驅(qū)動電路，使電機停止轉(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 機構(gòu)模型參數(shù)設(shè)置

創(chuàng)建狀態(tài)變量，將后視鏡機構(gòu)模型的電機角轉(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 個狀態(tài)變量M_V，Velocity，Angle，電機軸力矩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，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 個模塊分別是機構(gòu)模型的非線性與線性模型。

圖5 后視鏡機械機構(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)定的電機理想轉(zhuǎn)速，經(jīng)過一個比例處理模塊后轉(zhuǎn)換成相應(yīng)的殼體目標轉(zhuǎn)速，該值通過累加器與反饋的實際仿真殼體轉(zhuǎn)速對比、求差送PID 控制器，PID 經(jīng)過處理發(fā)出一個控制轉(zhuǎn)速給ADAMS 模型，達到調(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)計輸入的響應(yīng)效果。在這個過程中根據(jù)仿真結(jié)果，對比修改各環(huán)節(jié)參數(shù)，實現(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)計的殼體平均轉(zhuǎn)速稍大一點的值22.9°。對系統(tǒng)比例系數(shù)KP分別取1 000，1 200，1 500，1 700，進行控制系統(tǒng)調(diào)節(jié)仿真對比。仿真時間為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，局部有轉(zhuǎn)速突變，穩(wěn)態(tài)誤差非常之大；調(diào)到1 200 時，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；調(diào)到1 500 時穩(wěn)態(tài)誤差相對較??；當(dāng)超過1 600 時，系統(tǒng)超調(diào)量開始變大；超過1 700 時控制系統(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)果進行分析，積分系數(shù)過小時，積分效果過強，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 控制器的積分時間Ti范圍在30 000 附近。同時，考慮到后視鏡機構(gòu)在實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)，在實際中控制系統(tǒng)要控制的是后視鏡機構(gòu)的折疊電機，電機啟動時，不能立刻加載大電壓，一是出于過流保護的考慮，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。

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

選定折疊運動的總時間為2.6 s，對于加速時間，經(jīng)過對大量產(chǎn)品的數(shù)據(jù)統(tǒng)計，設(shè)定0.1，0.2，0.3 s 3 種方案進行優(yōu)化對比。通過仿真數(shù)據(jù)結(jié)果統(tǒng)計，得到3 種方案下電機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，即加速時長設(shè)定為0.2 s。最后，得出電機的理想目標速度曲線，如圖15 所示。

圖15 電機目標轉(zhuǎn)速輸入曲線Fig.15 Input curve of motor target speed

后視鏡殼體理想目標轉(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動沖擊。

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

圖17 開環(huán)控制運動仿真結(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，控制效果相對較好。為了進一步確定控制參數(shù)的最佳值，將上文設(shè)定的理想電機轉(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?？梢钥闯?，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，因此進一步將控制系統(tǒng)的比例系數(shù)KP降低。當(dāng)比例系數(shù)降到1 100時，得到的仿真結(jié)果如圖20 所示。可以看到，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，積分作用開始變得過強，轉(zhuǎn)速局部開始突變和超調(diào)。總結(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°，跟目標轉(zhuǎn)角曲線對比，上方曲線為轉(zhuǎn)過角度的目標曲線，下方曲線為機構(gòu)仿真轉(zhuǎn)過的角度。對比設(shè)計的總轉(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)對修正后視鏡機構(gòu)運動誤差的有效性。

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，此時穩(wěn)態(tài)誤差小，響應(yīng)速度快，超調(diào)量也小，同時后視鏡轉(zhuǎn)角輸出仿真結(jié)果誤差小，控制效果令人滿意。